C-RAN (Cloud-RAN) , a veces denominado Centralized-RAN , es una arquitectura para redes celulares. [1] 9 años después de su divulgación en solicitudes de patente [2] [3] presentadas por empresas estadounidenses. En términos simples, C-RAN es una arquitectura centralizada basada en computación en la nube para redes de acceso por radio que admite 2G, 3G, 4G y los futuros estándares de comunicación inalámbrica. Su nombre proviene de las cuatro 'C' en las principales características del sistema C-RAN, "Procesamiento limpio, centralizado, radio colaborativa y una red de acceso de radio en la nube en tiempo real". [4]
Fondo
Las redes celulares tradicionales o de acceso por radio (RAN) constan de muchas estaciones base independientes (BTS). Cada BTS cubre un área pequeña, mientras que un BTS grupal brinda cobertura en un área continua. Cada BTS procesa y transmite su propia señal hacia y desde el terminal móvil , y reenvía la carga útil de datos hacia y desde el terminal móvil y hacia la red central a través del backhaul . Cada BTS tiene su propio enfriamiento, transporte de regreso, batería de respaldo, sistema de monitoreo, etc. Debido a los recursos espectrales limitados, los operadores de red 'reutilizan' la frecuencia entre diferentes estaciones base, lo que puede causar interferencia entre celdas vecinas.
Existen varias limitaciones en la arquitectura celular tradicional. Primero, cada BTS es costoso de construir y operar. La ley de Moore ayuda a reducir el tamaño y la potencia de un sistema eléctrico, pero las instalaciones de apoyo del BTS no se mejoran tan bien. En segundo lugar, cuando se agregan más BTS a un sistema para mejorar su capacidad, la interferencia entre BTS es más severa a medida que los BTS están más cerca entre sí y más de ellos usan la misma frecuencia. En tercer lugar, debido a que los usuarios son móviles, el tráfico de cada BTS fluctúa (lo que se denomina 'efecto de marea') y, como resultado, la tasa de utilización promedio de cada BTS es bastante baja. Sin embargo, estos recursos de procesamiento no se pueden compartir con otros BTS. Por lo tanto, todos los BTS están diseñados para manejar el tráfico máximo, no el tráfico promedio, lo que resulta en un desperdicio de recursos de procesamiento y energía en tiempos de inactividad.
Evolución de la arquitectura de la estación base
Estación base macro todo en uno
En las redes celulares 1G y 2G, las estaciones base tenían una arquitectura todo en uno. Las funciones analógicas, digitales y de energía se encontraban en un solo gabinete del tamaño de un refrigerador. Por lo general, el gabinete de la estación base se colocaba en una habitación dedicada junto con todas las facilidades de apoyo necesarias, como energía, batería de respaldo, aire acondicionado, vigilancia ambiental y equipo de transmisión de retorno. La señal de RF es generada por la unidad de RF de la estación base y se propaga a través de pares de cables de RF hasta las antenas en la parte superior de la torre de la estación base u otros puntos de montaje. Esta arquitectura todo en uno se encontró principalmente en implementaciones de macroceldas.
Estación base distribuida
Para 3G, Ericsson , Nokia , Huawei y otros proveedores líderes de equipos de telecomunicaciones introdujeron una arquitectura de estación base distribuida . En esta arquitectura, la unidad de función de radio, también conocida como cabezal de radio remoto ( RRH ), está separada de la unidad de función digital o unidad de banda base (BBU) por fibra. Las señales digitales de banda base se transmiten a través de fibra, utilizando el estándar Open Base Station Architecture Initiative ( OBSAI ) o Common Public Radio Interface ( CPRI ). El RRH se puede instalar en la parte superior de la torre cerca de la antena, lo que reduce la pérdida en comparación con la estación base tradicional donde la señal de RF tiene que viajar a través de un cable largo desde el gabinete de la estación base hasta la antena en la parte superior de la torre. El enlace de fibra entre RRH y BBU también permite una mayor flexibilidad en la planificación y el despliegue de la red, ya que se pueden colocar a unos pocos cientos de metros o unos pocos kilómetros de distancia. La mayoría de las estaciones base modernas ahora usan esta arquitectura desacoplada.
C-RAN / Cloud-RAN
C-RAN puede verse como una evolución arquitectónica del sistema de estación base distribuida anterior. Aprovecha muchos avances tecnológicos en sistemas de comunicaciones inalámbricos, ópticos y de TI. Por ejemplo, utiliza el estándar CPRI más reciente, tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa o gruesa de bajo costo ( CWDM / DWDM ) y mmWave para permitir la transmisión de señales de banda base a larga distancia, logrando así el despliegue de estaciones base centralizadas a gran escala. Aplica tecnología de red de centro de datos reciente para permitir una red de interconexión de bajo costo, alta confiabilidad, baja latencia y alto ancho de banda en el grupo de BBU. Utiliza plataformas abiertas y tecnología de virtualización en tiempo real basada en la computación en la nube para lograr una asignación dinámica de recursos compartidos y admitir entornos de múltiples proveedores y múltiples tecnologías. [5]
Descripción general de la arquitectura
La arquitectura C-RAN tiene las siguientes características que son distintas de otras arquitecturas celulares:
- Implementación centralizada a gran escala: permite que muchos RRH se conecten a un grupo de BBU centralizado. La distancia máxima puede ser de 20 km en enlace de fibra para sistemas 4G (LTE / LTE-A), e incluso distancias más largas (40 km ~ 80 km) para sistemas 3G (WCDMA / TD-SCDMA) y 2G (GSM / CDMA).
- Soporte nativo para tecnologías de radio colaborativa: cualquier BBU puede hablar con cualquier otra BBU dentro del grupo de BBU con un ancho de banda muy alto (10Gbit / sy superior) y baja latencia (nivel 10us) [ cita requerida ] . Esto está habilitado por la interconexión de BBU en el grupo. Ésta es una diferencia importante con BBU Hotelling, o hotelling de la estación base; en el último caso, las BBU de diferentes estaciones base simplemente se apilan juntas y no tienen un enlace directo entre ellas para permitir la coordinación de la capa física.
- Capacidad de virtualización en tiempo real basada en plataforma abierta: esto es diferente de las estaciones base tradicionales construidas en hardware propietario, donde el software y el hardware son de fuentes cercanas y provistos por proveedores únicos. Por el contrario, un grupo C-RAN BBU se basa en hardware abierto, como servidores basados en CPU x86 / ARM, y tarjetas de interfaz que manejan enlaces de fibra a RRH e interconexiones en el grupo. La virtualización en tiempo real garantiza que los recursos del grupo se puedan asignar dinámicamente a las pilas de software de la estación base, por ejemplo, módulos de función 4G / 3G / 2G de diferentes proveedores, de acuerdo con la carga de la red. Sin embargo, para satisfacer los estrictos requisitos de tiempo de los sistemas de comunicación inalámbricos, el rendimiento en tiempo real de C-RAN está en el nivel de 10 s de microsegundos, que es dos órdenes de magnitud mejor que el rendimiento en tiempo real de milisegundos que se suele ver. en entornos de Cloud Computing.
Arquitectura y sistemas similares
KT, un operador de telecomunicaciones de la República de Corea, introdujo un sistema Cloud Computing Center (CCC) en su red 3G (WCDMA / HSPA) y 4G (LTE / LTE-A) en 2011 y 2012. [6] El concepto de CCC es básicamente lo mismo que C-RAN.
SK Telecom también ha implementado Smart Cloud Access Network (SCAN) y Advanced-SCAN en su red 4G (LTE / LTE-A) en Corea a más tardar en 2012. [7]
En 2014, Airvana (ahora CommScope) [8] introdujo OneCell, [9] un sistema de celda pequeña basado en C-RAN diseñado para empresas y espacios públicos. [10]
Arquitecturas que compiten en la evolución de la red celular
BTS todo en uno
Una solución alternativa importante que está abordando desafíos similares de RAN es el BTS para exteriores todo en uno de tamaño pequeño. Gracias a los logros en la industria de los semiconductores, toda la funcionalidad de un BTS, incluyendo RF, procesamiento de banda base, procesamiento MAC y procesamiento a nivel de paquete, ahora se puede implementar en un volumen de <50 litros. Esto hace que el sistema sea pequeño y resistente a la intemperie, reduce la dificultad de elección y construcción del sitio de BTS, elimina el requisito de aire acondicionado y, por lo tanto, reduce los costos operativos.
Sin embargo, debido a que cada BTS todavía funciona por sí solo, no puede hacer uso de los algoritmos de colaboración para reducir la interferencia entre los BTS vecinos. También es relativamente difícil de actualizar o reparar porque las unidades BTS todo en uno generalmente se montan cerca de la antena. Más unidades de procesamiento en entornos menos protegidos también implica una mayor tasa de fallas en comparación con C-RAN, que solo tiene la RRU implementada al aire libre.
La ventaja de Cloud RAN radica en su capacidad para implementar funciones LTE-Advanced como Coordinated MultiPoint (CoMP) con una latencia muy baja entre múltiples cabezales de radio. Sin embargo, el beneficio económico de mejoras como CoMP puede verse anulado por los mayores costos de backhaul para algunos operadores.
Celda pequeña
La principal competencia entre las celdas pequeñas y C-RAN ocurre en dos escenarios de implementación: cobertura de puntos de acceso al aire libre y cobertura en interiores.
Investigaciones y publicaciones académicas
Como uno de los caminos de evolución prometedores para la arquitectura de la red celular del futuro, C-RAN ha atraído un gran interés en la investigación académica. Mientras tanto, debido al soporte nativo de la capacidad de radio cooperativa integrada en la arquitectura C-RAN, también permite muchos algoritmos avanzados que eran difíciles de implementar en redes celulares, incluida la transmisión / recepción cooperativa multipunto, la codificación de red, etc.
En octubre de 2011, el Wireless World Research Forum 27 se celebró en Alemania, cuando se invitó a China Mobile a realizar una presentación de C-RAN.
En agosto de 2012, el taller IEEE C-RAN 2012 se llevó a cabo en Kunming, China.
CRC Press publicó un libro, "Comunicaciones Verdes: Fundamentos Teóricos, Algoritmos y Aplicaciones", y tiene como su capítulo 11: "C-RAN: Un marco de Green RAN". [11]
En diciembre de 2012, se celebró en California, EE. UU. , Una conferencia IEEE GlobalCom 2012, Taller internacional sobre estaciones basadas en la nube y comunicaciones cooperativas a gran escala .
El Proyecto Marco del Comité Europeo 7 cuenta con patrocinadores y actualmente está abordando muchos problemas relacionados con la evolución de la arquitectura de la red celular. Muchos de estos proyectos han tomado a C-RAN como una de las futuras arquitecturas de redes celulares, como el proyecto Mobile Cloud Network [12] .
Referencias
- ^ Instituto de investigación móvil de China. "el 1er Taller Internacional C-RAN" . Archivado desde el original el 26 de abril de 2010 . Consultado el 21 de abril de 2010 .
- ^ Patente de EE. UU. Apl. 60286850 (presentada el 26 de abril de 2001), "Método y aparato para utilizar la interferometría de portadora para procesar señales de múltiples portadoras"
- ^ Shattil, Steve (2002-04-24), US 7430257: subcapa multiportadora para canal de secuencia directa y codificación de acceso múltiple
- ^ Instituto de Investigación Móvil de China (2011). C-RAN: El camino hacia el verde RAN (PDF) . K.Chen y col. Archivado desde el original (PDF) el 31 de diciembre de 2013 . Consultado el 31 de diciembre de 2013 .
- ^ Pompili, Dario; Hajisami, Abolfazl; Viswanathan, Hariharasudhan (2015). "Asignación y aprovisionamiento dinámico en redes de acceso de radio en la nube (C-RAN)". Redes Ad Hoc . 30 : 128-143. doi : 10.1016 / j.adhoc.2015.02.006 .
- ^ Korean Telecom. "Korea Telecom planea el primer Cloud-RAN comercial del mundo" . Archivado desde el original el 16 de diciembre de 2012 . Consultado el 31 de diciembre de 2012 .
- ^ SK Telecom. "Primera aplicación del mundo de Advanced-SCAN" . Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2013 . Consultado el 12 de diciembre de 2013 .
- ^ http://www.commscope.com/Solutions/Indoor-Small-Cells-and-C-RAN/
- ^ http://www.commscope.com/Solutions/OneCell-C-RAN-Small-Cell-System/
- ^ Jones, Dan. "Airvana está de vuelta con una celda 4G Biz 'Cloud RAN'" . Lectura ligera . Consultado el 19 de junio de 2015 .
- ^ Comunicaciones verdes: fundamentos teóricos, algoritmos y aplicaciones . Prensa CRC. 2012. p. 840.
- ^ "Red de nube móvil" .
enlaces externos
- Sitio web oficial de C-RAN en China Mobile Research Institute
- el primer sitio web del taller internacional C-RAN, en chino
- ASOCS afirma que C-RAN es una implementación superior
- ASOCS y ARM anuncian un diseño de referencia ejecutado en la nube
- asocs y Windriver (INTC) popularizan las estaciones base virtuales
- Definiciones de CommScope: ¿Qué es C-RAN?
- Virtualización celular con celdas pequeñas C-RAN