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.
英文關鍵字:green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio
基金項目：國家自然科學基金(60902041、61072076、61002017)
隨著無線通信技術的不斷演進，新的通信制式的不斷出現和升級以及移動通信寬帶化的不斷發展，無線通信網面臨越來越大的能耗挑戰。為了滿足不斷增長的無線寬帶業務及空中流量需求，移動通信運營商不斷增加空中接口帶寬和基站的數量。隨之而來，無線接入網的能源消耗問題變得日益嚴重。如今，中國3G網絡設施正大規模建設，2G網絡仍將長期存在并繼續增長，伴隨而來的是持續不斷的網絡能源消耗。據統計，無線通信系統中，約80%的能耗來自基站系統。網絡規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、建設集約型社會的今天，有必要提出一種新的基站體系架構，在滿足不斷發展的無線通信業務的基礎上，提高基站設備的能效，降低基站的建設和維護成本，實現無線通信能耗的最小化。
1 綠色無線通信的新型基站架構
1.1 基于高性能通用處理器的軟件無線電技術
軟件無線電(SDR)技術是目前最新的也是發展較快的無線通信技術之一。SDR誕生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2]。SDR技術采用了開放的模塊化結構，基帶處理功能可以通過不同的軟件模塊來實現。軟件可以隨著器件和技術的發展不斷更新或擴展。當前，軟件無線電主要通過現場可編程門陣列(FPGA)、數字信號處理器(DSP)、通用處理器(GPP)實現。與傳統的基于FPGA以及DSP的SDR相比，基于高性能GPP的SDR系統可以降低通信系統開發和調試的復雜度，具有更好的靈活性和可擴展性。基于高性能GPP的SDR系統能極大地節省系統的硬件成本和人力成本[3]。在倡導綠色節能的今天，基于高性能GPP的SDR技術將在無線通信中占據越來越重要的地位。
1.2 基于軟件無線電的新型基站架構
基于高性能GPP的SDR技術的發展，為基站的綠色演進提供了一條有效途徑。針對無線系統大發展帶來的能耗挑戰，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量和面積。基于高性能GPP的SDR技術的發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。在無線通信系統的綠色演進過程中，為更好地實現基站處理資源的共享，并提高基站系統的集成度，降低基站的占地面積，我們將整個無線通信網絡的接入網系統與基站子系統分離開來。覆蓋一定區域的全部基站設備集中起來，形成一個統一的基帶處理池。這樣不僅減小了基站的數量和占地面積，節約建設成本，也方便了動態靈活地進行基站處理資源的調度。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絡。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成本。
這種基站架構由群小區架構轉化而來。在群小區架構中，地理位置相鄰的多個小區，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構成一個群小區[4]。該移動組網策略突破了傳統蜂窩組網結構，實現了小區域覆蓋向大區域覆蓋的飛躍。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，從而大大提高了基站系統的靈活性和可擴展性。
2 基于軟件無線電架構的基帶處理單元
2.1 新型基站架構的優勢
(1)成本低
與基于FPGA、DSP的基站基帶實現方案相比，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勢。例如，實現100 Mb/s數據吞吐量，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，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。軟件統一的代碼書寫規范及標準的庫函數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GFLOPS)卻在不斷的提升。GPP越來越突顯出低功耗高性能的優勢。
(3)設備利用率高
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，使得網絡能根據不同區域或時段的不均衡負荷(潮汐效應)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，提高基站設備的利用率。
(4)新技術應用速度加快
GPP的開發環境(如Windows/Linux)更為成熟通用。成熟的操作系統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和調試環境，使得系統設計時更為靈活，能大大減少開發和調試的工作量，節省人力成本，縮短開發周期。因此，對于飛速發展的無線通信新技術，如多入多出系統-正交頻分復用(MIMO-OFDM)、認知無線電等，可以在較短的時間內應用并部署到系統中，加速其產業化的進程。
2.2 新型基站架構面對的挑戰
基于軟件無線電架構的基帶處理單元在具有一系列優點的同時，也存在許多應用方面的挑戰和難題。
(1)基于GPP的實時數字信號處理的實現
通用處理器曾被認為僅能滿足低速數值運算及過程控制等數據處理。然而，隨著通用處理器技術的快速發展，GPP在處理能力和時延等方面能獲得良好的表現。基于GPP的數字信號處理優化增益如圖3所示。在LTE的基帶算法實現中[7]，經代碼優化后的系統吞吐量有了明顯的增益，但像Turbo信道譯碼(LogMAP算法)等復雜度較高的算法實現的處理增益仍不是很理想。隨著無線新技術的不斷應用，其實現的復雜度也越來越高，因此，利用GPP技術進行高效的數字信號處理仍是該基站架構實現的關鍵。
(2)高速接口及傳輸技術的實現
協作處理技術是實現更高頻譜效率的關鍵。為了支持協作式多點處理技術，用戶數據和上行/下行信道信息都需要在多個基站之間共享。基站之間的接口必須支持高帶寬低時延的傳輸以及保證實時的協作處理。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的基站單元必須在保證時延和開銷的情況下設計更為有效的信息共享方案，以滿足實時協作處理的需求。
(3)多標準、可擴展的公共算法庫的開發
當前TD-SCDMA、CDMA2000、GSM、WCDMA、LTE等多種通信制式共存，且世界上大多數的主流運營商都同時擁有多個網絡。多頻段、多制式網絡的并行運營致使設備、機房及配套設施難以共享，不僅嚴重浪費基礎設施資源，也給網絡優化和維護帶來很大困難，網絡運營成本和能源消耗更是居高不下。因此，網絡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，以實現多標準網絡的綠色運營。多模基站成為降低網絡建設和維護成本最有效最直接的方式。在基于高性能GPP的新型基站系統中，需要針對不同的通信協議設計不同的算法庫，并能支持不同標準間的靈活切換，支持諸如GSM/TD-SCDMA/LTE等通信協議以及MU-MIMO、CoMP等新型關鍵技術。
2.3 基于高性能GPP的LTE系統
本文依據3GPP 36系列規定的LTE標準[8]，實現了3GPP LTE上下行鏈路。鏈路具體參數如表1所示。
該系統采用含4個處理核、主頻為3.2 GHz、支持雙線程的商用CPU作為數字信號處理平臺的核心。系統載波頻率為2.3 GHz，載波帶寬為20 MHz，采用LTE規定的OFDM調制。基于高性能GPP的LTE演示系統如圖4所示。圖右側PC為發端，中間的PC為收端，左側PC主要完成信號分析功能。
在該演示系統中，采用的是1發1收的天線，實現的上行峰值速率為43 Mb/s，并進行了高清視頻(HDTV)的現場實時傳輸。
我們認為，隨著通用處理器技術的不斷發展，基于高性能通用處理器的SDR系統可以滿足未來無線通信中對實時數字信號處理的要求以及無線新技術的應用。在此基礎上，本文基于高性能GPP的LTE系統的未來研究將集中于對MIMO、CoMP等新技術的實際系統應用。
3 未來的研究課題
3.1 動態資源分配和協作式無線處理
蜂窩系統中小區的用戶數量以及用戶的信道增益都是動態變化的。蜂窩系統的業務已從單一的語音業務轉向多媒體數據業務。為了支持不同的業務類型，對用戶的資源分配必須更為靈活。基站必須根據當前系統的狀態和用戶的需求，動態地決定信道分配、數據速率和發送功率[9]。而基于OFDM的蜂窩小區間是干擾受限的，不能簡單地依靠增加發射功率來提高邊緣用戶的性能，因此，需設計有效的多小區聯合資源分配和協作式多點傳輸技術來解決上述問題。
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的基站架構的主要研究內容。該架構下，無線網絡將基帶處理單元(BBU)和遠端射頻單元(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，用于覆蓋不同區域的RRU信號的基帶處理。傳統的RRU的信號只能傳輸到其對應的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不同BBU數據的交互，以實現基帶處理資源的動態使用，進而提高設備利用率，降低電能損耗。
3.3 基于實時云的虛擬基站系統
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實現基帶信號處理。該架構為實時性的數字信號云處理提供了演進基礎。
一定范圍內的基于軟件無線電的新型基站通過高帶寬低時延的網絡互聯，形成一個巨大的云計算基帶處理池。與傳統的云計算不同，該虛擬基站所進行的基帶處理任務是實時的，在滿足處理時延的要求下，動態地分配處理負荷，并實現不同網絡下的多標準覆蓋。
4 結束語
目前，“綠色”成為人們越來越關注的焦點，綠色節能已成為當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。基站系統作為無線通信系統中最大的能耗來源，必須對當前的基站體系架構進行有效的改進，以實現向綠色通信的演進。
本文所介紹的基于軟件無線電技術的新型基站架構，能夠有效地降低基站機房的數量，并能合理的利用基帶的處理資源，提高基站設備的利用率。
由于軟件無線電技術靈活可擴展的特點，使得基站系統在維護和升級時變得更為靈活方便，從而極大地降低維護和升級成本。我們希望，新的基站架構可以為基站系統的綠色演進提供一個方向，更好地促進無線通信向更低能耗更高能效的綠色方向發展。
5 參考文獻
[1] 李少謙. 移動通信運營對綠色通信的技術需求 [C]//綠色革命的移動無線通信會議論文集, 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. 廣義蜂窩網絡結構及切換模式——群小區及群切換 [J]. 電子學報, 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] 黃宇紅. C-RAN無線接入網綠色演進白皮書 [R]. 北京: 中國移動通信研究院, 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. 無線通信 [M]. 楊鴻文, 李衛東, 郭文斌, 等譯. 北京: 人民郵電出版社, 2007.
侯延昭，北京郵電大學通信與信息系統在讀碩士研究生；主要研究領域為未來移動通信網絡下的物理層關鍵技術及實現。
陶小峰，北京郵電大學教授、博士生導師；主要研究領域為無線通信基礎理論的研究及實踐；已承擔10項國家級基金項目，發表論文119 篇(其中SCI、EI、ISTP 檢索論文95 篇)。