英文摘要:This paper examines green network technologies using cooperative coverage. Energy consumption in wireless networks primarily derives from base station networks. Therefore, to decrease energy consumption in line with green objectives, careful planning and deployment of base station infrastructure is necessary. Radio software has developed rapidly in recent years, and provides a way of evolving networks in a green direction. This paper introduces a high energy efficient solution for base station systems that also facilitates green network evolution.

英文關(guān)鍵字:green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio
 
　　基金項目：國家自然科學(xué)基金(60902041、61072076、61002017)

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?；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(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)運營成本和能源消耗更是居高不下。因此，網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的綠色運營。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?；诟咝阅蹽PP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。

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侯延昭，北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域為未來移動通信網(wǎng)絡(luò)下的物理層關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)。

陶小峰，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域為無線通信基礎(chǔ)理論的研究及實踐；已承擔(dān)10項國家級基金項目，發(fā)表論文119 篇(其中SCI、EI、ISTP 檢索論文95 篇)。