與行動網路相輔相成　Cloud RAN滿足5G寬頻服務

根據使用者偏好進行快速緩存本地內容，可縮短延遲率並處理臨時資料，例如以位置為基礎的分析，但這需要邊際運算的配合。這兩種架構概念建議在網路中的不同節點上部署運算。從表面上看，這兩種相互矛盾的架構在網路中形成差異，似乎起到相反作用，但通過更深入觀察，會發現平衡的網路部署方案可利用這兩者的優點，使這兩種矛盾的技術相互補足，以支援新的服務內容。

十多年前，為了克服使用同軸線纜從位於塔底的傳統基地台向安裝在塔頂的天線發送訊號時的功耗損耗問題，分散式基地台的概念開始問世。將遠端射頻收發模組設於緊鄰塔頂天線的位置，以避免功率損耗，如此可透過光纖連接至基頻BTS機架。制定的通用公共射頻介面(CPRI)協定用來傳輸數據和同步遠端射頻。在有些無法使用光纖的情況下，可用微波或毫米波無線電來傳送CPRI負載量。此架構轉變使營運商得以搭配使用來自不同系統廠商的無線電和基頻機架，以降低成本、改善供應鏈並簡化庫存管理。然而互通性問題讓這希望化為泡影，不過也為一級系統廠商開啟了新方法，使其能夠利用來自小廠商的無線電設備來控制不同地區無線電設備種類的快速增長。

雲端運算催生Cloud RAN概念

分散式基地台架構已經生根，而這種架構對基頻處理池進行集中化，不僅能支援更多的無線電設備，還可更有效地平衡覆蓋率和負載量。資料中心和雲端運算的成功催生了Cloud RAN概念(圖1)，並透過對運行在伺服器群上的基頻池進行虛擬化來擴展分散式基地台架構。Cloud RAN有多種優點，包含允許使用較低成本的計算資源、充分利用現成的伺服器外殼進行低成本的RAN部署、實現負載平衡，以及有效地簡化網路配置。當CloudRAN廣泛建置時，其能確保讓協力廠商擁有網路，並使多個虛擬網路供應商能夠專注於內容和服務。

圖1 Cloud RAN網路架構

由於亞太地區的營運商擁有充分的光纖資源來部署遠端射頻收發模組，因此也較早開始採用CloudRAN架構。電信業者正在研究將一至三層基地台堆疊和演進的數據核心網作為虛擬機器在現成的伺服器上託管。通用運算無法高效實現第一層基頻功能、封包處理以及安全性，因此伺服器需使用專用加速卡以獲得所需的高傳輸量和低時延率。將基地台以軟體功能的形式進行託管，如此將佔有很大的優勢，且電信業者再也不需要根據尖峰容量要求擴建網路。相反地，基地台可根據在雲端中實體化，以提供所需的覆蓋範圍和容量。Cloud RAN允許基地台設在存儲絕大部分內容的資料中心內，如此將更有效率地傳播內容。

目前有幾個障礙正減緩Cloud RAN的普及率，而遠端射頻收發模組的低延遲率與低抖動長距離率連接就是一個很大的挑戰。現成的伺服器不具備高效率基頻處理所需的運算資源，因此需使用電信級伺服器，其具備L1基頻加速卡，可用來託管運行於虛擬環境的基頻處理池。在有些較落後地區的系統商在這項技術上則處於領先地位，其打破市場格局並獲得市場佔有率，並迫使優勢廠商為穩住市場佔有率而採取跟隨策略。電信業者相當歡迎此趨勢的到來，以使其雲端運算資產與網路基礎設施均衡發展，並簡化部署和維護(圖2)。

圖2 行動網路邊際運算概念圖

分散式基地台優勢突顯

分散式基地台具有獨特的優勢，不僅能根據本地使用者偏好快速緩存內容以改善服務，並在資料來源附近處理數據以滿足延遲敏感型應用。在臨近使用者的邊界進行資料處理，能實現超低延遲並使客製化服務部署可能成真。MEC將IT與通訊在網路邊界整合，以實現新的服務和業務。位置服務、物聯網(IoT)、影音分析、擴增實境、本地內容傳遞以及數據快速緩存皆為MEC鑒定的使用案例。MEC架構，應向巨集基地台和超級巨集基地台添加伺服器，以便進行本地運算和存儲，並支援新的應用。人們正在發展應用開發協議堆疊、工具和架構，使生態系統能推出新的應用，並為多種垂直市場的服務進行整合。MEC的主要障礙在於為基地台添加伺服器和儲存裝置所產生的場地租金，以及維護和收費政策。目前收費政策和規則功能為核心網路的一部份，且皆由電信業者控制。衍生的PCRF功能需在基地台被本地託管，使電信業者和其他內容供應商公平地向終端使用者收取服務費用。

針對2020年資訊社會的5G技術，將進一步加深Cloud RAN與MEC之間對立架構所形成的兩難局面。為了用越來越稀少且有限的頻譜來滿足2020年資訊社會的數據需求，5G的目標是繼續透過技術(例如6GHz以上和以下頻譜的 Massive MIMO)來改善頻譜效率(圖3)。大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)系統使用大量天線來形成單位使用者波束，如此將明顯地改善效能和傳輸量。此外，Massive MIMO還有一大優勢，即允許天線訊號鏈使用較便宜的低功耗元件。Massive MIMO技術非常適合毫米及釐米頻率，這些頻率資源價格相對便宜、使用率低，還擁有大塊連續頻譜。這種頻率下的窄筆形波束會產生較大的天線增益，並能彌補高傳播損耗。除了優勢外，亦存在一些不足之處。透過預編碼形成電子波束以處理大量有效的無線電訊號鏈和L1基頻時，複雜度會明顯增加。基頻處理訊號鏈和無線電之間的頻寬要求明顯提高，為了更經濟地實現這些系統，須將L1基頻訊號處理與無線電進行整合。未來此功能的劃分將可能導致網路節點回到傳統基地台架構，即所有L1至L3層和無線電功能都處在相同位置。

圖3 毫米波Massive MIMO(200MHz 64x64天線陣列)系統

行動網路邊際運算和Massive MIMO技術意味著分散式基地台的整合，因此阻礙CloudRAN的發展。實際上，頻譜限制使人們必須使用多種不同網路架構共存的優點，以滿足不斷增長的頻寬需求。單元密度增加使稀有頻譜資源再利用。在未來幾年，這種趨勢將使分散式基地台變得更像迷你型資料中心。另一方面，將Cloud RAN分成許多迷你型資料中心或許是一個能透過遠端射頻收發模組連接來克服嚴格的確定性延遲和同步要求的方法。Cloud RAN和MEC架構可以共存以相互補足，因此兩種架構也許會在中間融合。Cloud RAN可以仰賴邊際運算節點的低延遲性和臨近的優點；而邊際運算則受益於集中式網路部署、管理和服務提供。目前只有時間能告訴我們在未來的三至五年內，隨著產業向5G轉移，這兩種架構的採用情況。終端使用者應用、電信業者基於網路部署與維護成本的偏好，以及設備商的系統解決方案都可能是決定二者之間微妙平衡的關鍵因素。

分散式基地台架構與遠端無線電。

總而言之，無線網路中的異質性將繼續增加，不太可能在這之間看出明顯的優勝者。需要在Cloud RAN與行動網路邊際運算設備之間取得良好平衡，以有效支援無線寬頻服務。此外，無線寬頻生態系統不會傾向於某個極端，而是需要平衡投資以持續建構互補技術，進而有效服務於2020的資訊社會。

(本文作者任職於賽靈思)