軟基站技術(shù)運用于無(wú)線(xiàn)通信

短短的十余年內，移動(dòng)通訊發(fā)展出2G/3G/4G三代制式及10余種標準體制。同時(shí)，多種制式的網(wǎng)絡(luò )將長(cháng)期共存。長(cháng)期以來(lái)，各設備商都采用一種制式對應一種基站的設計模式，導致運營(yíng)商投資巨大、運維困難。例如，僅中國移動(dòng)基站建設一項投資規模即達數千億元。

運營(yíng)商需要基站同時(shí)支持2G/3G并后續向4G平滑升級來(lái)保護設備投資，并需要各種制式的基站表現為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )以降低總體運營(yíng)成本。當今移動(dòng)通信市場(chǎng)競爭日趨激烈，實(shí)現高性能的多模軟基站對在全球市場(chǎng)競爭中脫穎而出具有決定性的意義；但由于各制式間相差巨大，它的實(shí)現面臨大量實(shí)現難題而一直停留在紙面。中興通訊通過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，全球首家推出了多模軟基站，并通過(guò)大量的創(chuàng )新技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)整體性能上實(shí)現了業(yè)界領(lǐng)先。文章將對軟基站，主要是基帶單元的架構與實(shí)現進(jìn)行介紹。

1 業(yè)界的努力

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )正加快向ALL IP的演進(jìn)，第三代合作伙伴計劃(3GPP)、3GPP2、電氣和電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE) 等國際標準組織相繼提出了基于A(yíng)LL IP的網(wǎng)絡(luò )架構。NodeB在4G的演進(jìn)中，架構演變?yōu)楸馄交?，不再有傳統的接入側的協(xié)議匯聚終結點(diǎn)，轉而接入開(kāi)放的傳輸網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)多制式共存、網(wǎng)絡(luò )融合的發(fā)展，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器/基站控制器(RNC/BSC)出現了Iur-g接口定義[1-2] ，NodeB和RNC之間、NodeB內部通訊也都走向了標準化和開(kāi)放化。Abis接口、Iub接口和基帶射頻接口也從各個(gè)廠(chǎng)家的私有定義，逐步轉變到開(kāi)放標準。

無(wú)線(xiàn)接入側的IP化、IT化也已形成一種趨勢。IT業(yè)界的思想和技術(shù)在通訊設備上大量應用，如分布式數據庫、點(diǎn)對點(diǎn)(P2P)技術(shù)、虛擬化、云計算等。這些技術(shù)以往主要針對大型服務(wù)器或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的數據存儲、交互、處理，使網(wǎng)絡(luò )負載更均衡。

開(kāi)放式基站架構聯(lián)盟(OBSAI) [3]由多個(gè)廠(chǎng)商共同構建，目標是搭建一個(gè)開(kāi)放的基站架構。OBSAI架構基本上能夠描述基站架構的一般形態(tài)，但是從實(shí)現角度看，其結構不夠小型化、架構不夠緊湊、先進(jìn)性不足，也沒(méi)有被設備商實(shí)際采用。OBSAI RP03接口[4]（基帶射頻接口）雖然面向各種制式提供了較高的靈活性，并向更高的速率演進(jìn)，但是因為其實(shí)現復雜、承載效率較低（有效帶寬只有 84%）、物理實(shí)現不夠經(jīng)濟等原因，只在少量廠(chǎng)家被應用。

微型通信計算架構(MicroTCA)[5-6]是由國際PCI工業(yè)計算機制造組織(PICMG)協(xié)會(huì )制定的開(kāi)放式計算架構。MicroTCA重點(diǎn)在于實(shí)現技術(shù)，定義了包括結構尺寸、電源架構、機框管理、交換平面等一系列的實(shí)現方案。MicroTCA架構能夠被用于高性能嵌入式計算、通信、物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，但是標準復雜，工程實(shí)現存在困難，并且在通信領(lǐng)域的應用中，其架構從配置成本、適用性方面還需改進(jìn)。中興通訊的軟基站系統基于MicroTCA標準，進(jìn)行了許多改進(jìn)和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)實(shí)現。

通用公共射頻接口(CPRI)[7]是針對基帶射頻接口定義的規范，各設備廠(chǎng)家基本上都使用了CPRI規范。在CPRI的基礎上，運營(yíng)商組成的下一代移動(dòng)通信網(wǎng)(NGMN)定義了開(kāi)放基帶射頻接口(OBRI)，對幀格式等進(jìn)行了進(jìn)一步的定義，并努力向軟件接口統一。

除了以上一些開(kāi)放標準之外，還有中國移動(dòng)為T(mén)D制定的Ir接口等其他一些規范，進(jìn)行設備接口的標準化工作。

上述標準向統一架構做出了一些努力，但距離實(shí)現多模共存的軟基站還有相當大的距離。近年來(lái)，半導體技術(shù)、軟件技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使軟基站能夠從紙面走向現實(shí)?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和數字信號處理(DSP) 技術(shù)的發(fā)展使“軟基帶”逐漸可行；處理器技術(shù)使處理能力不會(huì )再?lài)乐刂萍s架構定義；總線(xiàn)串聯(lián)/解串器技術(shù)能在有限的連接下提供很高的帶寬，并能簡(jiǎn)化系統架構；軟件中開(kāi)放的、標準化的協(xié)議大量應用，加速了多制式在架構上和接口上的融合；云計算等分布式技術(shù)理論的應用為軟件可配置化提供了方向。

2 軟基站的整體構架

支持多種制式、平滑演進(jìn)的軟基站，要從宏觀(guān)上對各種產(chǎn)品的實(shí)現進(jìn)行高度的抽象和總結，將其公共部分提取出來(lái)，設計高度統一的架構。無(wú)線(xiàn)基站的組成如圖1所示。

從整個(gè)基站的角度看，室內基帶處理單元(BBU)、射頻單元(RU)要能夠兼容多種制式業(yè)務(wù)，同時(shí)將Iub（Abis）、Ir兩個(gè)接口標準化，屏蔽產(chǎn)品形態(tài)和制式的差異，才能滿(mǎn)足軟基站的要求。Iub接口已經(jīng)逐步標準化，信道化E1等方式逐步被IP化所取代，使得2G、3G基站能夠在 Iub/Abis口上走向統一。Ir接口有CPRI、OBSAI等標準可循，宏觀(guān)上可以統一。技術(shù)問(wèn)題主要存在于針對各制式及應用場(chǎng)景的實(shí)現上。

從BBU內部來(lái)看，可以將功能劃分成如圖2所示的四大部分：

通過(guò)對功能模塊的分解抽象，我們把BBU的架構實(shí)現分解成3個(gè)平面：公共資源平面、業(yè)務(wù)交換平面、I/Q交換平面。如圖3所示。

以上兩種劃分方式，實(shí)際上是不精確的，各部分之間的邊界也可能模糊，但是便于對架構進(jìn)行研究。

從功能模塊劃分來(lái)看，傳輸可以被各制式共享，可以認為和制式無(wú)關(guān)；主控、時(shí)鐘、電源部分也可認為和制式無(wú)關(guān)（時(shí)鐘和制式相關(guān)）；基帶處理、射頻接口部分，和制式相關(guān)。軟基站的實(shí)現，必須將和制式相關(guān)的部分分解到更細的顆粒，在更細的顆粒上盡量做到無(wú)制式區別；對于無(wú)法消除制式特性的部分，需要進(jìn)行封裝，外特性屏蔽制式區別。

對于平面：

(1) 主要的差異在于各制式有不同的時(shí)鐘需求。

(2) 采用成熟的千兆以太網(wǎng)(GE)或者快速以太網(wǎng)(FE)交換平面，軟件統一內部協(xié)議，這樣可易于形成統一的交換平面。

(3) 采用Serdes方式可以從架構上消除制式的差異，但是因為各個(gè)制式I/Q數據的速率各不相同，如果實(shí)現多模共存可配置，必須再通過(guò)一定方式的封裝，屏蔽制式的差異。

3 公共資源

實(shí)現公用資源管理與無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的無(wú)關(guān)性，使基站具備支持多制式的能力，以及通過(guò)軟件配置平滑演進(jìn)的能力，是軟基站實(shí)現的關(guān)鍵課題。

在硬件方面，軟基站主要的問(wèn)題是各種制式分別具有不同的時(shí)鐘，所用的碼片速率有1.2288 MHz、3.84MHz、44.8 MHz、13 MHz（以及這些頻率的倍頻或分頻）等。選取122.88 MHz的公共頻率，可以很容易地在各個(gè)基帶單元上采用成熟的數字鎖相環(huán)并產(chǎn)生各個(gè)頻點(diǎn)，從而在公共資源平面上基本屏蔽制式的差異。

在軟件方面，軟基站需要實(shí)現多種制式平滑演進(jìn)、共存并保證多制式間互不干擾，實(shí)現傳輸鏈路和主控/時(shí)鐘備份能力，并實(shí)現軟件可配置、可自由加載/卸載無(wú)線(xiàn)制式。中興通訊借鑒了準虛擬化和操作系統虛擬化在嵌入式領(lǐng)域應用[8]的思想，并優(yōu)化系統架構，構建了可軟件配置的軟基站系統。

虛擬化是目前IT行業(yè)的熱門(mén)技術(shù)，也是構成云計算的一個(gè)重要技術(shù)基礎。借助虛擬化技術(shù)，用戶(hù)將可以在單一計算機硬件中安裝多個(gè)操作系統(虛擬機)，并實(shí)現多重任務(wù)處理，從而達到節省IT開(kāi)支和高速處理計算任務(wù)等目的[9]。通過(guò)虛擬可實(shí)現動(dòng)態(tài)的資源部署和重配置，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)擴展的需求，也可實(shí)現較完善的業(yè)務(wù)隔離和劃分、對數據和服務(wù)可控和安全的訪(fǎng)問(wèn)，還可以通過(guò)虛擬資源提供與物理資源無(wú)關(guān)的接口和協(xié)議的兼容性。

傳統的基站中，無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)、數據庫管理、設備管理、告警管理、版本管理、傳輸管理和控制等相互耦合，多制式并存時(shí)會(huì )存在多種限制和沖突。通過(guò)構造虛擬化的設備管理層，可以將無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)與設備管理解耦，對無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)屏蔽基站的公用設備管理，提供基站統一的設備管理操作。同時(shí)，多個(gè)不同制式業(yè)務(wù)運行在獨立的虛擬空間中，無(wú)需感知其他業(yè)務(wù)的存在，可以靈活地增加和刪減制式。這樣就可以實(shí)現

如果要使得CPRI適于傳輸多種不同制式，就需要考慮細化分層，并在底層的空口數據容器AxC(Antenna Carrier)大小定義上考慮I/Q數據的容量適配，但在使用上要做到與制式無(wú)關(guān)，在傳輸過(guò)程中只考慮無(wú)制式AxC的傳輸，而不關(guān)心I/Q向AxC映射的方式、制式、采樣的信息等。只在無(wú)法忽略制式差異的兩端（也就是基帶調制解調和中頻處理）才看到制式數據。這樣在部分情況下可能會(huì )犧牲一點(diǎn)承載效率，也可能會(huì )提高一些復雜度，但是從無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品演進(jìn)以及靈活性的角度看，這樣的代價(jià)還是非常值得的。

7 軟基站未來(lái)的趨勢

軟基站的架構形態(tài)，會(huì )走向多模，扁平化架構，尤其是多模軟基站，對“軟”技術(shù)提出了更高的要求，需要提供更為豐富的軟件服務(wù)。軟件服務(wù)內容從單純的傳統基站業(yè)務(wù)轉向集成傳輸，集成控制器，集成路由器等多種功能角色為一體，并從固定功能服務(wù)轉向了可配置的，可選擇定制的服務(wù)方向。

目前的軟基站硬件架構已基本能夠滿(mǎn)足多業(yè)務(wù)共存的需要。未來(lái)軟基站將繼續向集成度更高、基帶資源調配更靈活、傳輸方式更豐富、成本更低、節能更環(huán)保幾個(gè)方向發(fā)展。

未來(lái)軟件技術(shù)將堅定地走向IP化、IT化?；緦⒆呦蜷_(kāi)放標準?；窘尤腴_(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )后，未來(lái)的IP網(wǎng)絡(luò )安全性將受到更多的關(guān)注；未來(lái)軟基站將更多地提供智能化、分布式以及虛擬化的相關(guān)技術(shù)，通過(guò)此類(lèi)技術(shù)靈活地組合基站功能，并逐步完成基站的負載均衡：

(1) SON等技術(shù)的橫空出世，對于基站的管理方式是一種革新。自發(fā)現、自下載、自配置，使接入網(wǎng)能夠便利地加入或刪除網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，并能夠自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化。隨著(zhù)未來(lái)幾年內標準的逐步完善，及在基站設備中的實(shí)現，軟基站的智能化能力將會(huì )大幅提高。

(2) 分布式數據處理模型及技術(shù)的應用，可以解決以往基站模型中存儲空間及處理資源瓶頸，將不均衡的業(yè)務(wù)處理分布化，形成均衡負載處理。最近熱門(mén)的“云計算” 技術(shù)也是分布式計算、并行計算、網(wǎng)格計算等演變而來(lái)[10]，通過(guò)大型服務(wù)器的集中運算能力來(lái)提供云服務(wù)，并將這些概念走向商業(yè)化。盡管最終走向云服務(wù)尚需時(shí)日，但是對于云計算的基本理論可以在基站中借鑒和應用。

(3)虛擬化技術(shù)的應用，會(huì )進(jìn)一步抽象基站的功能劃分，形成處理器資源池和數據處理池的二層簡(jiǎn)化結構。各個(gè)功能業(yè)務(wù)能夠動(dòng)態(tài)地分配到具有空閑處理能力的單板上，甚至對實(shí)現跨基站的分布式處理提供技術(shù)支撐，實(shí)現資源配置的優(yōu)化并降低能耗，實(shí)現綠色基站。