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,?；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(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(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]?？煽闯雒窟M(jìn)行10億次浮點運(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的實時數(shù)字信號處理的實現(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)?；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(fù)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(shù)的不斷應(yīng)用，其實現(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)實現(xiàn)的關(guān)鍵。



(2)高速接口及傳輸技術(shù)的實現(xiàn)

協(xié)作處理技術(shù)是實現(xiàn)更高頻譜效率的關(guān)鍵,。為了支持協(xié)作式多點處理技術(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?；局g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(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,，以實現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的綠色運(yùn)營。多?；境蔀榻档途W(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現(xiàn)不同BBU數(shù)據(jù)的交互，以實現(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)實現(xiàn)基帶信號處理,。該架構(gòu)為實時性的數(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，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),?；鞠到y(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,，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。