【无线射频通信】-绿色通信的基站体系结构设计

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----绿色通信的基站体系结构设计随着无线通信技术的不断演进，新的通信制式的不断消失和升级以及移动通信宽带化的不断进展，无线通信网面临越来越大的能耗挑战。为了满意不断增长的无线宽带业务及空中流量需求，移动通信运营商不断增加空中接口带宽和基站的数量。随之而来，无线接入网的能源消耗问题变得日益严峻。如今，中国3G网络设施正大规模建设，2G网络仍将长期存在并连续增长，伴随而来的是持续不断的网络能源消耗。据统计，无线通信系统中，约80%的能耗来自基站系统。网络规模的快速膨胀带来了基站耗能的快速上升，年增长为30%～40%[1]。

因此，在提倡绿色通信、建设集约型社会的今日，有必要提出一种新的基站体系架构，在满意不断进展的无线通信业务的基础上，提高基站设备的能效，降低基站的建设和维护成本，实现无线通信能耗的最小化。

1绿色无线通信的新型基站架构

1.1基于高性能通用处理器的软件无线电技术

软件无线电(SDR)技术是目前最新的也是进展较快的无线通信技术之一。SDR诞生于1992年，由JoeMitola正式提出[2]。SDR技术采纳了开放的模块化结构，基带处理功能可以通过不同的软件模块来实现。软件可以随着器件和技术的进展不断更新或扩展。当前，软件无线电主要通过现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、通用处理器(GPP)实现。与传统的基于FPGA以及DSP的SDR相比，基于高性能GPP的SDR系统可以降低通信系统开发和调试的简单度，具有更好的敏捷性和可扩展性。基于高性能GPP的SDR系统能极大地节约系统的硬件成本和人力成本[3]。在提倡绿色节能的今日，基于高性能GPP的SDR技术将在无线通信中占据越来越重要的地位。

1.2基于软件无线电的新型基站架构

基于高性能GPP的SDR技术的进展，为基站的绿色演进供应了一条有效途径。针对无线系统大进展带来的能耗挑战，我们认为，降低能耗的最有效最直接的方式是降低基站机房的数量和面积。基于高性能GPP的SDR技术的进展使得这种方式成为可能。

图1所示为基于高性能通用处理器的新型基站架构。在无线通信系统的绿色演进过程中，为更好地实现基站处理资源的共享，并提高基站系统的集成度，降低基站的占地面积，我们将整个无线通信网络的接入网系统与基站子系统分别开来。掩盖肯定区域的全部基站设备集中起来，形成一个统一的基带处理池。这样不仅减小了基站的数量和占地面积，节省建设成本，也便利了动态敏捷地进行基站处理资源的调度。此外，远端无线射频单元(RRU)和天线形成一个高容量广掩盖的分布式无线接入网络。RRU灵活轻巧，便于安装和维护，可以大范围高密度地使用，能有效地降低接入网成本。

这种基站架构由群小区架构转化而来。在群小区架构中，地理位置相邻的多个小区，针对一个移动终端采纳同一套通信资源(例如频率、时隙或码道)进行通信，而针对其他移动终端分别采纳不同套的通信资源进行通信。实行这种通信方式的多个小区构成一个群小区[4]。该移动组网策略突破了传统蜂窝组网结构，实现了小区域掩盖向大区域掩盖的飞跃。将基站集中起来，可以更好地进行处理资源的安排和共享。基带的处理全部通过可编程软件来实现，从而大大提高了基站系统的敏捷性和可扩展性。

2基于软件无线电架构的基带处理单元

2.1新型基站架构的优势

(1)成本低

与基于FPGA、DSP的基站基带实现方案相比，基于软件无线电的基带处理单元在成本上具有非常显著的优势。例如，实现100Mb/s数据吞吐量，若用TI公司4核的TMS320C6474芯片，需要约20片，所需成本约在5万人民币；而若用一片6核CPU实现，成本约为人民币7000元。此外，通用处理器是软件化程度最高的处理方式。高性能GPP-SDR平台通过C汇编代码来实现。软件统一的代码书写规范及标准的库函数接口使得代码可以在不同平台之间进行移植，从而特别便利推广和应用[5]。

(2)能耗低

图2所示为通用处理器近7年来在处理力量以及功耗方面的技术进展[6]。可看出每进行10亿次浮点运算(GFLOP)GPP所消耗的功率在不断的降低，而GPP的处理性能(每秒所进行的10亿次浮点运算数GFLOPS)却在不断的提升。GPP越来越突显出低功耗高性能的优势。

(3)设备利用率高

集中式的基带处理单元一个显著特点是处理资源可敏捷安排，使得网络能依据不同区域或时段的不均衡负荷(潮汐效应)来安排基带处理资源，从而可以更有效地利用基带处理资源，提高基站设备的利用率。

(4)新技术应用速度加快

GPP的开发环境(如Windows/Linux)更为成熟通用。成熟的操作系统可以供应敏捷的线程提取、核间通信和存储器管理，加之直观熟识的开发和调试环境，使得系统设计时更为敏捷，能大大削减开发和调试的工作量，节约人力成本，缩短开发周期。因此，对于飞速进展的无线通信新技术，如多入多出系统-正交频分复用(MIMO-OFDM)、认知无线电等，可以在较短的时间内应用并部署到系统中，加速其产业化的进程。

2.2新型基站架构面对的挑战

基于软件无线电架构的基带处理单元在具有一系列优点的同时，也存在很多应用方面的挑战和难题。

(1)基于GPP的实时数字信号处理的实现

通用处理器曾被认为仅能满意低速数值运算及过程掌握等数据处理。然而，随着通用处理器技术的快速进展，GPP在处理力量和时延等方面能获得良好的表现。基于GPP的数字信号处理优化增益如图3所示。在LTE的基带算法实现中[7]，经代码优化后的系统吞吐量有了明显的增益，但像Turbo信道译码(LogMAP算法)等简单度较高的算法实现的处理增益仍不是很抱负。随着无线新技术的不断应用，其实现的简单度也越来越高，因此，利用GPP技术进行高效的数字信号处理仍是该基站架构实现的关键。

(2)高速接口及传输技术的实现

协作处理技术是实现更高频谱效率的关键。为了支持协作式多点处理技术，用户数据和上行/下行信道信息都需要在多个基站之间共享。基站之间的接口必需支持高带宽低时延的传输以及保证明时的协作处理。目前，基站间采纳X2接口的处理时延在20ms左右，如此大的共享信息传输时延会影响联合处理的增益，并带来较大的处理开销。因此，基于软件无线电架构的基站单元必需在保证时延和开销的状况下设计更为有效的信息共享方案，以满意实时协作处理的需求。

(3)多标准、可扩展的公共算法库的开发

当前TD-SCDMA、CDMA2000、GSM、WCDMA、LTE等多种通信制式共存，且世界上大多数的主流运营商都同时拥有多个网络。多频段、多制式网络的并行运营致使设备、机房及配套设施难以共享，不仅严峻铺张基础设施资源，也给网络优化和维护带来很大困难，网络运营成本和能源消耗更是居高不下。因此，网络运营商需要查找有效的途径来掌握整体拥有成本(TCO)和降低能耗，以实现多标准网络的绿色运营。多模基站成为降低网络建设和维护成本最有效最直接的方式。在基于高性能GPP的新型基站系统中，需要针对不同的通信协议设计不同的算法库，并能支持不同标准间的敏捷切换，支持诸如GSM/TD-SCDMA/LTE等通信协议以及MU-MIMO、CoMP等新型关键技术。

2.3基于高性能GPP的LTE系统

本文依据3GPP36系列规定的LTE标准[8]，实现了3GPPLTE上下行链路。链路详细参数如表1所示。

该系统采纳含4个处理核、主频为3.2GHz、支持双线程的商用CPU作为数字信号处理平台的核心。系统载波频率为2.3GHz，载波带宽为20MHz，采纳LTE规定的OFDM调制。基于高性能GPP的LTE演示系统如图4所示。图右侧PC为发端，中间的PC为收端，左侧PC主要完成信号分析功能。

在该演示系统中，采纳的是1发1收的天线，实现的上行峰值速率为43Mb/s，并进行了高清视频(HDTV)的现场实时传输。

我们认为，随着通用处理器技术的不断进展，基于高性能通用处理器的SDR系统可以满意将来无线通信中对实时数字信号处理的要求以及无线新技术的应用。在此基础上，本文基于高性能GPP的LTE系统的将来讨论将集中于对MIMO、CoMP等新技术的实际系统应用。

3将来的讨论课题

3.1动态资源安排和协作式无线处理

蜂窝系统中小区的用户数量以及用户的信道增益都是动态变化的。蜂窝系统的业务已从单一的语音业务转向多媒体数据业务。为了支持不同的业务类型，对用户的资源安排必需更为敏捷。基站必需依据当前系统的状态和用户的需求，动态地打算信道安排、数据速率和发送功率[9]。而基于OFDM的蜂窝小区间是干扰受限的，不能简洁地依靠增加放射功率来提高边缘用户的性能，因此，需设计有效的多小区联合资源安排和协作式多点传输技术来解决上述问题。

3.2集中式基带处理池

集中式基带处理池是基于软件无线电技术的基站架构的主要讨论内容。该架构下，无线网络将基带处理单元(BBU)和远端射频单元(RRU)分别，并将多个BBU集中起来，形成一个集中式的基带处理池，用于掩盖不同区域的RRU信号的基带处理。传统的RRU的信号只能传输到其对应的BBU中，不同的BBU并不能接收其他RRU的信号。不同BBU的处理负荷不均衡极大地降低了基带处理资源的利用率。因此，集中式基带池需要解决的是：供应一个大容量低时延的交换器实现不同BBU数据的交互，以实现基带处理资源的动态使用，进而提高设备利用率，降低电能损耗。

3.3基于实时云的虚拟基站系统

集中式的基带处理池建立在高性能通用处理器上，通过软件无线电技术实现基带信号处理。该架构为实时性的数字信号云处理供应了演进基础。

肯定范围内的基于软件无线电的新型基站通过高带宽低时延的网络互联，形成一个巨大的云计算基带处理池。与传统的云计算不同，该虚拟基站所进行的基带处理任务是实时的，在满意处理时延的要求下，动态地安排处理负荷，并实现不同网络下的多标准掩盖。

4结束语

目前，“绿色”成为人们越来越关注的焦点，绿色节能已成为当今世界的主题话题之一。无线通信界势必也要向绿色的方向不断演进。基站系