第 3 章 云无线接入网络的前向回传感知设计

2.6 重新思考C-RAN的协议栈

3.1 引 言

云无线接入网络（C-RAN，Cloud Radio Access Network）是第五代（5G，Fifth Generation）无线蜂窝网络的新兴范例，传统的物理层基站（BS，Base Station）传输和接 收基础设施使用云计算技术进行虚拟化。无线接入的虚拟化能够实现集中控制和管理无 线接入点，从传输频谱效率的角度提供显著的增益。在第三代（3G，Third Generation） 和第四代（4G，Fourth Generation）蜂窝网络中，每个用户（也称为用户设备或 UE）仅 由其自己的基站服务。这种传统的单小区范例（如图 3.1 所示）具有相当多的小区间干扰，特别是对于小区边缘用户。在如图 3.2 所示的 C-RAN 范例中，由于基站在云中集中协调， 它们可以潜在地向/从用户发送和接收无线信号，从而带来干扰消除的可能性，这可以显著提高整个网络吞吐量。
在 C-RAN 架构中，传统基站基本上成为射频拉远头（RRH，Remote Radio Head）， 为云中的移动用户和中央处理器（CP，Central Processor）传递信息。基带处理以及相关 的解码/编码复杂性在云中实现，而不是像传统的 3G/4G 网络那样在每个基站中进行。由 于 C-RAN 中的 RRH 只需要基本的无线接入能力，部署更具成本效益，C-RAN 架构在地 理上更易扩展，使得远程天线可以更密集地部署并且网络可以支持更多的用户。此外， 随着基带处理单元（BBU，Baseband Unit）在 CP 中集中实施，C-RAN 架构允许在整个 网络上集中计算资源，从而更好地利用计算单元并提高网络的能量效率。


由于无线天线位置的分布式特性和 C-RAN 云计算资源的集中性，RRH 和 CP 之间的 通信链路在 C-RAN 设计中具有中心意义。这些链接通常被称为前传链路，因为它们将无 线前端与云中的 BBU 相连（与传统 3G/4G 基站与骨干网之间的回程链路相反）。前传链 路通常用光纤实现，也可以由无线链路实现，其中，异构网络（HetNet，Heterogeneous Networks）中的 pico-和 femto-BS 越来越需要自回程。
前传链路的容量和延迟性能对 C-RAN 的设计有重大影响。例如，当前标准化的通用公 共无线接口（CPRI，Common Public Radio Interface）定义了 RRH 和BBU 之间的通信协议， 指定了从数百兆比特每秒到数十吉比特每秒的前传速率。当多个 RRH 聚合时，在 RRH 和云 之间传输的数据流可以容易地覆盖实际前传的物理限制。此外，由于 C-RAN 架构现在允许BBU 物理位置远离 RRH，随之而来的延迟将对网络的整体延迟性能产生重大影响。
本章旨在说明 C-RAN 系统的物理和数据链路层设计如何适应前传链路的容量和时 延限制。本章首先对考虑到有限容量前传链路影响的 C-RAN 可实现速率进行了信息理 论评估。为此，考虑了实际用户的 RRH 聚类策略和用于在 C-RAN 中实现上行链路和 下行链路波束成形的各种前传技术。评估由前传能力限制的可实现速率。然后讨论了前 传延迟对数据链路层吞吐量和效率的影响。为此，提出了一种混合自动重传请求 （HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request）协议的新设计，以避免由前向传输引起的附加延迟。
3.2 前传感知的协作传输和接收之上行链路