摘要
對于下一代無線接入網(wǎng)，如何靈活地支持不同的無線標準，如何更好地提高系統(tǒng)資源利用率，如何滿足快速增長的系統(tǒng)計算及I/O需求，都將是無線基站，乃至整個無線接入網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計重點。在IT工業(yè)界的快速推動下，多核通用處理器的技術(shù)與性能不斷提升，從而使得基于IT通用平臺的軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計成為可能，亦使IT工業(yè)與無線工業(yè)的發(fā)展得到融合。
不難發(fā)現(xiàn)，無線與IT的融合是關(guān)鍵。以Power多核處理器為例，通過基于IT通用架構(gòu)的軟件無線電基站設(shè)計，其中蘊藏著眾多的技術(shù)挑戰(zhàn)。針對未來的無線接入網(wǎng)構(gòu)架，IBM提出的無線網(wǎng)絡(luò)云，以云計算的技術(shù)來支撐未來的軟件無線電基站池。
無線與IT融合的挑戰(zhàn)
IBM發(fā)布了2010年的全球技術(shù)展望，其中，無線與IT的融合是重要的技術(shù)發(fā)展趨勢之一。我們看到由于無線的流量的快速增長而服務(wù)的質(zhì)量不斷提升，將對有限的頻譜資源及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來極大的壓力。
這種壓力體現(xiàn)為：第一，整個的處理都變得十分復雜，需要有很強的計算資源；第二，需要有高可擴展的基站間的協(xié)作；第三，需要不斷地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的利用率。
圖1 單載波需求
所以，有兩種IT的基本技術(shù)可以服務(wù)于無線架構(gòu)的發(fā)展，第一是多核處理器，多核處理器可以用于通用處理器的軟件無線電技術(shù)；第二，是可擴展的云架構(gòu)，它將成為未來作為無線接入網(wǎng)的可能架構(gòu)，即無線網(wǎng)絡(luò)云。
無線基站發(fā)展趨勢要從兩個方面來看。第一，無線基站對于單個載波的發(fā)展，從第二代、第三代和第四代無線通訊各個標準，單個載波的處理能力將是LTE advanced 10M的2×2MIMO的20倍，需要的計算是十分驚人的。到2015年，一個3扇區(qū)的無線基站需要4500GIPS的計算能力和120Gbps的I/O接口能力。意味著如果使用現(xiàn)有的DSP芯片大概需要300片。對于硬件或者軟件都將是個十分復雜的系統(tǒng)，相當具有挑戰(zhàn)。
多核通用處理器
從圖2中可以看到黑色的線標示的通用處理器在單芯片的處理能力逐年增長。以IBM的Power Server多核通用處理器和先進的DSP進行對比，可以看出多核通用處理器的優(yōu)勢，具體如下：
• 較強的單線程處理能力
• Power 7 vs. Leading DSP = ~6x
• 有利于降低單線程的處理時延。
• 較強的單芯片性能
• Power 7 vs. Leading DSP = ~17x
•有利于簡化硬件設(shè)計
•較強的多芯片互聯(lián)能力
•Power 7 x 32 sockets =
》7000GFLOPS
•有利于簡化軟件設(shè)計
由于通用處理器的強大單芯片的處理能力帶來了硬件和軟件上的簡化，同時由于在性能和功耗比上的不斷提升，多核通用處理器逐漸能和DSP媲美。除了這些特點以外，通用處理器也有其他的優(yōu)勢，比如使軟件開發(fā)可獨立于硬件和可提供豐富的編程環(huán)境和更大的開發(fā)者團體等。
基于IT的軟件無線電技術(shù)
什么是基于IT的軟件無線電技術(shù)呢？軟件無線電技術(shù)提了很多年，但一直實現(xiàn)在DSP、FPGA這樣專用的硬件芯片和系統(tǒng)中，這里我們要討論的是應用通用的多核處理器芯片，基于IT的開放架構(gòu)和平臺來支撐無線系統(tǒng)的基帶的處理部分，能讓目前軟件定義的無線電進一步發(fā)展到理想的軟件無線電。
這樣的好處有，第一，對滿足不同的無線網(wǎng)絡(luò)需求，具有高靈活性和高可擴展性。第二，以一種高性價比的方法來構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就是一個高信價比的平臺。第三，因為是IT平臺，所以增值應用可以容易部署于邊緣。比如不同的通信系統(tǒng)可以部署在同一個節(jié)點中。第四，為物聯(lián)網(wǎng)市場快速孵化產(chǎn)業(yè)鏈，這涉及到比如頻譜的覆蓋等等。
用這樣的想法是不是構(gòu)建的基站系統(tǒng)就沒有什么技術(shù)的挑戰(zhàn)？其實不然，在基站基帶處理中，約85%為物理層處理，我們追求在單個處理器核中，物理層的處理吞吐量是否能滿足標準的需求。其實整個無線系統(tǒng)是一個硬實時的系統(tǒng)，有采樣器在前面，要求處理器系統(tǒng)達到實時的性能，這本身就是一個挑戰(zhàn)。
通用處理器的挑戰(zhàn)包括，如何使高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧用于支持高吞吐量的I/Q 數(shù)據(jù) （1Gbps~10Gbps）。如何控制抖動，在多線程的環(huán)境下保證實時性能，如MAC層。如何控制抖動，以滿足與遠端射頻頭實時同步，并延時縮短。如何合理化數(shù)據(jù)隊列設(shè)計，在一個多層設(shè)計中，保證低時延，尤其在LTE advanced的4G系統(tǒng)中，對時延的要求很嚴格。如何在通用操作系統(tǒng)上支持實時性能也是我們要考慮的。
當我們綜合所有的問題之后，搭建出的成功平臺才能真正支撐無線基站。
無線網(wǎng)絡(luò)云
除了基于IT技術(shù)實現(xiàn)單個基站系統(tǒng)，未來接入網(wǎng)的架構(gòu)也值得關(guān)注，因為現(xiàn)在遠端射頻頭的技術(shù)已經(jīng)相當成熟，而把基帶集中化處理也是一個未來的趨勢。基于這樣的一個趨勢，如果把集中化基站池中的基站都使用通用的IT平臺支撐，那么未來可能基于IT的資源池可以支撐起未來的無線接入網(wǎng)，這就引發(fā)了無線網(wǎng)絡(luò)云的概念。無線網(wǎng)絡(luò)云的核心思想是使用云計算的技術(shù)和通用計算資源池來支撐未來無線接入網(wǎng)所有的基帶處理。圖3中所示為抽象的無線網(wǎng)絡(luò)云的架構(gòu)，前端是分布在城市中的RRU，很多處理節(jié)點相連，并有同步的時鐘使得節(jié)點同步。
圖2 處理器性能與功耗
圖3 無線網(wǎng)絡(luò)云（1）
未來的無線網(wǎng)絡(luò)云中，在同一個物理節(jié)點，我們可以使用虛擬化的技術(shù)來支撐起一個個以軟件形式體現(xiàn)的虛擬基站。這包括兩個部分，第一部分是Hypervisor，這是一套系統(tǒng)軟件，為虛擬基站提供實時性能，第二部分是虛擬基站本身要支持的無線協(xié)議，比如LTE協(xié)議棧、CDMA協(xié)議棧?？傮w的系統(tǒng)管理將會針對各個虛擬站的系統(tǒng)資源進行靈活地調(diào)配，比如基站之間的協(xié)作。具體情況如圖4所示。
無線網(wǎng)絡(luò)云的技術(shù)挑戰(zhàn)
無線網(wǎng)絡(luò)云的實現(xiàn)包含了諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，具體包含以下幾項：
• 基站服務(wù)器與RRH之間的定時同步
• 在實時環(huán)境中的系統(tǒng)資源分配
• 基于通用操作系統(tǒng)的實時和抖動控制
• 打破傳統(tǒng)“固定”設(shè)計的，高效的并行編程模型
• 在混合系統(tǒng)中，如何共享一些特殊的處理資源，如硬件加速器
• 在多節(jié)點系統(tǒng)中，如何嚴格控制時延
• 基于以太網(wǎng)和操作系統(tǒng)的時鐘網(wǎng)絡(luò)
針對這些系統(tǒng)級的挑戰(zhàn)，IBM中國研究院致力于為業(yè)界推動這個趨勢和克服這些技術(shù)挑戰(zhàn)，繪制未來無線網(wǎng)絡(luò)云的美好藍圖，并通過開源項目的合作推動基于IT多核通用處理器的軟件無線電技術(shù)的發(fā)展。
在這個過程中，IBM搭建虛擬基站池（virtual base station pool）的試驗平臺，如圖5所示。基站池將基于通用處理器和通用IT平臺。在同一個基于IT的軟件無線電平臺上支持 LTE advanced、 TD-SCDMA 和 GSM并支持基站間的協(xié)作處理（collaborative MIMO）。
圖4 無線網(wǎng)絡(luò)云（2）
圖5 虛擬基站池實驗平臺案例
總結(jié)
無線與IT融合的趨勢需要一個多學科多領(lǐng)域的合作才能夠達成。技術(shù)的推動是至關(guān)重要的，例如電子工程中無線算法的并行化設(shè)計、實時系統(tǒng)的設(shè)計以及計算機科學中操作系統(tǒng)的設(shè)計、編程模型和并行計算等這些復雜的系統(tǒng)的推進。在功耗上，通用處理器確實目前不占優(yōu)勢。但在基于這樣的靈活的資源池的基礎(chǔ)上，可以推動業(yè)界的創(chuàng)新研究。無線和IT的融合不僅是IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不僅僅是無線的發(fā)展，開放的未來架構(gòu)才是我們更需要關(guān)注和推動的課題。