面向綠色無線通信的基站體系結(jié)構(gòu)

隨著無線通信技術(shù)的不斷演進，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)展不斷更新或擴展。當前，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)，我們認為，降低能耗的最有效最直接的方式是降低基站機房的數(shù)量和面積?；诟咝阅蹽PP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)靈活地進行基站處理資源的調(diào)度。此外，遠端無線射頻單元(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，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現(xiàn)，從而大大提高了基站系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

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)范及標準的庫函數(shù)接口使得代碼可以在不同平臺之間進行移植，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)進展[6]。可看出每進行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。