隨著無線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，新的通信制式的不斷出現(xiàn)和升級以及移動通信寬帶化的不斷發(fā)展，無線通信網(wǎng)面臨越來越大的能耗挑戰(zhàn)。為了滿足不斷增長的無線寬帶業(yè)務(wù)及空中流量需求，移動通信運(yùn)營商不斷增加空中接口帶寬和基站的數(shù)量。隨之而來，無線接入網(wǎng)的能源消耗問題變得日益嚴(yán)重。如今，中國3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)施正大規(guī)模建設(shè)，2G網(wǎng)絡(luò)仍將長期存在并繼續(xù)增長，伴隨而來的是持續(xù)不斷的網(wǎng)絡(luò)能源消耗。據(jù)統(tǒng)計，無線通信系統(tǒng)中，約80%的能耗來自基站系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的快速膨脹帶來了基站耗能的快速上升，年增長為30%～40%[1]。
因此，在提倡綠色通信、建設(shè)集約型社會的今天，有必要提出一種新的基站體系架構(gòu)，在滿足不斷發(fā)展的無線通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，提高基站設(shè)備的能效，降低基站的建設(shè)和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)無線通信能耗的最小化。
1 綠色無線通信的新型基站架構(gòu)
1.1 基于高性能通用處理器的軟件無線電技術(shù)
軟件無線電(SDR) 技術(shù)是目前最新的也是發(fā)展較快的無線通信技術(shù)之一。SDR誕生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2]。SDR技術(shù)采用了開放的模塊化結(jié)構(gòu)，基帶處理功能可以通過不同的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)。軟件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展不斷更新或擴(kuò)展。當(dāng)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(shí)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(fù)雜度，具有更好的靈活性和可擴(kuò)展性。基于高性能GPP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(dǎo)綠色節(jié)能的今天，基于高性能GPP的SDR技術(shù)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(gòu)
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。針對無線系統(tǒng)大發(fā)展帶來的能耗挑戰(zhàn)，我們認(rèn)為，降低能耗的最有效最直接的方式是降低基站機(jī)房的數(shù)量和面積。基于高性能GPP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(gòu)。在無線通信系統(tǒng)的綠色演進(jìn)過程中，為更好地實(shí)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(luò)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(shè)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(shè)成本，也方便了動態(tài)靈活地進(jìn)行基站處理資源的調(diào)度。此外，遠(yuǎn)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(luò)。RRU靈巧輕便，便于安裝和維護(hù)，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(gòu)由群小區(qū)架構(gòu)轉(zhuǎn)化而來。在群小區(qū)架構(gòu)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(jìn)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(jìn)行通信。采取這種通信方式的多個小區(qū)構(gòu)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(jié)構(gòu)，實(shí)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(jìn)行處理資源的分配和共享。基帶的處理全部通過可編程軟件來實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了基站系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。
2 基于軟件無線電架構(gòu)的基帶處理單元
2.1 新型基站架構(gòu)的優(yōu)勢
(1)成本低
與基于FPGA、DSP的基站基帶實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。軟件統(tǒng)一的代碼書寫規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)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(yīng)用[5]。
(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(shù)進(jìn)展[6]。可看出每進(jìn)行10億次浮點(diǎn)運(yùn)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(yùn)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(shè)備利用率高
集中式的基帶處理單元一個顯著特點(diǎn)是處理資源可靈活分配，使得網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)不同區(qū)域或時段的不均衡負(fù)荷(潮汐效應(yīng))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(shè)備的利用率。
(4)新技術(shù)應(yīng)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(shè)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(shù)，如多入多出系統(tǒng)-正交頻分復(fù)用(MIMO-OFDM)、認(rèn)知無線電等，可以在較短的時間內(nèi)應(yīng)用并部署到系統(tǒng)中，加速其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
2.2 新型基站架構(gòu)面對的挑戰(zhàn)
基于軟件無線電架構(gòu)的基帶處理單元在具有一系列優(yōu)點(diǎn)的同時，也存在許多應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)和難題。
(1)基于GPP的實(shí)時數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)
通用處理器曾被認(rèn)為僅能滿足低速數(shù)值運(yùn)算及過程控制等數(shù)據(jù)處理。然而，隨著通用處理器技術(shù)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)。基于GPP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(shí)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(fù)雜度較高的算法實(shí)現(xiàn)的處理增益仍不是很理想。隨著無線新技術(shù)的不斷應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也越來越高，因此，利用GPP技術(shù)進(jìn)行高效的數(shù)字信號處理仍是該基站架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
(2)高速接口及傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
協(xié)作處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)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(shí)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(gòu)的基站單元必須在保證時延和開銷的情況下設(shè)計更為有效的信息共享方案，以滿足實(shí)時協(xié)作處理的需求。
(3)多標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的公共算法庫的開發(fā)
當(dāng)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(yùn)營商都同時擁有多個網(wǎng)絡(luò)。多頻段、多制式網(wǎng)絡(luò)的并行運(yùn)營致使設(shè)備、機(jī)房及配套設(shè)施難以共享，不僅嚴(yán)重浪費(fèi)基礎(chǔ)設(shè)施資源，也給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)帶來很大困難，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本和能源消耗更是居高不下。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的綠色運(yùn)營。多模基站成為降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)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(shè)計不同的算法庫，并能支持不同標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)
本文依據(jù)3GPP 36系列規(guī)定的LTE標(biāo)準(zhǔn)[8]，實(shí)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。基于高性能GPP的LTE演示系統(tǒng)如圖4所示。圖右側(cè)PC為發(fā)端，中間的PC為收端，左側(cè)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(shí)現(xiàn)的上行峰值速率為43 Mb/s，并進(jìn)行了高清視頻(HDTV)的現(xiàn)場實(shí)時傳輸。
我們認(rèn)為，隨著通用處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，基于高性能通用處理器的SDR系統(tǒng)可以滿足未來無線通信中對實(shí)時數(shù)字信號處理的要求以及無線新技術(shù)的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)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(shù)的實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)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(wù)已從單一的語音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了支持不同的業(yè)務(wù)類型，對用戶的資源分配必須更為靈活。基站必須根據(jù)當(dāng)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(shè)計有效的多小區(qū)聯(lián)合資源分配和協(xié)作式多點(diǎn)傳輸技術(shù)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(shù)的基站架構(gòu)的主要研究內(nèi)容。該架構(gòu)下，無線網(wǎng)絡(luò)將基帶處理單元(BBU)和遠(yuǎn)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?yīng)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(fù)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：提供一個大容量低時延的交換器實(shí)現(xiàn)不同BBU數(shù)據(jù)的交互，以實(shí)現(xiàn)基帶處理資源的動態(tài)使用，進(jìn)而提高設(shè)備利用率，降低電能損耗。
3.3 基于實(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)基帶信號處理。該架構(gòu)為實(shí)時性的數(shù)字信號云處理提供了演進(jìn)基礎(chǔ)。
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(luò)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(jìn)行的基帶處理任務(wù)是實(shí)時的，在滿足處理時延的要求下，動態(tài)地分配處理負(fù)荷，并實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)下的多標(biāo)準(zhǔn)覆蓋。
4 結(jié)束語
目前，“綠色”成為人們越來越關(guān)注的焦點(diǎn)，綠色節(jié)能已成為當(dāng)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(jìn)。基站系統(tǒng)作為無線通信系統(tǒng)中最大的能耗來源，必須對當(dāng)前的基站體系架構(gòu)進(jìn)行有效的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)向綠色通信的演進(jìn)。
本文所介紹的基于軟件無線電技術(shù)的新型基站架構(gòu)，能夠有效地降低基站機(jī)房的數(shù)量，并能合理的利用基帶的處理資源，提高基站設(shè)備的利用率。
由于軟件無線電技術(shù)靈活可擴(kuò)展的特點(diǎn)，使得基站系統(tǒng)在維護(hù)和升級時變得更為靈活方便，從而極大地降低維護(hù)和升級成本。我們希望，新的基站架構(gòu)可以為基站系統(tǒng)的綠色演進(jìn)提供一個方向，更好地促進(jìn)無線通信向更低能耗更高能效的綠色方向發(fā)展。
