面向綠色無線通信的基站體系結構

隨著人們對無線業(yè)務的需求越來越高，無線通信技術的發(fā)展也變得更加日新月異。未來無線通信正朝著低碳、健康、高效的綠色通信方向演進。綠色無線通信是全球經(jīng)濟低碳化的一個重要組成部分，日益受到關注。無線通信的核心指標是以滿足通信容量為目標的功率效率和頻譜效率，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)大多側重于頻譜效率，而綠色無線通信則需在側重功率效率的同時，兼顧功率效率與頻譜效率的折中。本文介紹了綠色無線通信的現(xiàn)狀，分析了無線通信系統(tǒng)體系構架對于發(fā)展綠色通信的重要性，提出了基于多域協(xié)同研究綠色無線通信系統(tǒng)體系構架的有效方法，并在此基礎上初步探討了綠色無線通信系統(tǒng)體系構架的核心技術。

1 綠色無線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線電技術

SDR （Software Definition Radio）， "軟件定義的無線電",一種無線電廣播通信技術，它基于軟件定義的無線通信協(xié)議而非通過硬連線實現(xiàn)。換言之，頻帶、空中接口協(xié)議和功能可通過軟件下載和更新來升級，而不用完全更換硬件。SDR 針對構建多模式、多頻和多功能無線通信設備的問題提供有效而安全的解決方案。SDR 能夠重新編程或重新配置，從而通過動態(tài)加載新的波形和協(xié)議可使用不同的波形和協(xié)議操作。這些波形和協(xié)議包含各種不同的部分，包括調(diào)制技術、在軟件中定義為波形本身的一部分的安全和性能特性。

軟件無線電（SDR） 技術是目前最新的也是發(fā)展較快的無線通信技術之一。SDR誕生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2].SDR技術采用了開放的模塊化結構，基帶處理功能可以通過不同的軟件模塊來實現(xiàn)。軟件可以隨著器件和技術的發(fā)展不斷更新或擴展。當前，軟件無線電主要通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、數(shù)字信號處理器（DSP）、通用處理器（GPP）實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的基于FPGA以及DSP的SDR相比，基于高性能GPP的SDR系統(tǒng)可以降低通信系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)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(tǒng)能極大地節(jié)省系統(tǒng)的硬件成本和人力成本[3].在倡導綠色節(jié)能的今天，基于高性能GPP的SDR技術將在無線通信中占據(jù)越來越重要的地位。

1.2 基于軟件無線電的新型基站架構

GPP,通用處理器一般指的是服務器用和桌面計算用CPU芯片。 目前，在桌面計算領域，Intel公司的Pentium系列微處理器芯片領導了市場的主流，占據(jù)著微機芯片市場的絕大部分份額，當前主流的芯片配置是32位的Pentium IV.為了將多媒體處理器（MMP,Multimedia Processor）的功能融入通用處理器（GPP,General-Purpose Processor），替代計算機中越來越多的各種專用的媒體及數(shù)字信號處理芯片和插卡的功能，實現(xiàn)對多媒體應用的支持，工業(yè)界的一個努力是在通用微處理器上擴展SIMD的多媒體處理功能，如Intel的MMX/SSE/SSE2,IBM/Motorola的AltiVec, SUN的VIS,HP的MAX-I/MAX-II,SGI/MIPS的MDMX,以及Compaq/Digital的MVI.這些努力展示了在通用微處理器中提供實時的向量處理，代替DSP的功能實現(xiàn)對多媒體應用的支持良好的發(fā)展前景。

基于高性能GPP的SDR技術的發(fā)展，為基站的綠色演進提供了一條有效途徑。針對無線系統(tǒng)大發(fā)展帶來的能耗挑戰(zhàn)，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(shù)量和面積?；诟咝阅蹽PP的SDR技術的發(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。在無線通信系統(tǒng)的綠色演進過程中，為更好地實現(xiàn)基站處理資源的共享，并提高基站系統(tǒng)的集成度，降低基站的占地面積，我們將整個無線通信網(wǎng)絡的接入網(wǎng)系統(tǒng)與基站子系統(tǒng)分離開來。覆蓋一定區(qū)域的全部基站設備集中起來，形成一個統(tǒng)一的基帶處理池。這樣不僅減小了基站的數(shù)量和占地面積，節(jié)約建設成本，也方便了動態(tài)靈活地進行基站處理資源的調(diào)度。此外，遠端無線射頻單元（RRU）和天線形成一個高容量廣覆蓋的分布式無線接入網(wǎng)絡。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(qū)架構轉化而來。在群小區(qū)架構中，地理位置相鄰的多個小區(qū)，針對一個移動終端采用同一套通信資源（例如頻率、時隙或碼道）進行通信，而針對其他移動終端分別采用不同套的通信資源進行通信。采取這種通信方式的多個小區(qū)構成一個群小區(qū)[4].該移動組網(wǎng)策略突破了傳統(tǒng)蜂窩組網(wǎng)結構，實現(xiàn)了小區(qū)域覆蓋向大區(qū)域覆蓋的飛躍。將基站集中起來，可以更好地進行處理資源的分配和共享?；鶐У奶幚砣客ㄟ^可編程軟件來實現(xiàn)，從而大大提高了基站系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

2 基于軟件無線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的基站基帶實現(xiàn)方案相比，基于軟件無線電的基帶處理單元在成本上具有十分顯著的優(yōu)勢。例如，實現(xiàn)100 Mb/s數(shù)據(jù)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5萬人民幣；而若用一片6核CPU實現(xiàn)，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C匯編代碼來實現(xiàn)。軟件統(tǒng)一的代碼書寫規(guī)范及標準的庫函數(shù)接口使得代碼可以在不同平臺之間進行移植，從而非常方便推廣和應用。

（2）能耗低

圖2所示為通用處理器近7年來在處理能力以及功耗方面的技術進展[6].可看出每進行10億次浮點運算（GFLOP）GPP所消耗的功率在不斷的降低，而GPP的處理性能（每秒所進行的10億次浮點運算數(shù)GFLOPS）卻在不斷的提升。GPP越來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顯著特點是處理資源可靈活分配，使得網(wǎng)絡能根據(jù)不同區(qū)域或時段的不均衡負荷（潮汐效應）來分配基帶處理資源，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）新技術應用速度加快

GPP的開發(fā)環(huán)境（如Windows/Linux）更為成熟通用。成熟的操作系統(tǒng)可以提供靈活的線程提取、核間通信和存儲器管理，加之直觀熟悉的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，使得系統(tǒng)設計時更為靈活，能大大減少開發(fā)和調(diào)試的工作量，節(jié)省人力成本，縮短開發(fā)周期。因此，對于飛速發(fā)展的無線通信新技術，如多入多出系統(tǒng)-正交頻分復用（MIMO-OFDM）、認知無線電等，可以在較短的時間內(nèi)應用并部署到系統(tǒng)中，加速其產(chǎn)業(yè)化的進程。

2.2 新型基站架構面對的挑戰(zhàn)

基于軟件無線電架構的基帶處理單元在具有一系列優(yōu)點的同時，也存在許多應用方面的挑戰(zhàn)和難題。

（1）基于GPP的實時數(shù)字信號處理的實現(xiàn)

通用處理器曾被認為僅能滿足低速數(shù)值運算及過程控制等數(shù)據(jù)處理。然而，隨著通用處理器技術的快速發(fā)展，GPP在處理能力和時延等方面能獲得良好的表現(xiàn)?；贕PP的數(shù)字信號處理優(yōu)化增益如圖3所示。在LTE的基帶算法實現(xiàn)中[7],經(jīng)代碼優(yōu)化后的系統(tǒng)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現(xiàn)的處理增益仍不是很理想。隨著無線新技術的不斷應用，其實現(xiàn)的復雜度也越來越高，因此，利用GPP技術進行高效的數(shù)字信號處理仍是該基站架構實現(xiàn)的關鍵。

（2）高速接口及傳輸技術的實現(xiàn)

協(xié)作處理技術是實現(xiàn)更高頻譜效率的關鍵。為了支持協(xié)作式多點處理技術，用戶數(shù)據(jù)和上行/下行信道信息都需要在多個基站之間共享。基站之間的接口必須支持高帶寬低時延的傳輸以及保證實時的協(xié)作處理。目前，基站間采用X2接口的處理時延在20 ms左右，如此大的共享信息傳輸時延會影響聯(lián)合處理的增益，并帶來較大的處理開銷。因此，基于軟件無線電架構的基站單元必須在保證時延和開銷的情況下設計更為有效的信息共享方案，以滿足實時協(xié)作處理的需求。

（3）多標準、可擴展的公共算法庫的開發(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(shù)的主流運營商都同時擁有多個網(wǎng)絡。多頻段、多制式網(wǎng)絡的并行運營致使設備、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)絡優(yōu)化和維護帶來很大困難，網(wǎng)絡運營成本和能源消耗更是居高不下。因此，網(wǎng)絡運營商需要尋找有效的途徑來控制整體擁有成本（TCO）和降低能耗，以實現(xiàn)多標準網(wǎng)絡的綠色運營。多?；境蔀榻档途W(wǎng)絡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(tǒng)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等新型關鍵技術。

2.3 基于高性能GPP的LTE系統(tǒng)

LTE是英文Long Term Evolution的縮寫。LTE也被通俗的稱為3.9G,具有100Mbps的數(shù)據(jù)下載能力，被視作從3G向4G演進的主流技術。LTE的研究，包含了一些普遍認為很重要的部分，如等待時間的減少、更高的用戶數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)容量和覆蓋的改善以及運營成本的降低。

3GPP長期演進（LTE）項目是近兩年來3GPP啟動的最大的新技術研發(fā)項目，這種以OFDM/FDMA為核心的技術可以被看作"準4G"技術。3GPP LTE項目的主要性能目標包括：在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小區(qū)邊緣用戶的性能；提高小區(qū)容量；降低系統(tǒng)延遲，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5ms,控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms,從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100ms;支持100Km半徑的小區(qū)覆蓋；能夠為350Km/h高速移動用戶提供>100kbps的接入服務；支持成對或非成對頻譜，并可靈活配置1.25 MHz到20MHz多種帶寬。

本文依據(jù)3GPP 36系列規(guī)定的LTE標準,實現(xiàn)了3GPP LTE上下行鏈路。鏈路具體參數(shù)如表1所示。

該系統(tǒng)采用含4個處理核、主頻為3.2 GHz、支持雙線程的商用CPU作為數(shù)字信號處理平臺的核心。系統(tǒng)載波頻率為2.3 GHz,載波帶寬為20 MHz,采用LTE規(guī)定的OFDM調(diào)制?；诟咝阅蹽PP的LTE演示系統(tǒng)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(tǒng)中，采用的是1發(fā)1收的天線，實現(xiàn)的上行峰值速率為43 Mb/s,并進行了高清視頻（HDTV）的現(xiàn)場實時傳輸。

我們認為，隨著通用處理器技術的不斷發(fā)展，基于高性能通用處理器的SDR系統(tǒng)可以滿足未來無線通信中對實時數(shù)字信號處理的要求以及無線新技術的應用。在此基礎上，本文基于高性能GPP的LTE系統(tǒng)的未來研究將集中于對MIMO、CoMP等新技術的實際系統(tǒng)應用。

3 未來的研究課題

3.1 動態(tài)資源分配和協(xié)作式無線處理

蜂窩系統(tǒng)中小區(qū)的用戶數(shù)量以及用戶的信道增益都是動態(tài)變化的。蜂窩系統(tǒng)的業(yè)務已從單一的語音業(yè)務轉向多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務。為了支持不同的業(yè)務類型，對用戶的資源分配必須更為靈活?；颈仨毟鶕?jù)當前系統(tǒng)的狀態(tài)和用戶的需求，動態(tài)地決定信道分配、數(shù)據(jù)速率和發(fā)送功率[9].而基于OFDM的蜂窩小區(qū)間是干擾受限的，不能簡單地依靠增加發(fā)射功率來提高邊緣用戶的性能，因此，需設計有效的多小區(qū)聯(lián)合資源分配和協(xié)作式多點傳輸技術來解決上述問題。

3.2 集中式基帶處理池

集中式基帶處理池是基于軟件無線電技術的基站架構的主要研究內(nèi)容。該架構下，無線網(wǎng)絡將基帶處理單元（BBU）和遠端射頻單元（RRU）分離，并將多個BBU集中起來，形成一個集中式的基帶處理池，用于覆蓋不同區(qū)域的RRU信號的基帶處理。傳統(tǒng)的RRU的信號只能傳輸?shù)狡鋵腂BU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。

3.3 基于實時云的虛擬基站系統(tǒng)

集中式的基帶處理池建立在高性能通用處理器上，通過軟件無線電技術實現(xiàn)基帶信號處理。該架構為實時性的數(shù)字信號云處理提供了演進基礎。

一定范圍內(nèi)的基于軟件無線電的新型基站通過高帶寬低時延的網(wǎng)絡互聯(lián)，形成一個巨大的云計算基帶處理池。與傳統(tǒng)的云計算不同，該虛擬基站所進行的基帶處理任務是實時的，在滿足處理時延的要求下，動態(tài)地分配處理負荷，并實現(xiàn)不同網(wǎng)絡下的多標準覆蓋。

4 結束語

目前，"綠色"成為人們越來越關注的焦點，綠色節(jié)能已成為當今世界的主題話題之一。無線通信界勢必也要向綠色的方向不斷演進?；鞠到y(tǒng)作為無線通信系統(tǒng)中最大的能耗，必須對當前的基站體系架構進行有效的改進，以實現(xiàn)向綠色通信的演進。

本文所介紹的基于軟件無線電技術的新型基站架構，能夠有效地降低基站機房的數(shù)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。

由于軟件無線電技術靈活可擴展的特點，使得基站系統(tǒng)在維護和升級時變得更為靈活方便，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(tǒng)的綠色演進提供一個方向，更好地促進無線通信向更低能耗更高能效的綠色方向發(fā)展。