C-RAN ( Cloud-RAN ), también conocida como Centralized-RAN , es una arquitectura para redes celulares. [1] [2] [3] C-RAN es una arquitectura centralizada basada en computación en la nube para redes de acceso por radio que admite 2G, 3G, 4G, 5G y futuros estándares de comunicación inalámbrica. Su nombre proviene de las cuatro "C" en las características principales del sistema C-RAN, "Procesamiento limpio y centralizado, radio colaborativa y una red de acceso por radio en la nube en tiempo real". [4]
Las redes celulares tradicionales , o redes de acceso por radio (RAN), constan de muchas estaciones base independientes (BTS). Cada BTS cubre un área pequeña, mientras que un grupo de BTS proporciona cobertura sobre 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 sistema de refrigeración, transporte de backhaul, 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 interferencias entre celdas vecinas.
La arquitectura celular tradicional tiene varias limitaciones. En primer lugar, cada BTS es costosa 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 de la BTS no mejoran tanto. En segundo lugar, cuando se añaden más BTS a un sistema para mejorar su capacidad, la interferencia entre BTS es más grave, ya que las BTS están más cerca unas de otras y más de ellas utilizan la misma frecuencia. En tercer lugar, debido a que los usuarios son móviles, el tráfico de cada BTS fluctúa (lo que se denomina "efecto 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 otras BTS. Por lo tanto, todas las BTS están diseñadas 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.
En las redes celulares 1G y 2G, las estaciones base tenían una arquitectura todo en uno. Las funciones analógicas, digitales y de energía se alojaban en un solo gabinete tan grande como un refrigerador. Por lo general, el gabinete de la estación base se colocaba en una habitación dedicada junto con todos los elementos de soporte necesarios, 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 una torre de la estación base u otros puntos de montaje. Esta arquitectura todo en uno se encontraba principalmente en implementaciones de macroceldas.
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 de banda base digitales se transmiten por 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 el RRH y el BBU también permite una mayor flexibilidad en la planificación y el despliegue de la red, ya que se pueden colocar a unos cientos de metros o unos kilómetros de distancia. La mayoría de las estaciones base modernas utilizan ahora esta arquitectura desacoplada.
La C-RAN puede considerarse una evolución arquitectónica del sistema de estación base distribuida mencionado anteriormente. Aprovecha muchos avances tecnológicos en sistemas de comunicaciones inalámbricas, ópticas y de TI. Por ejemplo, utiliza el último estándar CPRI, tecnología de multiplexación por división de longitud de onda gruesa o densa ( CWDM / DWDM ) de bajo costo y mmWave para permitir la transmisión de señales de banda base a larga distancia, logrando así un despliegue de estación base centralizada a gran escala. Aplica la tecnología reciente de red de centros de datos 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 soportar entornos de múltiples proveedores y múltiples tecnologías. [5]
La arquitectura C-RAN tiene las siguientes características que la distinguen de otras arquitecturas celulares:
KT, un operador de telecomunicaciones de la República de Corea, introdujo un sistema de Centro de Computación en la Nube (CCC) en su red 3G (WCDMA/HSPA) y 4G (LTE/LTE-A) en 2011 y 2012. [6] El concepto de CCC es básicamente el mismo que el de C-RAN.
SK Telecom también implementó 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] presentó OneCell, un sistema de celdas pequeñas basado en C-RAN diseñado para empresas y espacios públicos. [9]
Una de las principales soluciones alternativas que aborda desafíos similares de la RAN es la estación base de transmisión (BTS) para exteriores, todo en uno y de tamaño pequeño. Gracias a los logros en la industria de los semiconductores, ahora es posible implementar todas las funciones de una BTS, incluidos el procesamiento de RF, de banda base, de MAC y de nivel de paquete, en un volumen de menos 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 la BTS, elimina el requisito de aire acondicionado y, por lo tanto, reduce los costos operativos.
Sin embargo, como cada BTS sigue funcionando por su cuenta, no puede utilizar fácilmente los algoritmos de colaboración para reducir la interferencia entre las BTS vecinas. También es relativamente difícil actualizarlas o repararlas porque las unidades BTS todo en uno suelen estar montadas cerca de la antena. Más unidades de procesamiento en entornos menos protegidos también implican una mayor tasa de fallos en comparación con C-RAN, que solo tiene la RRU desplegada al aire libre.
La ventaja de Cloud RAN reside en su capacidad de 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.
La principal competencia entre las células pequeñas y la C-RAN se produce en dos escenarios de implementación: cobertura de puntos de acceso exteriores y cobertura interior.
Como uno de los caminos de evolución prometedores para la futura arquitectura de redes celulares, C-RAN ha atraído un gran interés de investigación académica. Mientras tanto, debido a que el soporte nativo de la capacidad de radio cooperativa está integrado 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, se celebró el 27º Foro de Investigación Inalámbrica Mundial en Alemania, cuando se invitó a China Mobile a realizar una presentación sobre C-RAN.
En agosto de 2012, se celebró el taller IEEE C-RAN 2012 en Kunming, China .
CRC Press publicó un libro, "Green Communications: Theoretical Fundamentals, Algorithms and Applications", cuyo capítulo 11 dice: "C-RAN: A Green RAN Framework". [10]
En diciembre de 2012, se celebró en California (Estados Unidos) la conferencia IEEE GlobalCom 2012, Taller internacional sobre estaciones basadas en la nube y comunicaciones cooperativas a gran escala.
El proyecto Marco 7 del Comité Europeo cuenta con patrocinadores y actualmente está abordando numerosos problemas relacionados con la evolución de la arquitectura de redes celulares. Muchos de estos proyectos han considerado a C-RAN como una de las futuras arquitecturas de redes celulares, como el proyecto Mobile Cloud Network [11] .