无线接入网络 (RAN)

什么是无线接入网？

作为无线通信系统的关键组成部分，无线接入网 (RAN) 使用无线链路将单个设备连接到网络的其他区域。RAN 使用光纤或无线回传连接，连接用户设备，如计算机、智能手机或任何其他远程控制设备。通过该连接可以访问控制用户数据、位置和其他功能的网络核心。

蜂窝网络的无线部分称为无线接入网，简称 RAN。小区是构成蜂窝网络的各个地理区域。每个小区至少有一个无线收发器服务，而小区位置通常是三个。

从第一代 (1G) 蜂窝网络到第五代 (5G)，RAN 随着时间而变化。随着 2000 年代第四代 (4G) 技术的出现，第三代合作伙伴项目推出了长期演进 (LTE) RAN，这为无线接入网和核心网带来了重大变化。在 4G 中，系统连接首次建立在 IP 之上，取代了早期基于电路的网络。

随着 LTE-Advanced 和 5G 的出现，集中式 RAN（也称为云 RAN (C-RAN)）和多天线阵列（如多输入多输出 (MIMO)）的改进现在已经成为可能。

随着第一代蜂窝网络的推出，电话呼叫、短信以及视频和音频流已成为 RAN 的附加功能。无人机、物联网设备以及各种车辆只是使用这些网络的不断扩展的用户设备范围中的一小部分例子。

RAN 有哪些组成部分？

根据容量，RAN 组件包括覆盖特定区域的基站和天线。RAN 功能由用户设备和核心网络中的硅芯片提供。

RAN 由三个基本组成部分构成

1. 天线将电脉冲转换成无线电波。
2. 然后将数字数据转换为无线电波，并确保传输使用相关的频段和功率级别。
3. 基带单元 (BBU) 提供的一系列信号处理操作使无线通信成为可能。传统的基带通过结合多行代码和专用电子设备来实现无线通信，通常使用许可的无线电频谱。BBU 处理确保了错误检测、无线信号安全以及无线资源的有效利用。

RAN 如何运行？

RAN 促进资源的可访问性，并管理其在无线电站点之间的分发。通过无线方式，手机或其他设备可以访问骨干网或核心网，RAN 将其信号分发给多个无线终端，以便它可以继续处理来自其他网络的流量。双模手机是指能够从单个设备同时连接到不同 RAN 的手机。

在第二代和第三代 (2G 和 3G) 的 RAN 架构中，与 RAN 控制器连接的节点由 RAN 管理员管理。根据 RAN 的类型，RAN 的网络管理员连接到分组交换或电路交换核心网络，以管理无线资源、移动性以及数据保护。

随着 4G LTE 和全 IP 网络的推出，无线接入网的架构发生了变化。特别是 C-RAN，它将无线电和天线与基带控制器分离，以更好地满足现代移动设备的需求。

如今，在 RAN 设计中，用户平面和控制平面被分成不同的部分。通过软件定义网络交换机和基于控制的接口，RAN 控制器可以与两组用户数据包通信。由于这种划分，RAN 可以更灵活地适应 5G 相关的网络功能虚拟化方法，如网络切片和高 MIMO。

5G 中的 RAN 是什么？

5G 蜂窝技术中最新的无线接口和无线接入技术是 5G 新空口 (5G NR) 标准。该接口支持许多频段，特别是毫米波 (mmWave) 频段，如 24 GHz、28 GHz 及更高频段，以及 6 GHz 以下频段。与 6 GHz 以下频段相比，mmWave 频段可以提供超过 1 Gbps 的传输速率，但其覆盖范围较小。

无线接入网的类型

RAN 模式包括以下内容

• 在接入网领域，开放 RAN 是最热门的话题。对于使用白盒服务器和其他通用设备而不是传统基站定制硬件的蜂窝无线网络，它涉及构建兼容的开放硬件、软件和接口。
• C-RAN 将基站的无线电组件分成远程射频头 (RRH)。为了获得最佳的无线覆盖，它们可以安装在基站塔的顶部。RRH 需要通过微波无线电连接有线或无线连接到集中式基带控制器。大多数情况下，标准白盒服务器用于基带处理。
• GRAN，即全球移动通信系统 (GSM) RAN，是为 2G 开发的。类似于 GRAN，但引入了增强型数据 GSM 环境分组无线服务，即 GSM EDGE RAN，或 GERAN。
• 随着 3G 的出现，通用移动通信系统 (UMTS) 陆地无线接入网，或 UTRAN 随之出现。
• LTE 包括演进型通用陆地无线接入网，或 E-UTRAN。

RAN 的发展

1979 年，1G 蜂窝网络在日本东京问世，使用了无线技术和模拟无线电。1983 年，在美国建成了第一个商用蜂窝网络。1991 年，芬兰建成了数字 2G GSM 网络。不久之后，蜂窝网络遍布全球，用户可以方便地发送和接收短信以及传输信息。

GSM 和码分多址 (CDMA) 协议因此而分离。欧洲电信标准协会创建了广泛使用的 GSM 标准。在 Sprint 和 Verizon 之前，CDMA 由高通公司开发，并在北美以及南美、日本和韩国的部分地区使用。

2001 年，NTT DoCoMo 推出 3G 商用。基于 GSM 的 3G 技术称为 UMTS，而竞争标准称为 CDMA2000。3G 使蜂窝网络浏览成为可能，下载速度可达 6 Mbps。

2009 年 12 月，4G LTE 服务首次在瑞典斯德哥尔摩和挪威奥斯陆之间推出。如前所述，4G LTE 是第一个完全使用 IP 进行所有数据包（包括语音）传输的重大蜂窝网络规范。随着 2013 年起真正 4G LTE-Advanced 的推出，C-RAN 和 MIMO 天线阵列变得更加可用。

5G NR 的部署始于 2018 年底，并持续到 2019 年和 2020 年。虽然不依赖 4G 基站运行的独立 5G 网络开始出现，但 RAN 网络——构成了迄今为止部署的 5G 网络的大部分——使用 4G 核心网络来管理数据会话。

定义 RAN 和虚拟 RAN

RAN 在无线网络的核心和终端（如 PC、手机和物联网设备）之间提供无线连接。RAN 以网络设备的形式实现，通常包括基站管理器和远程小区站点中的基站，并配有无线电设备。

vRAN 通过分离和集中对无线操作的控制来修改传统的 RAN 设计，以最大化效率并降低成本。虚拟化或云 RAN 设计的三个主要组成部分如下：

• 具有计算能力的集中式基带单元 (BBU)。
• 远程射频单元 (RRU)。
• 通常由光纤组成的传输网络，将多个 RRU 连接到 BBU。

虚拟 RAN 的优势

虚拟化 RAN 的支持者提供了一系列优势，包括降低延迟、降低成本和提高性能。利用网络功能虚拟化的概念，vRAN 为运行在共享硬件平台上的虚拟化应用程序提供了各种托管能力。vRAN 的其他优势包括分布式小区站点之间的智能流量转向、本地存储数据以降低延迟以及提高可靠性。

与 4G 架构相比，5G 设计需要更多不同大小的小区站点，才能提供承诺的性能增强。最新 5G 基站的管理和功能依赖于这些 vRAN 设计。

RAN 服务虚拟化需要低延迟、高带宽的小区站点连接以及集中或分布式的控制点，这很可能需要使用光纤网络。目前，包括电信基础设施项目 (TIP) 和 O-RAN 联盟在内的众多竞争标准组织正在致力于 vRAN 标准。

RAN 是移动网络的一个重要组成部分，而集成来自多个供应商的虚拟组件仍然可能很困难。