从LightRadio看移动网络面临的挑战及发展趋势

2011-11-13王泳江

移动通信 2011年13期

王泳江

[摘要]3G改变了人们的沟通方式，不仅加剧了数据业务流量快速增长的态势，同时进一步提升了对移动宽带业务的需求。目前的传统移动通信网络承受着巨大的压力，随着数据业务快速兴起，运营商面临着增量不增收的尴尬。文章讨论了运营商面临的主要挑战，并结合LightRadjo对未来基础网络架构的发展趋势进行探讨。

[关键词]移动互联网智能终端数据流量LightRadia

1引言

随着日本、北美和欧洲移动互联网的迅猛发展，中国移动互联网的欣欣向荣，移动互联网业务快速兴起，国际国内运营商都面临着由于数据业务快速增长而带来的各种挑战：无线网络流量倍增，网络要扩容但基站寻址困难，如何降低庞大的网络能耗、提高网络利用率，如何解决因多种技术引入引起的运维管理矛盾等。为让使用了十多年的2G/3G网络保持持续健康的发展，网络运营商和设备供应商努力寻求着解决之道。本文结合阿尔卡特朗讯推出的LighttRaaio，对以上问题做浅显的探讨。

2运营商面临的挑战

经过十多年的高速发展，移动业务早已深入人们的生活。在中国大陆，近几年每年都会新增约1亿移动用户，手机的渗透率逐年提高。随着整个产业的发展，人们的消费习惯也发生了巨大的变化：在手机刚刚开始普及的时候，打电话(语音服务)是手机的唯一功能；后来短消息成为增长最快的杀手级业务；随着网络技术的发展和智能终端的普及，如今数据业务增长很快。数据业务的快速增长，使系统架构上以解决语音通信为主的2G网络面临着越来越大的压力。

2.1智能终端渗透率逐步提高，推动数据流量快速增长

智能终端用户数的提高是数据流量增长的驱动因素之一。2009年，全球智能终端用户的渗透率为9％，其中移动通信较发达的美国已经达到了32％，中国则约10％。预计到2014年，美国的智能终端渗透率可能达到55％，而中国则可能达到21％(如图1)。IDC的报告表明，2011年第一季度全球智能终端的销售量达到9960万部，同比增长了80％。

中国三大运营商在提高智能终端渗透率方面作出了很多努力。中国移动不仅建立了Ophone的自主品牌，而且加大了和终端厂商的合作，强化了智能终端的深度定制。中国联通则凭借成熟的WCDMA产业链优势和iPhone的品牌优势，利用明星智能终端抢夺其他运营商的中高端用户，并宣布推出Wophone操作系统。中国电信也不甘人后，与终端厂商深度合作，推出了若干定制的高端手机。

网络技术的发展，3G技术的引入，丰富了消费者对移动业务的选择空间，除了语音和短信业务，越来越多电脑上的应用被逐渐转移到智能终端上，iPhone和iPad更是智能终端应用的典型。智能终端不仅给人们繁忙的工作生活之余的“碎片时间”予愉悦，同时极大地激发了人与人之间沟通的欲望，特别是即时通信、Facebook、开心网和微博等社交网络业务(SNS)的兴起，进一步促进移动数据业务流量呈爆炸式发展。

大屏幕、灵活的操控性和开放的操作系统是智能终端的发展趋势。终端厂商和运营商为了争取市场的主导地位，纷纷推出各自的应用程序商店(如App Store，Mobile Market，Wo Store等)，吸引终端用户下载喜欢的游戏等应用程序。虽然全球智能终端的渗透率2011年为13％，但智能终端已经占据了全球65％的移动网络流量(Informa Telecoms＆Mediareleased Nov 2，2010)。2011年，全球每个智能终端用户每个月的数据流量大约为85MB，随着移动互联网的发展，预计2014年不同区域每个终端用户每月的数据流量会是2011年的二到四倍，如图2所示。

用户的数据流量主要受消费习惯的影响，比如当喜欢用手机观看视频的人越来越多时，就不可避免地会增加无线网络的数据流量。如图3，根据对中国移动互联网用户的调查表明，虽然使用手机阅读和即时通信等小流量业务的比例很高，但也必须注意到，在过去的两年中越来越多的人开始使用手机SNS、手机网游和手机视频等业务，如思科认为到2014年视频业务会占据全球66％的数据流量。

通信产业链各方都注意到了数据业务高速增长的态势。思科认为，智能终端和上网本是导致数据流量快速增长的主导力量，全球月均移动数据量预测如图4所示。爱立信估计到2015年全球移动宽带用户会增长到35亿，阿尔卡特朗讯贝尔实验室预测到2015年全球数据流量会增长至少16倍以上。

2.2网络扩容在所难免，但不可持续

数据业务的高速发展给移动网络带来了巨大的压力。为了缓解压力，满足消费者需求，运营商可以采取以下三种方式予以解决，但每种方法都存在相应的局限性。

(1)网络扩容

通过扩容缓解网络压力是最简单、最快见效的方式之一。当网络流量增长到一定程度的时候，掉话和通话质量下降会引发大量的用户投诉。运营商可以采取增加载波板或增加基站来扩大网络容量。

网络扩容会面临很多问题。首先，当某个基站的容量达到一定限度，再继续扩容就会增加网络干扰，影响网络质量，比如中国移动GSM网络类似的问题在密集市区比较突出；其次，随着人们对健康的重视和物业租金的提高，运营商已经很难在需要的地方增加新的基站，这也是令中国三大移动运营商最头疼的问题之一。

(2)技术演进

从系统设计角度来说，2G技术的主要目的是承载语音业务，3G技术增强了对数据业务的支持，而LTE、LTE-A则实现了全IP、扁平化的网络架构，摒弃了对电路域的支持，极大地增强了基站的数据吞吐量。

以中国移动为例，网络升级是最终的解决方案，但也面临着两大难题：

◆终端落后于产业链发展。在市区，终端用户对网络带宽有较高的需求，GSM难以承受数据流量的冲击，但TD-SCDMA终端用户体验较差，短期内难以实现预期中的分流作用，而TD-LTE则是远水解不了近渴。

◆如何保护运营商设备投资的问题。从GSM过渡到TD-SCDMA，然后到TD-LTE，对于以经营GSM网络为主的中国移动来说，如何平衡在2G、3G和LTE上的投资，投资能否尽快收回也是管理层需要考虑的问题。

(3)WLAN卸载

通过在高流量区域设置WLAN接入点来卸载2G/3G网络上的数据流量也是目前全球各大运营商最热衷的方式，包括中国三大运营商纷纷推出的3G+WLAN的运营模式。WLAN卸载的局限性体现在两个方面，即WLAN热点难以实现连续覆盖，而且由于政策因素在中国支持WLAN的终端渗透率偏低，使WVLAN卸载效果大打折扣。

仍以中国移动为例，以上三种方式都难以从根本上解决GSM网络面临的问题。2011年，中国移动显著地提高了对GSM网络和WLAN的投资，这在一定程度上能够

缓解网络质量下降的矛盾。但可预见的是，随着用户数和数据业务的增长，中国移动在未来的几年中仍然面临同样的问题，而且在数据业务增长最快的密集市区可扩容空间却越来越小，靠叠加扩容的模式不仅无法提高资源利用率，而且不可持续。

2.3网络能耗巨大，运营成本逐年升高

在运营商的运营成本中，电源、站点租赁、运行维护、传输、备件和必要的培训成本等占了相当高的比例，根据国情的不同，每部分成本所占的轻重比例也会有所不同。在中国，电源、站点租赁和运维等三部分成本的比例逐年提高，压缩着运营商的利润空间。

众所周知，移动通信基站的能耗主要由设备用电、电源系统的耗电和机房环境用电等三方面引起。到2011年第一季度，中国三大运营商的基站总数超过了160万，按照每个基站的平均年耗电量约1.5万度计算，三大运营商仅无线接入网络的年电力消耗就要超过240亿度，其中机房空调耗电就占了约45％。

为了响应国家节能减排的号召，运营商都制定了具体的节能降耗目标。比如中国移动承诺以2008年能源消耗为基准，到2012年单位业务量耗电下降20％；中国电信承诺到2012年单位信息流量综合能耗将比2009年下降30％。

运营商可以和设备供应商共同寻找降低能耗的方法，但站点租赁费用的提高是运营商无法控制的。降低租赁费用的方法就是减少机房租赁，这也是迫使运营商大力发展零占地面积、小型化基站的主要原因。

另外，随着城市化进程的发展，话务量在时间和空间上的分配很不平衡，形成明显的“潮汐效应”，造成一方面整体设备利用率偏低，另一方面又不得不在某些需求旺盛的热点区域继续扩容，从而造成某种意义上资源的浪费。

我们也看到，目前几乎所有的移动运营商都在同时运营多张不同标准的网络，比如中国移动在未来要面临同时运营GSM、TD-SCDMA、TD-LTE和WLAN四张网络的局面，无形中增加了在网络运维方面的人力和资金投入，运营商迫切希望设备厂商能提供融合的支持多标准的解决方案。

因此，大力发展绿色节能，实现零占地面积、资源共享，并且能同时提供多标准接入技术的无线移动网络的需求日益凸显。

2.4目前的无线网络接入方案可缓解问题，但非长久之计

为了满足市场需求，近几年来设备厂商推出了多种标准融合的移动网络接入方案。目前的主流厂商都能提供用一个机架支持多接入标准的分布式基站，并利用多种节能技术降低能耗，和早期的产品相比有了长足的进步。

然而，还有一些问题是目前的产品所不能解决的，具体为：

(1)天线寻址：即使采用分布式基站架构，运营商仍然需要在高处安装天线。在密集市区的楼顶，密密麻麻的天线已经令老百姓感到不安。

(2)资源共享：目前的基站只能在非常有限的程度上共享基带资源，资源利用率仍然存在很大的提升空间。

(3)技术演进：目前的天线只能支持有限的频宽，有新技术引进时需要更换或增加新的远端接入单元(RRU)和天线，这也是密集市区某些楼顶天线林立的主要原因之一。

为了解决这些问题，整个通信产业都在思考解决方案，中国移动适时推出了C-RAN架构。

3面向未来的解决方案

C-RAN是根据现网条件和技术进步的趋势，由中国移动提出的新型无线接入网构架(见图5)。C-RAN是基于集中化处理(Centralized Processing)、协作式无线电(Coliaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Inf rastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)，其本质是减少基站机房数量。减少能耗，采用协作化、虚拟化技术，实现资源共享和动态调度，提高频谱效率，以达到低成本、高带宽和高灵活度的运营目的。

阿尔卡特朗讯将C-RAN架构再向前发展了一步，于2011年初推出颠覆性的移动网络解决方案——LightRadio。相比C-RAN侧重于大容量数据的快速云处理，LightRadio则通过分散式架构缓解网络建设压力，同时可以消除移动通信对天线塔的依赖。

除了基于C-RAN架构的优势以外，LightRadio的创新主要体现在系统级芯片(SoC，System on Chip)和宽带有源天线阵列(WB-AAA，WideBand Active Antenna Array)。

◆SOC：将一个机架中各个独立的模块都集成到一块芯片中，不仅支持2G、3G和LTE，而且可以远程更新软件以增加新的功能，甚至改变系统的制式，如从WCDMA到LTE。既实现对多标准的支持，同时又通过远程控制，可以不必到现场机房进行升级维护；

◆WB—AAA：支持700MHz到900MHz和1.8GHz到2.6GHz频率内任意两个频段，支持MIMO和Beamformlng，有效提高覆盖，降低能耗。

每一个lightRadio CUbe的功率为5W，多个lightRadio cube可灵活组成矩阵，以满足不同的功率及覆盖面需求。由于体积更小，lightRadio cube可部署在大楼外墙、电线杆、灯柱、公交站牌等位置，既保证了信号覆盖面，又不影响环境美观。同时，多个IightRadio cube组成矩阵，由中央云系统统一控制，即使矩阵中一个小立方出现故障，其他模块仍能正常工作。此外，由于采用云架构，lightRadio系统有效避免了基站间互相干扰情况的发生，中央云可对各个lightRadio cube的使用情况进行灵活分配。

LightRadio产品系列参见图6。

在网络部署上，LightRadio总体上可以分为一体化基站(All in one)、分布式基站和集中的基带处理等三种方式。

(1)一体化基站

将有源天线阵列和基带处理芯片组成一体化基站，应用起来类似于Femto小范围的覆盖，覆盖范围由叠加的LightRadio Cube个数而定；

(2)分布式基站

类似现网中常用的BBU+RRU架构。

(3)集中的基带处理

根据对基带资源的共享程度可以分成不同的阶段：

◆群集设置：简单的将各基站的基带单元全部集中放置一起，降低机房数量，便于维护；

◆基带池：将各基站的基带单元集中在一起，并实现资源共享和动态分配，从而实现基带处理的虚拟化、云化，这也是解决话务量“潮汐效应”的有效手段；

◆多点协同处理：在实现基带池的基础上，有助于实现更多的无线侧功能，并能进一步提高资源利用率和系统容量。

与目前主流厂商的传统基站产品解决方案相比，LightRadio具有明显的优势，应用场景非常灵活，可以极大地降低运维费用(如图7)，并对未来移动通信网络架构有指导意义。