C-RAN ( Cloud-RAN ), также называемый Centralized-RAN , представляет собой архитектуру сотовых сетей. [1] [2] [3] C-RAN — это централизованная архитектура на основе облачных вычислений для сетей радиодоступа , которая поддерживает 2G, 3G, 4G и будущие стандарты беспроводной связи. Его название происходит от четырех букв «С» в основных характеристиках системы C-RAN: «Чистая централизованная обработка, совместная радиосвязь и сеть облачного радиодоступа в реальном времени». [4]
Традиционные сотовые сети , или сети радиодоступа (RAN), состоят из множества автономных базовых станций (BTS). Каждая BTS покрывает небольшую территорию, тогда как групповая BTS обеспечивает покрытие сплошной территории. Каждая BTS обрабатывает и передает свой собственный сигнал на мобильный терминал и обратно , а также пересылает полезную нагрузку данных на мобильный терминал и обратно в базовую сеть через транзитную связь . Каждая БТС имеет собственное охлаждение, обратный транспорт, резервную батарею, систему мониторинга и так далее. Из-за ограниченности спектральных ресурсов сетевые операторы «повторно используют» частоту разными базовыми станциями, что может вызвать помехи между соседними сотами.
Традиционная сотовая архитектура имеет несколько ограничений. Во-первых, строительство и эксплуатация каждой БТС обходится дорого. Закон Мура помогает уменьшить размер и мощность электрической системы, но вспомогательные средства BTS также не улучшаются. Во-вторых, когда к системе добавляется больше BTS для повышения ее пропускной способности, помехи между BTS становятся более серьезными, поскольку BTS находятся ближе друг к другу и большее количество из них используют одну и ту же частоту. В-третьих, поскольку пользователи мобильны, трафик каждой BTS колеблется (так называемый «эффект прилива»), и в результате средний коэффициент использования отдельных BTS довольно низок. Однако эти ресурсы обработки нельзя использовать совместно с другими BTS. Таким образом, все BTS предназначены для обработки максимального, а не среднего трафика, что приводит к пустой трате вычислительных ресурсов и мощности во время простоя.
В сотовых сетях 1G и 2G базовые станции имели архитектуру «все в одном». Аналоговые, цифровые и силовые функции были размещены в одном шкафу размером с холодильник. Обычно шкаф базовой станции размещался в специальном помещении вместе со всеми необходимыми вспомогательными средствами, такими как питание, резервная батарея, кондиционирование воздуха, оборудование для наблюдения за окружающей средой и оборудование для обратной связи. Радиочастотный сигнал генерируется радиочастотным блоком базовой станции и распространяется по парам радиочастотных кабелей до антенн на вершине башни базовой станции или других точек крепления. Эта универсальная архитектура чаще всего встречается при развертывании макросот.
Для 3G архитектуру распределенных базовых станций представили Ericsson , Nokia , Huawei и другие ведущие поставщики телекоммуникационного оборудования. В этой архитектуре функциональный блок радиосвязи, также известный как удаленная радиоголовка ( RRH ), отделен от цифрового функционального блока или блока основной полосы частот (BBU) оптоволокном. Цифровые сигналы основной полосы передаются по оптоволокну с использованием стандарта Open Base Station Architecture Initiative ( OBSAI ) или Common Public Radio Interface ( CPRI ). RRH можно установить на вершине башни рядом с антенной, что снижает потери по сравнению с традиционной базовой станцией, где радиочастотный сигнал должен проходить по длинному кабелю от шкафа базовой станции к антенне на вершине башни. Оптоволоконная линия между RRH и BBU также обеспечивает большую гибкость при планировании и развертывании сети, поскольку их можно разместить на расстоянии нескольких сотен метров или нескольких километров. Большинство современных базовых станций теперь используют эту несвязанную архитектуру.
C-RAN можно рассматривать как архитектурное развитие вышеупомянутой системы распределенных базовых станций. Он использует преимущества многих технологических достижений в области беспроводных, оптических и ИТ-систем связи. Например, он использует новейший стандарт CPRI, недорогую технологию грубого или плотного мультиплексирования с разделением по длине волны ( CWDM / DWDM ) и mmWave, чтобы обеспечить передачу группового сигнала на большие расстояния, что обеспечивает крупномасштабное централизованное развертывание базовой станции. Он применяет новейшую сетевую технологию центра обработки данных, чтобы обеспечить недорогую, высокую надежность, низкую задержку и высокоскоростную межсетевую сеть в пуле BBU. Он использует открытые платформы и технологию виртуализации в реальном времени, основанную на облачных вычислениях, для достижения динамического распределения общих ресурсов и поддержки сред с несколькими поставщиками и разными технологиями. [5]
Архитектура C-RAN имеет следующие характеристики, отличающиеся от других сотовых архитектур:
KT, оператор связи в Республике Корея, в 2011 и 2012 годах представил систему центра облачных вычислений (CCC) в своих сетях 3G (WCDMA/HSPA) и 4G (LTE/LTE-A). [6] Концепция CCC в основном то же самое, что и C-RAN.
SK Telecom также развернула сеть Smart Cloud Access Network (SCAN) и Advanced-SCAN в своей сети 4G (LTE/LTE-A) в Корее не позднее 2012 года. [7]
В 2014 году Airvana (ныне CommScope) [8] представила OneCell, систему малых сот на базе C-RAN, предназначенную для предприятий и общественных мест. [9]
Одним из основных альтернативных решений, которое решает аналогичные проблемы RAN, является компактная наружная BTS «все в одном». Благодаря достижениям полупроводниковой промышленности все функции BTS, включая RF, обработку основной полосы, обработку MAC и обработку на уровне корпуса, теперь могут быть реализованы в объеме <50 литров. Это делает систему небольшой и защищенной от атмосферных воздействий, снижает сложность выбора места и строительства BTS, устраняет необходимость в кондиционировании воздуха и, таким образом, снижает эксплуатационные расходы.
Однако, поскольку каждая BTS по-прежнему работает самостоятельно, она не может легко использовать алгоритмы сотрудничества для уменьшения помех между соседними BTS. Кроме того, относительно сложно модернизировать или отремонтировать, поскольку универсальные блоки BTS обычно устанавливаются рядом с антенной. Большее количество процессоров в менее защищенных средах также означает более высокий уровень отказов по сравнению с C-RAN, в котором RRU развернут только снаружи.
Преимущество Cloud RAN заключается в ее способности реализовывать функции LTE-Advanced, такие как скоординированная многоточечная связь (CoMP), с очень низкой задержкой между несколькими радиоголовками. Однако экономическая выгода от таких усовершенствований, как CoMP, может быть сведена на нет из-за более высоких затрат на транспортную связь для некоторых операторов.
Основная конкуренция между малыми сотами и C-RAN происходит в двух сценариях развертывания: покрытие точек доступа на открытом воздухе и покрытие внутри помещений.
Будучи одним из многообещающих путей развития будущей архитектуры сотовой сети, C-RAN вызвал высокий академический исследовательский интерес. Между тем, поскольку встроенная в архитектуру C-RAN встроенная поддержка возможностей совместной радиосвязи также позволяет использовать многие продвинутые алгоритмы, которые было трудно реализовать в сотовых сетях, включая совместную многоточечную передачу/прием, сетевое кодирование и т. д.
В октябре 2011 года в Германии прошел 27-й Всемирный исследовательский форум беспроводной связи, на котором компания China Mobile была приглашена провести презентацию C-RAN.
В августе 2012 года в Куньмине, Китай, прошел семинар IEEE C-RAN 2012 .
CRC Press опубликовала книгу «Зеленые коммуникации: теоретические основы, алгоритмы и приложения», в которой есть 11-я глава: «C-RAN: структура Green RAN». [10]
В декабре 2012 года в Калифорнии, США, прошла конференция IEEE GlobalCom 2012, Международный семинар по облачным станциям и крупномасштабным совместным коммуникациям.
Рамочный проект Европейского комитета 7 имеет спонсоров и в настоящее время решает множество проблем, связанных с развитием архитектуры сотовой сети. Многие из этих проектов использовали C-RAN в качестве одной из будущих архитектур сотовой сети, например проект Mobile Cloud Network [11] .