綠色無(wú)線(xiàn)通信的基站體系

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，新的通信制式的不斷出現和升級以及移動(dòng)通信寬帶化的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)面臨越來(lái)越大的能耗挑戰。為了滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的無(wú)線(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)及空中流量需求，移動(dòng)通信運營(yíng)商不斷增加空中接口帶寬和基站的數量。隨之而來(lái)，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的能源消耗問(wèn)題變得日益嚴重。如今，中國3G網(wǎng)絡(luò )設施正大規模建設，2G網(wǎng)絡(luò )仍將長(cháng)期存在并繼續增長(cháng)，伴隨而來(lái)的是持續不斷的網(wǎng)絡(luò )能源消耗。據統計，無(wú)線(xiàn)通信系統中，約80%的能耗來(lái)自基站系統。網(wǎng)絡(luò )規模的快速膨脹帶來(lái)了基站耗能的快速上升，年增長(cháng)為30%～40%[1]。

因此，在提倡綠色通信、建設集約型社會(huì )的今天，有必要提出一種新的基站體系架構，在滿(mǎn)足不斷發(fā)展的無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的基礎上，提高基站設備的能效，降低基站的建設和維護成本，實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信能耗的最小化。

1 綠色無(wú)線(xiàn)通信的新型基站架構

1.1 基于高性能通用處理器的軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR) 技術(shù)是目前最新的也是發(fā)展較快的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之一。SDR誕生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2]。SDR技術(shù)采用了開(kāi)放的模塊化結構，基帶處理功能可以通過(guò)不同的軟件模塊來(lái)實(shí)現。軟件可以隨著(zhù)器件和技術(shù)的發(fā)展不斷更新或擴展。當前，軟件無(wú)線(xiàn)電主要通過(guò)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、數字信號處理器(DSP)、通用處理器(GPP)實(shí)現。與傳統的基于FPGA以及DSP的SDR相比，基于高性能GPP的SDR系統可以降低通信系統開(kāi)發(fā)和調試的復雜度，具有更好的靈活性和可擴展性?；诟咝阅蹽PP的SDR系統能極大地節省系統的硬件成本和人力成本[3]。在倡導綠色節能的今天，基于高性能GPP的SDR技術(shù)將在無(wú)線(xiàn)通信中占據越來(lái)越重要的地位。

1.2 基于軟件無(wú)線(xiàn)電的新型基站架構

基于高性能GPP的SDR技術(shù)的發(fā)展，為基站的綠色演進(jìn)提供了一條有效途徑。針對無(wú)線(xiàn)系統大發(fā)展帶來(lái)的能耗挑戰，我們認為，降低能耗的最有效最直接的方式是降低基站機房的數量和面積?；诟咝阅蹽PP的SDR技術(shù)的發(fā)展使得這種方式成為可能。

圖1所示為基于高性能通用處理器的新型基站架構。在無(wú)線(xiàn)通信系統的綠色演進(jìn)過(guò)程中，為更好地實(shí)現基站處理資源的共享，并提高基站系統的集成度，降低基站的占地面積，我們將整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的接入網(wǎng)系統與基站子系統分離開(kāi)來(lái)。覆蓋一定區域的全部基站設備集中起來(lái)，形成一個(gè)統一的基帶處理池。這樣不僅減小了基站的數量和占地面積，節約建設成本，也方便了動(dòng)態(tài)靈活地進(jìn)行基站處理資源的調度。此外，遠端無(wú)線(xiàn)射頻單元(RRU)和天線(xiàn)形成一個(gè)高容量廣覆蓋的分布式無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )。RRU靈巧輕便，便于安裝和維護，可以大范圍高密度地使用，能有效地降低接入網(wǎng)成本。

這種基站架構由群小區架構轉化而來(lái)。在群小區架構中，地理位置相鄰的多個(gè)小區，針對一個(gè)移動(dòng)終端采用同一套通信資源(例如頻率、時(shí)隙或碼道)進(jìn)行通信，而針對其他移動(dòng)終端分別采用不同套的通信資源進(jìn)行通信。采取這種通信方式的多個(gè)小區構成一個(gè)群小區[4]。該移動(dòng)組網(wǎng)策略突破了傳統蜂窩組網(wǎng)結構，實(shí)現了小區域覆蓋向大區域覆蓋的飛躍。將基站集中起來(lái)，可以更好地進(jìn)行處理資源的分配和共享?；鶐У奶幚砣客ㄟ^(guò)可編程軟件來(lái)實(shí)現，從而大大提高了基站系統的靈活性和可擴展性。

2 基于軟件無(wú)線(xiàn)電架構的基帶處理單元

2.1 新型基站架構的優(yōu)勢

(1)成本低

與基于FPGA、DSP的基站基帶實(shí)現方案相比，基于軟件無(wú)線(xiàn)電的基帶處理單元在成本上具有十分顯著(zhù)的優(yōu)勢。例如，實(shí)現100 Mb/s數據吞吐量，若用TI公司4核的TMS320C6474芯片，需要約20片，所需成本約在5萬(wàn)人民幣；而若用一片6核CPU實(shí)現，成本約為人民幣 7 000元。此外，通用處理器是軟件化程度最高的處理方式。高性能GPP-SDR平臺通過(guò)C匯編代碼來(lái)實(shí)現。軟件統一的代碼書(shū)寫(xiě)規范及標準的庫函數接口使得代碼可以在不同平臺之間進(jìn)行移植，從而非常方便推廣和應用[5]。

(2)能耗低

圖2所示為通用處理器近7年來(lái)在處理能力以及功耗方面的技術(shù)進(jìn)展[6]?？煽闯雒窟M(jìn)行10億次浮點(diǎn)運算(GFLOP)GPP所消耗的功率在不斷的降低，而GPP的處理性能(每秒所進(jìn)行的10億次浮點(diǎn)運算數GFLOPS)卻在不斷的提升。GPP越來(lái)越突顯出低功耗高性能的優(yōu)勢。

(3)設備利用率高

集中式的基帶處理單元一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是處理資源可靈活分配，使得網(wǎng)絡(luò )能根據不同區域或時(shí)段的不均衡負荷(潮汐效應)來(lái)分配基帶處理資源，從而可以更有效地利用基帶處理資源，提高基站設備的利用率。

(4)新技術(shù)應用速度加快

GPP的開(kāi)發(fā)環(huán)境(如Windows/Linux)更為成熟通用。成熟的操作系統可以提供靈活的線(xiàn)程提取、核間通信和存儲器管理，加之直觀(guān)熟悉的開(kāi)發(fā)和調試環(huán)境，使得系統設計時(shí)更為靈活，能大大減少開(kāi)發(fā)和調試的工作量，節省人力成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。因此，對于飛速發(fā)展的無(wú)線(xiàn)通信新技術(shù)，如多入多出系統-正交頻分復用(MIMO-OFDM)、認知無(wú)線(xiàn)電等，可以在較短的時(shí)間內應用并部署到系統中，加速其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

2.2 新型基站架構面對的挑戰

基于軟件無(wú)線(xiàn)電架構的基帶處理單元在具有一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在許多應用方面的挑戰和難題。

(1)基于GPP的實(shí)時(shí)數字信號處理的實(shí)現

通用處理器曾被認為僅能滿(mǎn)足低速數值運算及過(guò)程控制等數據處理。然而，隨著(zhù)通用處理器技術(shù)的快速發(fā)展，GPP在處理能力和時(shí)延等方面能獲得良好的表現?；贕PP的數字信號處理優(yōu)化增益如圖3所示。在LTE的 基帶算法實(shí)現中[7]，經(jīng)代碼優(yōu)化后的系統吞吐量有了明顯的增益，但像Turbo信道譯碼(LogMAP算法)等復雜度較高的算法實(shí)現的處理增益仍不是很 理想。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)新技術(shù)的不斷應用，其實(shí)現的復雜度也越來(lái)越高，因此，利用GPP技術(shù)進(jìn)行高效的數字信號處理仍是該基站架構實(shí)現的關(guān)鍵。

(2)高速接口及傳輸技術(shù)的實(shí)現

協(xié)作處理技術(shù)是實(shí)現更高頻譜效率的關(guān)鍵。為了支持協(xié)作式多點(diǎn)處理技術(shù)，用戶(hù)數據和上行/下行信道信息都需要在多個(gè)基站之間共享?；局g的接口必須 支持高帶寬低時(shí)延的傳輸以及保證實(shí)時(shí)的協(xié)作處理。目前，基站間采用X2接口的處理時(shí)延在20 ms左右，如此大的共享信息傳輸時(shí)延會(huì )影響聯(lián)合處理的增益，并帶來(lái)較大的處理開(kāi)銷(xiāo)。因此，基于軟件無(wú)線(xiàn)電架構的基站單元必須在保證時(shí)延和開(kāi)銷(xiāo)的情況下設計 更為有效的信息共享方案，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)協(xié)作處理的需求。

(3)多標準、可擴展的公共算法庫的開(kāi)發(fā)

當前TD-SCDMA、CDMA2000、GSM、WCDMA、LTE等多種通信制式共存，且世界上大多數的主流運營(yíng)商都同時(shí)擁有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )。多頻段、多制式網(wǎng)絡(luò )的并行運營(yíng)致使設備、機房及配套設施難以共享，不僅嚴重浪費基礎設施資源，也給網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化和維護帶來(lái)很大困難，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)成本和能源消耗更是居高不下。因此，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商需要尋找有效的途徑來(lái)控制整體擁有成本(TCO)和降低能耗，以實(shí)現多標準網(wǎng)絡(luò )的綠色運營(yíng)。多?；境蔀榻档途W(wǎng)絡(luò )建設和維護成本最有效最直接的方式。在基于高性能GPP的新型基站系統中，需要針對不同的通信協(xié)議設計不同的算法庫，并能支持不同標準間的靈活切換，支持諸如GSM/TD-SCDMA/LTE等通信協(xié)議以及MU-MIMO、CoMP等新型關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 基于高性能GPP的LTE系統

本文依據3GPP 36系列規定的LTE標準[8]，實(shí)現了3GPP LTE上下行鏈路。鏈路具體參數如表1所示。

該系統采用含4個(gè)處理核、主頻為3.2 GHz、支持雙線(xiàn)程的商用CPU作為數字信號處理平臺的核心。系統載波頻率為2.3 GHz，載波帶寬為20 MHz，采用LTE規定的OFDM調制?；诟咝阅蹽PP的LTE演示系統如圖4所示。圖右側PC為發(fā)端，中間的PC為收端，左側PC主要完成信號分析功 能。

在該演示系統中，采用的是1發(fā)1收的天線(xiàn)，實(shí)現的上行峰值速率為43 Mb/s，并進(jìn)行了高清視頻(HDTV)的現場(chǎng)實(shí)時(shí)傳輸。

我們認為，隨著(zhù)通用處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，基于高性能通用處理器的SDR系統可以滿(mǎn)足未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信中對實(shí)時(shí)數字信號處理的要求以及無(wú)線(xiàn)新技術(shù)的應用。在此基礎上，本文基于高性能GPP的LTE系統的未來(lái)研究將集中于對MIMO、CoMP等新技術(shù)的實(shí)際系統應用。

3 未來(lái)的研究課題

3.1 動(dòng)態(tài)資源分配和協(xié)作式無(wú)線(xiàn)處理

蜂窩系統中小區的用戶(hù)數量以及用戶(hù)的信道增益都是動(dòng)態(tài)變化的。蜂窩系統的業(yè)務(wù)已從單一的語(yǔ)音業(yè)務(wù)轉向多媒體數據業(yè)務(wù)。為了支持不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，對用戶(hù)的資源分配必須更為靈活?；颈仨毟鶕斍跋到y的狀態(tài)和用戶(hù)的需求，動(dòng)態(tài)地決定信道分配、數據速率和發(fā)送功率[9]。而基于OFDM的蜂窩小區間是干擾受限的，不能簡(jiǎn)單地依靠增加發(fā)射功率來(lái)提高邊緣用戶(hù)的性能，因此，需設計有效的多小區聯(lián)合資源分配和協(xié)作式多點(diǎn)傳輸技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。

3.2 集中式基帶處理池

集中式基帶處理池是基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的基站架構的主要研究?jì)热?。該架構下，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將基帶處理單元(BBU)和遠端射頻單元(RRU)分離，并將多個(gè)BBU集中起來(lái)，形成一個(gè)集中式的基帶處理池，用于覆蓋不同區域的RRU信號的基帶處理。傳統的RRU的信號只能傳輸到其對應的BBU中，不同的BBU并不能接收其他RRU的信號。不同BBU的處理負荷不均衡極大地降低了基帶處理資源的利用率。因此，集中式基帶池需要解決的是：提供一個(gè)大容量低時(shí)延的交換器實(shí)現不同BBU數據的交互，以實(shí)現基帶處理資源的動(dòng)態(tài)使用，進(jìn)而提高設備利用率，降低電能損耗。

3.3 基于實(shí)時(shí)云的虛擬基站系統

集中式的基帶處理池建立在高性能通用處理器上，通過(guò)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現基帶信號處理。該架構為實(shí)時(shí)性的數字信號云處理提供了演進(jìn)基礎。

一定范圍內的基于軟件無(wú)線(xiàn)電的新型基站通過(guò)高帶寬低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，形成一個(gè)巨大的云計算基帶處理池。與傳統的云計算不同，該虛擬基站所進(jìn)行的基帶處理任務(wù)是實(shí)時(shí)的，在滿(mǎn)足處理時(shí)延的要求下，動(dòng)態(tài)地分配處理負荷，并實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )下的多標準覆蓋。

4 結束語(yǔ)

目前，“綠色”成為人們越來(lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)，綠色節能已成為當今世界的主題話(huà)題之一。無(wú)線(xiàn)通信界勢必也要向綠色的方向不斷演進(jìn)?；鞠到y作為無(wú)線(xiàn)通信系統中最大的能耗來(lái)源，必須對當前的基站體系架構進(jìn)行有效的改進(jìn)，以實(shí)現向綠色通信的演進(jìn)。

本文所介紹的基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的新型基站架構，能夠有效地降低基站機房的數量，并能合理的利用基帶的處理資源，提高基站設備的利用率。

由于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)靈活可擴展的特點(diǎn)，使得基站系統在維護和升級時(shí)變得更為靈活方便，從而極大地降低維護和升級成本。我們希望，新的基站架構可以為基站系統的綠色演進(jìn)提供一個(gè)方向，更好地促進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信向更低能耗更高能效的綠色方向發(fā)展。