李 頌（上海貝爾股份有限公司，上海 201012）

0 前言

移動通信產業(yè)正在面臨的一個轉折點是：雙核、CPU主頻、內存、操作系統(tǒng)等智能終端的核心部件正在朝著更高、更快、更強的目標發(fā)展，與此帶來的就是數(shù)據業(yè)務流量激增，人們越來越習慣在手持終端上體驗原來在PC上的互聯(lián)網業(yè)務，而業(yè)務和內容提供商也不斷投其所好，數(shù)以億計的移動數(shù)據業(yè)務如雨后春筍般蔓延，現(xiàn)有的移動網絡和構架越來越不能滿足最終用戶對業(yè)務體驗的要求。這種情況導致變革勢在必行。2011年2月阿爾卡特朗訊宣布推出LightRadio產品系列。這一來自貝爾實驗室的原創(chuàng)技術，可有效解決運營商網絡流量激增的難題，同時顯著降低網絡的技術復雜性、能源消耗及其他運營成本，該系統(tǒng)將能替代現(xiàn)有基站與大規(guī)模蜂窩站塔，縮減基站數(shù)量并簡化基站建設。這一技術的公開發(fā)布，表明了阿爾卡特朗訊在技術上已經取得重大突破，并將顛覆性地改變未來移動網絡構架和建設模式。

1 市場需求

過去幾年是智能終端爆發(fā)式增長期，隨著芯片技術突破和寬屏成本不斷下滑，平板電腦和智能多媒體手機異軍突起。而數(shù)據業(yè)務的良好適配也使這些終端產生了大量移動數(shù)據流量需求。圖1預測了未來5年不同終端對數(shù)據流量的消耗。

圖1 無線終端網絡業(yè)務流量預測

另一方面根據摩爾定律，終端持續(xù)升級，業(yè)務開發(fā)商不斷推出全新業(yè)務以適配終端能力，而新業(yè)務又帶來了更好的用戶體驗，增加了業(yè)務使用率和使用時間，并推動了網絡不斷演進。網絡性能升級，又為終端性能提升帶來了需求空間，形成了一個封閉反饋的需求驅動環(huán)路。只要業(yè)務收入增長能夠彌補網絡擴容和升級費用，這個環(huán)路將一直循環(huán)往復。然而現(xiàn)有的網絡構架和部署方式并不能有效支撐該模式。新頻段拍賣、載頻擴容、網絡技術演進，特別是激增的射頻單元和天饋系統(tǒng)使建網成本急劇增加，使循環(huán)難以繼續(xù)。具體而言，以下幾個方面原因阻撓了網絡建設和諧發(fā)展。

a）站址的稀缺性導致建網成本高企。對于移動運營商而言，設備采購只占總成本的很小部分。在中國，站址租用和施工成本大約是設備采購成本的3倍。傳統(tǒng)架構的無線設備，巨大的天線令人畏之如虎，使站址選擇極為困難，且費用高昂，在成本壓力下的運營商難以確保網絡質量。

b）無線數(shù)據流量時間維度的巨大差異導致運營商處于如何同時降低成本和改進網絡質量的兩難境地。不同場所，不同時間，無線數(shù)據流量會有很大不同；主城區(qū)存在明顯的話務潮汐效應。在現(xiàn)有無線網絡架構下，帶寬資源不能夠集中共用，為單個基站所獨享。運營商要滿足所有流量需求，必須提供極大的冗余帶寬，這會極大地增加運營商的建設成本，如只提供較少帶寬，又會導致用戶體驗變差，不利于保持或提高客戶滿意度。

c）數(shù)據業(yè)務對基站的需求遠大于流量增加所帶來的利潤增益。按照現(xiàn)有無線網絡架構，2013年，運營商將陷入收支不平衡的窘境。如網絡構架不變，運營商要滿足日益增長的無線數(shù)據需求，需要大大增加無線基站數(shù)量，這將導致成本直線上升，最終入不敷出。

上述3個問題，其核心要點就是覆蓋和容量。覆蓋主要由站址密度和頻譜資源所決定，當然天線配置和采用何種無線技術也扮演了極其重要的角色。同樣站址密度和天線配置也影響了網絡容量，而無線技術即頻譜利用效率也對容量起了決定性的作用。lightRadio正是通過革命性的網絡構架創(chuàng)新對以上5個因素進行優(yōu)化來降低網絡建設成本，同時實現(xiàn)網絡演進并滿足業(yè)務循環(huán)驅動的要求。這些優(yōu)化包括傳輸、站址租賃、基礎建設、設備、能耗和運維成本。圖2示出了每個單項在網絡建設成本中所占的比例。

圖2 基站建設成本

2 lightRadio方案價值

lightRadio能夠在5個維度幫助移動運營商持續(xù)不斷地提升網絡性能并改善用戶業(yè)務體驗。圖3示出了lightRadio的網絡構架。

圖3 lightRadio網絡構架

其中最基礎的無線基站構架——傳統(tǒng)宏基站和城市站（metro cell）采用了3種不同的基帶處理配置，即融合小型化（基帶處理和射頻前端融為一體），傳統(tǒng)基帶和射頻分離以及集中化、云構架的基帶池。lightRadio在天線、射頻、基帶處理、無線網絡控制器和網絡管理等5個領域完成了技術創(chuàng)新，通過5個領域的協(xié)同配合帶來網絡容量、覆蓋和性能上的巨大提升。

2.1 平滑的網絡融合

增加容量的最佳方案無疑是增加載頻或增加每載頻的頻寬。對于原有頻段，擴容是最為經濟的方案。然而對于新頻段，由于天饋、射頻和基帶處理單元都需要重建，因此采用頻譜利用率更高的技術成為不二選擇。終端和用戶從一種技術向另一種技術遷移需要一個時間過程，因此提供一種融合方案來兼顧現(xiàn)有網絡和未來技術以實現(xiàn)網絡容量的平滑過渡，無疑是最經濟的方案。lightRadio就提供了這種從天線、基帶處理直至控制器網元的多網絡融合能力。

基于SoC構架的全新的基帶處理單元，將以前離散的不同無線技術板卡集成到一個低成本、高性能的處理芯片上，并能夠通過遠端程序控制和下載來支持不同的無線技術（包括2G，3G、LTE等）。運營商能夠通過在基帶處理板卡上插入更多的SoC芯片實現(xiàn)網絡擴容，同時還可以根據用戶網絡遷移狀況通過遠程程序下載調節(jié)不同網絡之間的基帶處理能力。隨著負擔均衡和處理池功能的引入，所有基帶處理能力在不同網絡之間的調配都將動態(tài)完成。與此相對應，寬帶自適應有源天線也支持不同頻段和技術之間的融合切換。和傳統(tǒng)方案不同的是，新技術和頻段的使用不需要額外的天饋和射頻單元，這也為網絡建設帶來便利。

2.2 優(yōu)化基站容量

增加新載頻無疑是提升小區(qū)容量的最佳方案。然而在主城區(qū)，原有小區(qū)載頻數(shù)量已經達到頻譜資源上限，很難進行有效擴容，而站址租賃和新頻譜資源拍賣的高昂成本讓人難以承受。因此需要部署更小的宏站和城市站 （Metro cell）來提升站址密度以增加網絡容量。

由于傳統(tǒng)的宏基站需要機房空間來放置機架，因此對于主城區(qū)而言很難找到合適的站址空間，所以只有2種方法可供選擇。

a）采用分布式構架，將無線射頻遠端通過光纖連接到集中式基帶處理單元。

b）將所有基帶處理單元集成到單一的多標準支持的寬帶有源天線中。

這2種方案可互為補充。運營商可根據基帶射頻的傳輸帶寬、需求模型和建設成本進行選擇。lightRadio可對以上2種模式提供支持。對于光纖資源豐富區(qū)域，采用集中式基帶處理模式，通過光纖連接到不同RRH，這能夠有效抗拒話務潮汐效應。使網絡資源利用效率最大化。當然前端也需要采用支持多模的RRH和天饋設備，使對于基建的要求降為最低。lightRadio系列產品除了寬帶有源天線陣列外，還提供了多模RRH來滿足建網需求。對于傳輸資源受限地點，比如熱點高話務負荷區(qū)域，可以采用基帶處理和天線集成設備，僅僅通過以太網/IP實現(xiàn)基站回傳。阿爾卡特朗訊的lightRadio城市站專為此設計。將基于SoC的基帶處理芯片整合到寬帶有源天線陣列（Cube）中，實現(xiàn)任意擺放，完全省去對站址空間需求，同時采用以太網或PON+LAN的形式回傳。

2.3 優(yōu)化的技術演進模式

新技術引入會帶來全新的頻譜資源，更高的網絡容量和新的網絡功能，比如CoMP、ICIC等。阿爾卡特朗訊的lightRadio在設計伊始就支持現(xiàn)在和可預期的未來無線技術?；鶐幚韱卧ㄟ^動態(tài)程式控制來支持3G、LTE及其演進技術，因此運營商可以很輕易地根據終端發(fā)展和用戶遷移模式從100%的3G網絡平滑演進到100%的LTE網絡，無需對硬件作任何變化。同時由于采用了基于SoC和基帶處理芯片設計，無論是位于遠端站還是處于集中式基帶池，都能基于云的構架實現(xiàn)資源協(xié)同處理。此外，阿爾卡特朗訊貝爾實驗室對SON技術進行了突破延伸，該自優(yōu)化網絡技術將不再僅僅應用于無線接入網絡，而是包括分組核心、IP承載和其他公開頻段無線技術（如Wi-Fi）的整個端到端網絡。在整個網絡構架上創(chuàng)建了一個稱之為 “無線IP智能”的全新邏輯層面。該端到端的優(yōu)化能力，能夠幫助運營商自動協(xié)調全網資源，以最優(yōu)成本滿足用戶需求。

2.4 頻譜資源利用最大化

新頻段和老頻段存在不同的無線鏈路損耗，以2.6G LTE網絡為例，其小區(qū)半徑僅僅是900M小區(qū)半徑的1/3。因此高頻段無線技術在共站過程中不可避免會產生覆蓋空洞，而業(yè)務在漫游過程中也會大量發(fā)生降級，影響用戶體驗。為了解決這一問題，運營商大量采用4路甚至是8路接收分級來彌補鏈路預算差距。而這帶來的問題是“鐵塔將天線臃腫”。由于2G、3G和LTE工作在不同頻段，因此鐵塔上將分別需要不同的天饋系統(tǒng)和射頻單元，無論是4路或8路接收分級，還是可預見的4×4 MIMO技術，將徹底摧垮現(xiàn)有的鐵塔天線布局。為此阿爾卡特朗訊開發(fā)了多頻段RRH，可以同時支持所有無線技術所涉及的頻段，如和雙頻天線對應使用，將大大降低鐵塔的天饋和射頻單元數(shù)量。使網絡建設和新頻譜資源利用成為可能。

2.5 優(yōu)化的天線功能

全新的天線功能（如MIMO技術）主要用于優(yōu)化網絡覆蓋和容量。阿爾卡特朗訊將射頻單元和天線技術相結合，創(chuàng)造出智能有源天線陣列，能獲得MIMO增益和波束賦型能力，使無線發(fā)射功率能夠根據小區(qū)負荷和業(yè)務流量的改變動態(tài)地直接鎖定所需用戶。其核心就是Cube（無線魔方），它是一個6 cm×6 cm×4.5 cm的立方體，集成了天線、饋線和射頻單元，并且支持2G、3G、LTE多標準技術融合。

從圖4可以看到，Cube由天線振子、雙工器和功放等部件構成。單個Cube的工作頻寬是20 MHz，可工作在700 MHz~2.6 GHz。最大發(fā)射功率為5 W。多個Cube的組合就構成了寬帶有源天線陣列，圖4中示出了一個8×2的有源天線陣列的組成。通過場強疊加，其等效發(fā)射功率為40 W，同時支持2×20 MHz的工作帶寬，并可以工作在2個不同頻段上。通過垂直波束賦型，其能夠提升30%的網絡容量，并用最少功耗完成最大網絡覆蓋。此外由于每個Cube單元是完全獨立，因此當部分Cube發(fā)生故障時，其能夠自動重新配置天線陣列來實現(xiàn)冗余。由于所有的有源天線陣列都通過CPRI接口連接到集中式基帶處理，因此鄰小區(qū)完全可以使用ICIC技術來大幅提升信噪比。

除了以上幾點外，lightRadio還在CPRI接口的傳輸速率需求上實現(xiàn)了突破，通過貝爾實驗室原創(chuàng)的I/Q壓縮算法可以將系統(tǒng)對CPRI接口的傳輸速率節(jié)省2/3，為多種承載技術應用提供可能。舉例而言，采用4×4 MIMO技術的10 MHz帶寬LTE小區(qū)，原CPRI傳輸速率需要1.843 Gbit/s，采用lightRadio的I/Q壓縮算法后僅僅需要680 Mbit/s，完全能夠在傳統(tǒng)的G比特傳送網上進行傳輸，比如PON。與傳統(tǒng)裸纖建設模式相比，這將大大降低對光纖資源的消耗，使基站部署更為靈活。

圖4 Cube和有源天線陣列示意圖

3 結束語

阿爾卡特朗訊全新的lightRadio產品系列完全針對移動運營商所面臨的網絡建設難點進行設計，通過顛覆性的原創(chuàng)網絡構架，在5個維度上優(yōu)化未來無線網絡。通過射頻單元靈活組合和可編程控制的網元設備幫助移動運營商持續(xù)降低整體網絡擁有成本，并適應業(yè)務和流量負荷的不斷變化。一個基于云的，支持自適應、多頻段、多標準的革命性的lightRadio無線產品系列終將協(xié)助運營商實現(xiàn)高質量、低成本的網絡建設終極夢想。