無線基礎架構網路正邁入技術演變的關鍵期，許多不同的設備不斷推出，以滿足持續增加的容量需求。這些解決方案的目的是要將寶貴且有限的頻譜資源發揮其最大的效用。
第三代合作夥伴計畫(3GPP)標準制定多種方法，依據夏農定律(Shannon's Law)，在容量的限制範圍內提升可用頻譜的資料密度。同時，無線電網路目前的發展方向，是促使每單位節點讓更少用戶從相同頻譜中取得更高頻寬的拓撲結構。
網路發展朝兩大方向演進
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| 圖1 傳統基地台架構 |
目前有兩大趨勢將網路發展推向完全不同的方向。第一大趨勢是在每個大型基地台中部署含有數十個小型基地台的結構，藉由服務小型用戶群以提高覆蓋率，並提供所需容量。這種方法讓無線存取的網路能夠在指定區域內支援更高的使用者密度，但會為回程網路(Backhaul Network)增加複雜度和擴充難度。
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| 圖2 分散式基地台和遠端無線電頭端設備 |
第二大趨勢則是將傳統的集中式基地台(圖1)分割，將無線電置於遠端，基地台的機架則只有基頻功能。這種分割成分散式基地台的方法有效提升基頻處理密度，並能提升連接遠端無線電頭端設備的數量(圖2)，從而讓網路更容易進行擴充，有效因應覆蓋率和容量的需求。
Cloud RAN(Cloud of Radio Access Network)是一種由高密度基地台連接大量分散式遠端無線電頭端設備的網路。Cloud RAN使用虛擬化技術和軟體定義網路架構，以有線網路集中基頻資源的技術。這項技術為基頻卡架構和設計帶來重大的改變。基頻卡和無線電卡的連接和演算功能也隨之改變，有效地共享資源以實現負載平衡和網路容錯轉移功能。Cloud RAN可簡化回程網路，但也會增加基地台機架和多個遠端無線電頭端設備之間(又稱為「去程網路」)互連的複雜度。
以上兩種趨勢並沒有明顯的優劣之分。目前分散式基地台和小型/微微型基地台(Micro/Pico Cells)都已使用了一段時間，未來也很有可能繼續相互共存。具異質架構特性的網路及回程和無線存取網路的複雜度，為網路管理帶來重大挑戰。
Cloud RAN異軍突起
Cloud RAN網路技術可用來管理底層的異質架構問題，藉由網路節點中的嵌入式智能功能實現高效率網路運作，並因此建置更高價值的服務平台。為了達到這個目標，網路營運商和系統供應商必須共同合作，將無線基礎架構所需的關鍵元素進行標準化，才可打造容易採用並引領一系列未來創新的緊密架構，進而發揮各種基礎架構的所有優勢。
有別於有線網路，無線存取網路是由基地台和相關存取連接的專用標準和虛擬標準(Pseudo-standard)組成。邁入標準化互連和同步化的轉變可有效提升效能、互通性和經濟規模，是網路發展重要的一步，也是實現Cloud RAN的重要里程碑。
逐漸將乙太網路用作無線存取網路和時序分組(Timing-over-Packet, ToP)網路中的標準連接技術，有助於朝正確方向推動創新，但應注意所建立的解決方案是否可與原有技術共存，並能因應各種部署成本和擴充考量。
時序和同步化是可讓Cloud RAN中所有節點保持同步和協調的關鍵要素。小型基地台也有類似的需求。目前的基地台結合多個時序和同步輸入方式與核心網路保持同步。全球衛星定位系統(GPS)和傳統的分時多工(TDM)網路(例如T1/E1線路)繼續與封包時序協定(PTP 1588v2)和同步的乙太網路一起使用。
目前，精準時間通訊協定(PTP)和同步的乙太網路同時都是管理無線基礎架構同步化的主流技術。基地台內的時脈和控制模組(CCM)採用這些機制來達到頻率、相位和時間的精確度；而基地台內的時脈控制模組能則可為無線電元件提供同步時脈資訊。在傳統的集中式基地台中容易做到同步化，因為無線電元件就位於相同的基地台機架內；而同步時脈的分配在高密度分散式基地台(Cloud RAN架構)中則比較難運作，因為無線電元件位於不同距離的遠端位置，須要透過光纖或微波/毫米波點對點方式互連。
系統供應商最初運用專屬的協定來傳送時序和同步資訊至遠端無線電頭端設備，後來才有開放式基地台架構創始聯盟(OBSAI)和通用公共無線電介面(CPRI)的標準，作為基地台機架和遠端無線電頭端設備之間的互連和同步化標準。CPRI和OBSAI協定使同步資訊和TDM資料層能有效地傳輸。為了讓往返確定性延遲率保持在16奈秒(ns)以下，而且要在65奈秒內的時序誤差校正發送多樣資訊鏈，由於這些嚴格的要求，使基地台機架和遠端無線電頭端設備之間必須使用專屬的光纖線路。而在光纖連接成本過高或無法使用的情況下，則可採用點對點微波互連的方法。
以專屬的光纖連接基地台機架和遠端無線電頭端設備的成本非常昂貴，而且有許多限制。為了優化光纖連接，遠端無線電頭端設備透過鏈形、樹形或星形拓撲結構連接到基地台機架。
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| 圖3 運用服務品質(QoS)/流量管理的Cloud RAN網路架構共享網路概念圖 |
目前大多數遠端無線電安裝僅限於幾百公尺範圍內的基地台，但CPRI和OBSAI標準可支援超過10公里(km)的遠程光纖距離。廣泛使用Cloud RAN分散式基地台結構，需要長達40公里的光纖範圍且透過共享網路進行互連(圖3)。
在基地台機架和遠端無線電頭端設備中，移轉到乙太網路的資料傳輸協定將是邁向共享型網路的重要步驟。在共享網路內部署精細的流量管理功能，是優先將資料傳輸至遠端無線電頭端設備的另一項重要要求，其中須謹慎管理中間節點緩衝，才能精準地做到所需的確定性延遲效果。
任何一種基頻通道卡與Cloud RAN內相關拓撲區間的任一遠端無線電頭端設備之連接，將需要全新的階層交換功能。目前階層交換器大部分位於基地台機架中，可支援每個天線載波器的資料從3至6個基頻卡切換至多達12個遠端無線電頭端設備。基頻卡的數量和遠端無線電頭端設備的數量在Cloud RAN拓撲架構中會以倍數增加。Cloud RAN需要更大且更多的階層交換功能來實現所需的連接功能。
可編程邏輯元件受重用
可編程邏輯元件(PLD)是設計這種順暢而且在Cloud RAN中持續精進演算法和連接功能最有效的方法。可編程邏輯元件目前廣泛應用於通道卡、遠端無線電頭端設備、網路節點和回程網路設備中。為每個網路節點加入可編程設計功能後，即可進行現場升級，讓底層的演算法和連接功能保持一致。
已有廠商注意到這一點，陸續推出相關產品，例如賽靈思(Xilinx)的28奈米(nm)All Programmable SoC系列元件，整合現場可編程閘陣列(FPGA)、中央處理器(CPU)、數位訊號處理器(DSP)和類比混合功能，並在單一元件中提供最佳數量的高速收發器和輸入/輸出(I/O)互連技術。這種以處理器為中心的平台提供軟體、硬體和I/O可編程功能設計，以建立更智能型的交換和演算法功能，奠定自動修復、自學和自動優化無線網路節點之基礎。該解決方案可搭配Vivado設計環境和工具套件，能有效讓設計人員以最快的速度達到優異的整合度、生產力和品質。
(本文作者任職於賽靈思)