面向绿色无线通信的基站体系结构

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面向绿色无线通信的基站体系结构Architecture of Green Communication-Oriented Base Stations
侯延昭/ HOU Yanzhao
陶小峰/ TAO Xiaofeng
(北京邮电大学
泛网无线通信教育部重点实验室，北京
100876)
(Key Laboratory of Universal Wireless Communication, Beijing University of Posts and Telecommunications, Ministry of Education, Beijing, 100876）
中图分类号：TN929.5  文献标志码：A  文章编号：1009-6868
(2010)
06-0000-00
摘要：
无线网络的耗能主要来自于基站系统。对无线通信系统中的基站系统结构进行有效地规划和部署，能达到降低能源消耗、实现绿色通信的目的。软件无线电技术的发展为无线基站的绿色演进提供了途径。基于软件无线电技术，文章提出一种可以有效提高通信系统能效、更为绿色环保的基站体系结构，能够更好地实现无线通信系统的绿色演进。
关键词：

绿色通信；软件无线电；云计算；协作式无线电
Abstract:

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.
Key words:
green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio

随着无线通信技术的不断演进，新的通信制式的不断出现和升级以及移动通信宽带化的不断发展，无线通信网面临越来越大的能耗挑战。为了满足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重。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继续增长，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天，有必要提出一种新的基站体系架构，在满足不断发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发展较快的无线通信技术之一。SDR诞生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2]。SDR技术采用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发展不断更新或扩展。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复杂度，具有更好的灵活性和可扩展性。基于高性能GPP的SDR系统能极大地节省系统的硬件成本和人力成本[3]。在倡导绿色节能的今天，基于高性能GPP的SDR技术将在未来无线通信发展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技术的发展，为基站的绿色演进提供了一条有效途径。针对无线系统大发展带来的能耗挑战，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技术的发展使得这种方式成为可能。

MAC：媒体访问控制
PHY：物理层
RRU：远端无线射频单元
图1 基于高性能通用处理器的新型基站架构
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离开来。覆盖一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，节约建设成本，也方便了动态灵活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覆盖的分布式无线接入网络。RRU灵巧轻便，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用同一套通信资源（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用不同套的通信资源进行通信。采取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，实现了小区域覆盖向大区域覆盖的飞跃。将基站集中起来，可以更好地进行处理资源的分配和共享。基带的处理全部通过可编程软件来实现，从而提高了基站系统的灵活性和可扩展性。
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十分显著的优势。例如，实现100
Mb/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7 000人民币。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，从而非常方便推广和应用[5]。
（2）能耗低

图2 通用处理器计算性能及功率
图2所示为通用处理器近7年来在处理能力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灵活分配，使得网络能根据不同区域或时段的不均衡负荷（潮汐效应）来分配基带处理资源，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提供灵活的线程提取、核间通信和存储器管理，加之直观熟悉的开发和调试环境，使得系统设计时更为灵活，能减少开发和调试的工作量，节省人力成本，缩短开发周期。因此，对于飞速发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，也存在许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足低速数值运算及过程控制等数据处理。然而，随着通用处理器技术的快速发展，GPP在处理能力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）等复杂度较高的算法实现的处理增益仍不是很理想。随着无线新技术的不断应用，其实现的复杂度也越来越高，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。

图3 基于GPP的数字信号处理优化增益
（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。基站之间的接口必须支持高带宽低时延的传输以及保证实时的协作处理。目前，基站间采用X2接口的处理时延在20 ms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须在保证时延和开销的情况下设计更为有效的信息共享方案，以满足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GSM、TD-SCDMA、CDMA2000、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，不仅严重浪费基础设施资源，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，网络运营商需要寻找有效的途径来控制整体拥有成本（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灵活切换，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3GPP 36系列规定的LTE标准[8]，实现了3GPP LTE上下行链路。链路具体参数如表1所示。
表1 LTE PUSCH 参数配置

名称[size=9.0000pt]	参数值[size=9.0000pt]
发送带宽[size=9.0000pt]	20 MHz[size=9.0000pt]
载波频率[size=9.0000pt]	2 300 MHz[size=9.0000pt]
子载波间隔[size=9.0000pt]	15 kHz[size=9.0000pt]
采样频率[size=9.0000pt]	30.72 MHz[size=9.0000pt]
FFT大小[size=9.0000pt]	2 048[size=9.0000pt]
CP长度[size=9.0000pt]	160/144[size=9.0000pt]
帧长[size=9.0000pt]	10 ms[size=9.0000pt]
子帧长[size=9.0000pt]	1 ms[size=9.0000pt]
时隙长度[size=9.0000pt]	0.5 ms[size=9.0000pt]
信道编码速率[size=9.0000pt]	3/4[size=9.0000pt]
调制方式[size=9.0000pt]	16QAM[size=9.0000pt]
天线数[size=9.0000pt]	发端1天线、收端1天线[size=9.0000pt]
峰值速率[size=9.0000pt]	42.816 Mb/s[size=9.0000pt]
平均速率[size=9.0000pt]	25.6896 Mb/s[size=9.0000pt]

该系统采用含4个处理核、主频为3.2
GHz、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2.3 GHz，载波带宽为20 MHz，采用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，采用1发1收天线，实现的上行峰值速率为43 Mb/s，并进行了高清视频(HDTV)的现场实时传输。

图4 基于高性能GPP的LTE演示系统
我们认为，随着通用处理器技术的不断发展，基于高性能通用处理器的SDR系统可以满足未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系统的未来研究将集中于对MIMO、CoMP等新技术的实际系统应用。
3 未来的研究课题3.1 动态资源分配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，对用户的资源分配必须更为灵活。基站必须根据当前系统的状态和用户需求，动态地决定信道分配、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，不能简单地依靠增加发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分配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研究内容。该架构下，无线网络将基带处理单元（BBU）和远端射频单元（RRU）分离，并将多个BBU集中起来，形成一个集中式的基带处理池，用于覆盖不同区域的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：提供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提供了演进基础。
一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，在满足处理时延的要求下，动态地分配处理负荷，并实现不同网络下的多标准覆盖。
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。基站系统作为无线通信系统中最大的能耗来源，必须对当前的基站体系架构进行有效的改进，以实现向绿色通信的演进。
本文所介绍的基于软件无线电技术的新型基站架构，能够有效地降低基站机房的数量，并能合理的利用基带的处理资源，提高基站设备的利用率。此外，由于软件无线电技术灵活可扩展的特点，使得基站系统在维护和升级时变得更为灵活方便，从而极大地降低维护和升级成本。我们希望，新的基站架构可以为基站系统的绿色演进提供一个方向，更好地促进无线通信向更低能耗更高能效的绿色方向发展。
5 参考文献[1] 李少谦. 移动通信运营对绿色通信的技术需求 [C]//绿色革命的移动无线通信会议论文集, 2009.
[2] MITOLA III J. The Software Radio [C]//Proceedings of 1992 IEEE National
Telesystems Conference (NTC'92), May 19-20,1992, Washington, DC, USA. Piscatawaw,
NJ,
USA:IEEE,
1992.
[3] Overview of SDR Market -
Trends & Potential [R/OL]. [2010-10-16]. http://WWW.telecoms. com/11871/Overview-of-sdr-market.
[4] 陶小峰, 戴佐俊, 唐超, 等. 广义蜂窝网络结构及切换模式——群小区及群切换 [J]. 电子学报, 2004,32(12A): 114-117.
[5] TAN K, ZHANG J, FANG J, et al. Sora: High Performance Software Radio Using General Purpose Multi-Core Processors [C]//Proceedings of the 6st USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation
(NSDI'09),
Apr 22-24,2009, Boston, MA,USA. Berkeley, CA, USA: USENIX Association, 2009: 75-90.
[6] 黄宇红. C-RAN无线接入网绿色演进白皮书 [R]. 北京: 中国移动通信研究院, 2010.
[7] LI Yuxiang, FANG Ji, TAN Kun, et al. Demo Proposal: High Performance Software Radios based on Sora Platform [C]//Proceedings of the 15th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking
(MobiCom'09), Sep 20-25, 2009,
Beijing, China. New York,
NY,USA:ACM, 2009.
[8] 3GPP TS 36.201-820. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):
Long Term Evolution (LTE):
Physical layer:
General description [S]. 2009.
[9] GOLDSMITH A. 无线通信 [M]. 杨鸿文, 李卫东, 郭文斌, 等译. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

收稿日期：2010-09-18
作者简介
侯延昭，北京邮电大学通信与信息系统在读硕士研究生；主要研究领域为未来移动通信网络下的物理层关键技术及实现。
陶小峰，北京邮电大学教授、博士生导师；主要研究领域为无线通信基础理论的研究及实践；已承担10项国家级基金项目，发表论文119 篇（其中SCI、EI、ISTP 检索论文95 篇）。