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摘要：中国移动研究院提出的C-RAN方案，其目标是为移动运营商降低投资和运维成本。同时，为运营商以统一、开放的平台同时运营多种标准及灵活升级提供基础。
上世纪60年代，吉恩•罗登贝瑞（Gene Roddenberry）首次创作了《星际迷航》（《Star Trek》），并由此开创了宇宙探险科幻电视、小说、电影多媒体运作的先河，形成了一个次生文化范畴。虽然年代久远，但其震撼的系列星际战舰仍让人记忆如新，作品表现出来的想象力至今看来仍极富创造性。
该作品描述了一个未来世界星际舰队在太空中的冒险经历。在探险过程中人类建造了多艘太空飞船，这些飞船承载着人类探索未知世界的使命，其中最著名的飞船即“企业号”。在星际迷航系列故事中，“企业号”若干次被毁灭却又一次次涅槃重生，每一代太空飞船都更强大先进。从星际迷航系列影片中，我们可以看到人类勇于创新和不断试图征服宇宙，不断追求工程技术进步的精神。
正如《星际迷航》中更新换代的太空飞船，移动通信领域同样正在经历一代又一代的技术更新和变革，每一次变革都是一种自我否定、重新认识和选择的过程，充满机遇与挑战，而我们更需要保持不断进步的勇气以及创造下一代技术的热情。
1G：蜂窝移动通信的诞生
移动通信领域崭新的开始可以从蜂窝通信谈起。蜂窝电话的基本概念，即蜂窝覆盖和频率复用方案早在1947年就已出现。然而，直到1977年，依托于比较成熟的晶体管技术和刚刚出现不久的集成电路技术，AT&T和贝尔实验室才设计出蜂窝系统的原型机，由窄带调频实现移动语音通信。
1982年，第一个基于AMPS标准的美国商用模拟蜂窝网络在芝加哥投入商用，从此，蜂窝移动通信得到了快速发展。许多国家推出了各自的模拟移动通信系统，比如在欧洲，互不兼容的模拟移动通信系统竟多达八、九种。
第一代移动通信系统的技术特点是窄带（25KHz－30KHz）、模拟调制、解决“有无”。虽然还有很多如漫游及容量等问题没有得到解决，但这是移动通信腾飞的开始，就好比星际迷航中第一代的太空飞艇，为人类探索未知宇宙打开了一扇窗。
2G：GSM风行天下
第一代移动通信系统出现后，人们对移动通信的需求超出了所有人的想象。1987年，全球蜂窝电话用户超过了100万，空中通道变得拥塞不堪，第一代移动通信系统的容量迅速饱和，需要新的技术手段去满足需求。
从理论上说，增加蜂窝移动通信系统容量的方法只有三种：增加频率资源、小区分裂、改进技术。频率资源总是有限的，小区分裂意味着需要大量投资，唯一的解决方案就是创造新的技术。
人们意识到AMPS和ETACS的模拟传输机制无法有效地提供更大容量。另一方面，随着移动通信在全球的推广，人们希望出台全球统一的标准。在第一代模拟移动通信系统支离破碎的欧洲，统一标准更显重要。
在当时的欧洲邮政和电信委员会（CEPT）推动下，GSM（Global System for Mobile Communications）在欧洲应运而生，这是一种基于时分复用（TDMA）的数字技术。第一个GSM网络于1991年在芬兰投入运行，今天，GSM在200个国家和地区服务超过45亿用户。统一的标准使得用户可以在世界上几乎任何角落使用移动电话，享受极大的便利。
第二代移动通信系统很好地解决了语音通信问题，并在很大程度上形成了一些主流的通信标准，如GSM/CDMA/D-AMPS。
3G：从语音到数据
从上世纪90年代起，业界开始通过3GPP及3GPP2组织研究下一代数字移动通信的标准。当时，语音通信迅速增长，给网络容量带来新的压力，同时，Internet已经崛起，多媒体数字化技术方兴未艾。因此，3G的目标有两个：一是提供更多的语音容量，二是为多媒体应用提供高速数据接入。
第一个目标，即提供更多的语音通信容量，被证明是没有必要的。随着GSM技术的进步，业界为提升GSM的系统容量和覆盖设计了越来越多的机制。一个著名的例子是，在2008年北京奥运会期间，中国移动的GSM网络容量达到了每平方公里10000爱尔兰。在奥运会开幕式的当晚，20多万人聚集在不足2平方公里的鸟巢体育场区域内，每小时最高呼叫超过200000个，而GSM网络工作顺畅，只达到了网络峰值容量的75%。
第二个目标，即满足高速数据业务的需求，被证明是UMTS（3G标准之一）的真正使命。但遗憾的是，UMTS并未很好地达到这一目标。在UMTS商用初期，它的上下行峰值速率分别只有64Kbps和384Kbps，只比EDGE稍有优势（180Kbps）。更糟的是，早期的3G网络覆盖范围十分有限。直到2006年，HSPxA技术引入UMTS系统，将下行峰值速率提高到7.2Mbps，很大程度满足了人们对高速数据业务的需求，才使得市场恢复了快速增长。
大屏幕智能终端的涌现和成熟，加上移动互联网业务发展，移动网络的数据带宽需求发生了爆炸式增长。如2006年以后，AT&T的数据需求在3年内增长了50倍，而Softbank Mobile预计它们的移动互联网业务在未来5年内将再增长40倍。
以CDMA为基础技术的UMTS系统越来越难以满足这样的数据增长要求，为了满足高容量数据业务的访问需求，移动通信技术领域必须进行新的反思和提供创新性的解决方案。
LTE：移动互联网将大行其道
为了更好地利用更大的带宽，3GPP长期演进技术（LTE）应运而生。它是GSM/EDGE/UMTS/HSPxA移动网络技术家族中的最新标准。LTE可以在20MHz带宽下提供至少可以达到100Mbps的下行峰值速率和50Mbps的上行峰值速率。系统体系结构演进（SAE）作为LTE标准的一部分，是一种基于IP网络的扁平化系统架构，它的用途是代替GPRS核心网络并且支持与一些早期技术（如GPRS）和一些非3GPP系统（如WiMAX）的互操作。
LTE最大的优势在于高吞吐量、低延迟、即插即用，在同一平台中可以实现频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。这些都大大提高终端用户体验，而其简单的体系结构有助于降低运营成本。
LTE最重要的优势在于其成本效率。由于其在全球范围内得到认可以及同时支持频分双工和时分双工的能力，LTE将主宰未来所有的移动互联网，LTE用户将享受到全球漫游的乐趣并拥有最丰富的手机和大屏幕智能终端的选择。LTE将是第一个统一的世界移动通信标准。
云和未来
为了满足无处不在的移动覆盖以及高容量的数据业务需求，移动通信技术历经多次变革，从3G到LTE-A，系统容量越来越高、用户体验越来越好，但其背后对应的，却是移动网络运营者付出的越来越沉重的代价。
移动运营商目前正面临着激烈的竞争环境，单用户的ARPU增长缓慢甚至负增长，严重影响其赢利能力，而移动互联网业务的流量迅速上升，用于建设、运营、升级无线接入网的支出却在不断增加。事实上，建设和维护无线接入网的成本如此之大，以致于世界一些顶尖的移动运营商已经面临着成本和网络拥塞的问题。例如，AT&T的CEO给客户的公开信中，就请求他们在使用包月计费的数据计划时要体谅运营商。
业界一度有人认为WLAN技术是移动网络性价比最高的解决方案。家用的WLAN AP非常廉价，其使用的频率资源又免费，使用户能够在家庭或者企业内享受宽带无线连接。然而，WLAN AP的覆盖比GSM基站要小1万倍，这意味着如果运营商要提供和今天的GSM网络一样的覆盖，需要铺设多1万倍的WLAN AP，显然，由此带来的管理和维护开销将不可想象。WLAN更适合在热点地区，尤其是室内区域，作为无线数据业务的有效补充，对于广域覆盖，还是要依赖传统无线接入网。显然，为了保持持续盈利和长期增长，移动运营商必须在无线接入网架构上进行革命性创新。
一般而言，移动运营商的网络投资中，80%用于无线接入网建设，投资巨大，造成运营商的CAPEX居高不下。而OPEX主要包括站点租金、传输带宽租金、人工维护以及电力消耗等，OPEX的成本控制尤为困难。我们必须找到一个性价比更高的方法以最小化TCO中的非生产性部分，同时维护网络良好的覆盖。
这就让我们回到了无线通信产业界最基本的一个问题，怎么更好地构建基站及无线接入网络，既能满足用户需求，又能保持低成本的建设运维模式。为了回答这个问题，中国移动研究院提出了C-RAN方案，发布了C-RAN白皮书，呼吁大家共同致力于低成本易运营的新型接入网架构的研究。
图1. C-RAN网络架构
图1展示了C-RAN这一未来无线网络构架。C-RAN的基本特点是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。
C-RAN的命名“C”源于它的几个特点
第一个“C”是指集中化处理（Centralized Processing），这是C-RAN的一个标志性特点。集中化处理的构架使得我们仅需在原有的小区站点部署射频及天线单元，而所有的无线信号都通过数字化传输送到中心节点处理。这样的最大好处是，原有的那些需要许多机房配套的设备，都可以集中在中心节点，统一建设、统一运维。由于远端无需机房及其配套，我们可以大大降低投资和运维成本。
第二个“C”指协作化无线电（Collaborative Radio）。无线通信的未来在于协作化技术。今天，每个基站都独立处理其收发的无线信号，当一个移动终端与某个基站通信时，它发出的信号对于其它临近的基站而言是干扰，反之，其它临近基站发送的信号对这个移动终端而言也是干扰，这些系统内的干扰已成为移动通信系统容量提高的最大障碍。在C-RAN的构架下，我们可以在中心节点同时控制移动终端周围的多个基站天线发送或者接受信号，这样一来，原来的“干扰”信号就变成了有用信号。理论研究成果表明，同等条件下，利用协作化技术的无线通信系统可能比没有利用协作化技术的无线通信系统容量提高30%－40%，同时小区边缘用户的吞吐量提高100%。可以预见，协作化技术能够有效地改善小区覆盖，为用户提供更好的服务。
第三个“C”是指云计算，这也是C-RAN的一大特点。通过应用可支持实时任务的云计算技术，我们可以采用工业标准的设备构建具有高度可扩展性的中心处理节点。廉价的标准节点设备通过光交叉互联构成一个具有高冗余、高可靠性的实时云计算系统。每一节点的可靠性不用很高，但是整个系统通过冗余备份可以达到99.9999%的电信级标准，这将大大降低系统建设和维护的成本。如果需要增加或减少系统容量，我们只需要简单地增加或减少处理单元即可。同时，多种不同的无线通信标准（如GSM/TD-S/TD-LTE）可以运行在统一的云计算平台上，更可以方便地根据业务量随时间、地点的变化灵活地调整其所需的处理资源。可以想象，由于移动通信系统中明显的潮汐效应，能够支持动态资源调度和配置的云计算构架将大大降低系统的整体能耗，并使得运营商能更灵活地按需提供服务。
最后一个“C”是指清洁节能（Clean）。由于C-RAN系统实现了集中处理，大大减少了远端站点所需的机房配套及空调，根据中国移动实际网络的调研数据，与传统无线接入网构架相比，C-RAN构架能够降低高达75%－80%的单站能源消耗。其中，大约50%来自于远端机房空调系统的减少，25%来自于集中化的中心节点及其实时云计算技术所实现的资源聚合和动态调度。
C-RAN可以被看作是软件无线电（SDR）的终极形态：所有无线接入网的功能，包括信号处理、包交换、路由，甚至业务逻辑，都可以在统一的平台上高效地实现。因此，不仅是传统的电信设备制造商，IT系统及芯片供应商也表现出强烈的兴趣。
总之，C-RAN的目标是为移动运营商降低投资和运维成本，大大降低每比特成本，提高频谱效率并提高能源效率。同时，它为运营商以统一、开放的平台同时运营多种标准及灵活升级提供了基础。就像《星际迷航》里的最新型星际飞船一样，C-RAN将能成为移动运营商应对今天以及未来通信领域未知挑战的利器。
作者：中国移动通信研究院院长 黄晓庆 来源：《华为技术》
