無線通信系統(tǒng)中的軟基站技術(shù)概述

短短的十余年內(nèi)，移動通訊發(fā)展出2G/3G/4G三代制式及10余種標(biāo)準(zhǔn)體制。同時，多種制式的網(wǎng)絡(luò)將長期共存。長期以來，各設(shè)備商都采用一種制式對應(yīng)一種基站的設(shè)計模式，導(dǎo)致運營商投資巨大、運維困難。

運營商需要基站同時支持2G/3G并后續(xù)向4G平滑升級來保護(hù)設(shè)備投資，并需要各種制式的基站表現(xiàn)為一個網(wǎng)絡(luò)以降低總體運營成本。當(dāng)今移動通信市場競爭日趨激烈，實現(xiàn)高性能的多模軟基站對在全球市場競爭中脫穎而出具有決定性的意義；但由于各制式間相差巨大，它的實現(xiàn)面臨大量實現(xiàn)難題而一直停留在紙面。中興通訊通過多年的研究與開發(fā)，全球首家推出了多模軟基站，并通過大量的創(chuàng)新技術(shù)，在無線整體性能上實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先。

文章將對軟基站，主要是基帶單元的架構(gòu)與實現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 業(yè)界的努力

移動網(wǎng)絡(luò)正加快向ALL IP的演進(jìn)，第三代合作伙伴計劃(3GPP)、3GPP2、電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)等國際標(biāo)準(zhǔn)組織相繼提出了基于ALL IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。NodeB在4G的演進(jìn)中，架構(gòu)演變?yōu)楸馄交辉儆袀鹘y(tǒng)的接入側(cè)的協(xié)議匯聚終結(jié)點，轉(zhuǎn)而接入開放的傳輸網(wǎng)絡(luò)。隨著多制式共存、網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展，在無線網(wǎng)絡(luò)控制器/基站控制器(RNC/BSC)出現(xiàn)了Iur-g接口定義[1-2] ，NodeB和RNC之間、NodeB內(nèi)部通訊也都走向了標(biāo)準(zhǔn)化和開放化。Abis接口、Iub接口和基帶射頻接口也從各個廠家的私有定義，逐步轉(zhuǎn)變到開放標(biāo)準(zhǔn)。

無線接入側(cè)的IP化、IT化也已形成一種趨勢。IT業(yè)界的思想和技術(shù)在通訊設(shè)備上大量應(yīng)用，如分布式數(shù)據(jù)庫、點對點(P2P)技術(shù)、虛擬化、云計算等。這些技術(shù)以往主要針對大型服務(wù)器或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存儲、交互、處理，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更均衡。

開放式基站架構(gòu)聯(lián)盟(OBSAI) [3]由多個廠商共同構(gòu)建，目標(biāo)是搭建一個開放的基站架構(gòu)。OBSAI架構(gòu)基本上能夠描述基站架構(gòu)的一般形態(tài)，但是從實現(xiàn)角度看，其結(jié)構(gòu)不夠小型化、架構(gòu)不夠緊湊、先進(jìn)性不足，也沒有被設(shè)備商實際采用。OBSAI RP03接口[4]（基帶射頻接口）雖然面向各種制式提供了較高的靈活性，并向更高的速率演進(jìn)，但是因為其實現(xiàn)復(fù)雜、承載效率較低（有效帶寬只有84%）、物理實現(xiàn)不夠經(jīng)濟(jì)等原因，只在少量廠家被應(yīng)用。

微型通信計算架構(gòu)(MicroTCA)[5-6]是由國際PCI工業(yè)計算機制造組織(PICMG)協(xié)會制定的開放式計算架構(gòu)。MicroTCA重點在于實現(xiàn)技術(shù)，定義了包括結(jié)構(gòu)尺寸、電源架構(gòu)、機框管理、交換平面等一系列的實現(xiàn)方案。MicroTCA架構(gòu)能夠被用于高性能嵌入式計算、通信、物理學(xué)等多個領(lǐng)域，但是標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，工程實現(xiàn)存在困難，并且在通信領(lǐng)域的應(yīng)用中，其架構(gòu)從配置成本、適用性方面還需改進(jìn)。中興通訊的軟基站系統(tǒng)基于MicroTCA標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了許多改進(jìn)和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)實現(xiàn)。

通用公共射頻接口(CPRI)[7]是針對基帶射頻接口定義的規(guī)范，各設(shè)備廠家基本上都使用了CPRI規(guī)范。在CPRI的基礎(chǔ)上，運營商組成的下一代移動通信網(wǎng)(NGMN)定義了開放基帶射頻接口(OBRI)，對幀格式等進(jìn)行了進(jìn)一步的定義，并努力向軟件接口統(tǒng)一。

除了以上一些開放標(biāo)準(zhǔn)之外，還有中國移動為TD制定的Ir接口等其他一些規(guī)范，進(jìn)行設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

上述標(biāo)準(zhǔn)向統(tǒng)一架構(gòu)做出了一些努力，但距離實現(xiàn)多模共存的軟基站還有相當(dāng)大的距離。近年來，半導(dǎo)體技術(shù)、軟件技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使軟基站能夠從紙面走向現(xiàn)實。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展使“軟基帶”逐漸可行；處理器技術(shù)使處理能力不會再嚴(yán)重制約架構(gòu)定義；總線串聯(lián)/解串器技術(shù)能在有限的連接下提供很高的帶寬，并能簡化系統(tǒng)架構(gòu)；軟件中開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議大量應(yīng)用，加速了多制式在架構(gòu)上和接口上的融合；云計算等分布式技術(shù)理論的應(yīng)用為軟件可配置化提供了方向。

2 軟基站的整體構(gòu)架

支持多種制式、平滑演進(jìn)的軟基站，要從宏觀上對各種產(chǎn)品的實現(xiàn)進(jìn)行高度的抽象和總結(jié)，將其公共部分提取出來，設(shè)計高度統(tǒng)一的架構(gòu)。無線基站的組成如圖1所示。

從整個基站的角度看，室內(nèi)基帶處理單元(BBU)、射頻單元(RU)要能夠兼容多種制式業(yè)務(wù)，同時將Iub（Abis）、Ir兩個接口標(biāo)準(zhǔn)化，屏蔽產(chǎn)品形態(tài)和制式的差異，才能滿足軟基站的要求。Iub接口已經(jīng)逐步標(biāo)準(zhǔn)化，信道化E1等方式逐步被IP化所取代，使得2G、3G基站能夠在Iub/Abis口上走向統(tǒng)一。Ir接口有CPRI、OBSAI等標(biāo)準(zhǔn)可循，宏觀上可以統(tǒng)一。技術(shù)問題主要存在于針對各制式及應(yīng)用場景的實現(xiàn)上。

從BBU內(nèi)部來看，可以將功能劃分成如圖2所示的四大部分：

通過對功能模塊的分解抽象，我們把BBU的架構(gòu)實現(xiàn)分解成3個平面：公共資源平面、業(yè)務(wù)交換平面、I/Q交換平面。如圖3所示。

以上兩種劃分方式，實際上是不精確的，各部分之間的邊界也可能模糊，但是便于對架構(gòu)進(jìn)行研究。

從功能模塊劃分來看，傳輸可以被各制式共享，可以認(rèn)為和制式無關(guān)；主控、時鐘、電源部分也可認(rèn)為和制式無關(guān)（時鐘和制式相關(guān)）；基帶處理、射頻接口部分，和制式相關(guān)。軟基站的實現(xiàn)，必須將和制式相關(guān)的部分分解到更細(xì)的顆粒，在更細(xì)的顆粒上盡量做到無制式區(qū)別；對于無法消除制式特性的部分，需要進(jìn)行封裝，外特性屏蔽制式區(qū)別。

對于平面：

(1) 主要的差異在于各制式有不同的時鐘需求。

(2) 采用成熟的千兆以太網(wǎng)(GE)或者快速以太網(wǎng)(FE)交換平面，軟件統(tǒng)一內(nèi)部協(xié)議，這樣可易于形成統(tǒng)一的交換平面。

(3) 采用Serdes方式可以從架構(gòu)上消除制式的差異，但是因為各個制式I/Q數(shù)據(jù)的速率各不相同，如果實現(xiàn)多模共存可配置，必須再通過一定方式的封裝，屏蔽制式的差異。

3 公共資源

實現(xiàn)公用資源管理與無線業(yè)務(wù)的無關(guān)性，使基站具備支持多制式的能力，以及通過軟件配置平滑演進(jìn)的能力，是軟基站實現(xiàn)的關(guān)鍵課題。

在硬件方面，軟基站主要的問題是各種制式分別具有不同的時鐘，所用的碼片速率有1.2288 MHz、3.84MHz、44.8 MHz、13 MHz（以及這些頻率的倍頻或分頻）等。選取122.88 MHz的公共頻率，可以很容易地在各個基帶單元上采用成熟的數(shù)字鎖相環(huán)并產(chǎn)生各個頻點，從而在公共資源平面上基本屏蔽制式的差異。

在軟件方面，軟基站需要實現(xiàn)多種制式平滑演進(jìn)、共存并保證多制式間互不干擾，實現(xiàn)傳輸鏈路和主控/時鐘備份能力，并實現(xiàn)軟件可配置、可自由加載/卸載無線制式。中興通訊借鑒了準(zhǔn)虛擬化和操作系統(tǒng)虛擬化在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用[8]的思想，并優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了可軟件配置的軟基站系統(tǒng)。

虛擬化是目前IT行業(yè)的熱門技術(shù)，也是構(gòu)成云計算的一個重要技術(shù)基礎(chǔ)。借助虛擬化技術(shù)，用戶將可以在單一計算機硬件中安裝多個操作系統(tǒng)(虛擬機)，并實現(xiàn)多重任務(wù)處理，從而達(dá)到節(jié)省IT開支和高速處理計算任務(wù)等目的[9]。通過虛擬可實現(xiàn)動態(tài)的資源部署和重配置，滿足業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求，也可實現(xiàn)較完善的業(yè)務(wù)隔離和劃分、對數(shù)據(jù)和服務(wù)可控和安全的訪問，還可以通過虛擬資源提供與物理資源無關(guān)的接口和協(xié)議的兼容性。

傳統(tǒng)的基站中，無線業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)庫管理、設(shè)備管理、告警管理、版本管理、傳輸管理和控制等相互耦合，多制式并存時會存在多種限制和沖突。通過構(gòu)造虛擬化的設(shè)備管理層，可以將無線業(yè)務(wù)與設(shè)備管理解耦，對無線業(yè)務(wù)屏蔽基站的公用設(shè)備管理，提供基站統(tǒng)一的設(shè)備管理操作。同時，多個不同制式業(yè)務(wù)運行在獨立的虛擬空間中，無需感知其他業(yè)務(wù)的存在，可以靈活地增加和刪減制式。這樣就可以實現(xiàn)多模基站的統(tǒng)一管理，并能夠?qū)Χ鄻I(yè)務(wù)進(jìn)行獨立的升級維護(hù)，為運營商提供了靈活的制式擴(kuò)展能力。