軟基站技術(shù)運(yùn)用于無(wú)線通信

短短的十余年內(nèi)，移動(dòng)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(shí)，多種制式的網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期共存。長(zhǎng)期以來(lái)，各設(shè)備商都采用一種制式對(duì)應(yīng)一種基站的設(shè)計(jì)模式，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商投資巨大、運(yùn)維困難。例如，僅中國(guó)移動(dòng)基站建設(shè)一項(xiàng)投資規(guī)模即達(dá)數(shù)千億元。

運(yùn)營(yíng)商需要基站同時(shí)支持2G/3G并后續(xù)向4G平滑升級(jí)來(lái)保護(hù)設(shè)備投資，并需要各種制式的基站表現(xiàn)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)以降低總體運(yùn)營(yíng)成本。當(dāng)今移動(dòng)通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，實(shí)現(xiàn)高性能的多模軟基站對(duì)在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)面臨大量實(shí)現(xiàn)難題而一直停留在紙面。中興通訊通過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，全球首家推出了多模軟基站，并通過(guò)大量的創(chuàng)新技術(shù)，在無(wú)線整體性能上實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先。文章將對(duì)軟基站，主要是基帶單元的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 業(yè)界的努力

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)正加快向ALL IP的演進(jìn)，第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)、3GPP2、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE) 等國(guó)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(diǎn)，轉(zhuǎn)而接入開(kāi)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(wú)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(kāi)放化。Abis接口、Iub接口和基帶射頻接口也從各個(gè)廠家的私有定義，逐步轉(zhuǎn)變到開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線接入側(cè)的IP化、IT化也已形成一種趨勢(shì)。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(kù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)技術(shù)、虛擬化、云計(jì)算等。這些技術(shù)以往主要針對(duì)大型服務(wù)器或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交互、處理，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更均衡。

開(kāi)放式基站架構(gòu)聯(lián)盟(OBSAI) [3]由多個(gè)廠商共同構(gòu)建，目標(biāo)是搭建一個(gè)開(kāi)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(shí)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(méi)有被設(shè)備商實(shí)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?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)復(fù)雜、承載效率較低（有效帶寬只有 84%）、物理實(shí)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(jì)算架構(gòu)(MicroTCA)[5-6]是由國(guó)際PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造組織(PICMG)協(xié)會(huì)制定的開(kāi)放式計(jì)算架構(gòu)。MicroTCA重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)技術(shù)，定義了包括結(jié)構(gòu)尺寸、電源架構(gòu)、機(jī)框管理、交換平面等一系列的實(shí)現(xiàn)方案。MicroTCA架構(gòu)能夠被用于高性能嵌入式計(jì)算、通信、物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，但是標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，工程實(shí)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(shí)現(xiàn)。

通用公共射頻接口(CPRI)[7]是針對(duì)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(yùn)營(yíng)商組成的下一代移動(dòng)通信網(wǎng)(NGMN)定義了開(kāi)放基帶射頻接口(OBRI)，對(duì)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(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)之外，還有中國(guó)移動(dòng)為T(mén)D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(shí)現(xiàn)多模共存的軟基站還有相當(dāng)大的距離。近年來(lái)，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(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)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(huì)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(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)；軟件中開(kāi)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(jì)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(duì)各種產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行高度的抽象和總結(jié)，將其公共部分提取出來(lái)，設(shè)計(jì)高度統(tǒng)一的架構(gòu)。無(wú)線基站的組成如圖1所示。

從整個(gè)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(shí)將Iub（Abis）、Ir兩個(gè)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(wèn)題主要存在于針對(duì)各制式及應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)上。

從BBU內(nèi)部來(lái)看，可以將功能劃分成如圖2所示的四大部分：

通過(guò)對(duì)功能模塊的分解抽象，我們把BBU的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)分解成3個(gè)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(shí)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(duì)架構(gòu)進(jìn)行研究。

從功能模塊劃分來(lái)看，傳輸可以被各制式共享，可以認(rèn)為和制式無(wú)關(guān)；主控、時(shí)鐘、電源部分也可認(rèn)為和制式無(wú)關(guān)（時(shí)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(shí)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(wú)制式區(qū)別；對(duì)于無(wú)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(duì)于平面：

(1) 主要的差異在于各制式有不同的時(shí)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?yàn)楦鱾€(gè)制式I/Q數(shù)據(jù)的速率各不相同，如果實(shí)現(xiàn)多模共存可配置，必須再通過(guò)一定方式的封裝，屏蔽制式的差異。

3 公共資源

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

在硬件方面，軟基站主要的問(wèn)題是各種制式分別具有不同的時(shí)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(gè)基帶單元上采用成熟的數(shù)字鎖相環(huán)并產(chǎn)生各個(gè)頻點(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)傳輸鏈路和主控/時(shí)鐘備份能力，并實(shí)現(xiàn)軟件可配置、可自由加載/卸載無(wú)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(mén)技術(shù)，也是構(gòu)成云計(jì)算的一個(gè)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(jì)算機(jī)硬件中安裝多個(gè)操作系統(tǒng)(虛擬機(jī))，并實(shí)現(xiàn)多重任務(wù)處理，從而達(dá)到節(jié)省IT開(kāi)支和高速處理計(jì)算任務(wù)等目的[9]。通過(guò)虛擬可實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)較完善的業(yè)務(wù)隔離和劃分、對(duì)數(shù)據(jù)和服務(wù)可控和安全的訪問(wèn)，還可以通過(guò)虛擬資源提供與物理資源無(wú)關(guān)的接口和協(xié)議的兼容性。

傳統(tǒng)的基站中，無(wú)線業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)會(huì)存在多種限制和沖突。通過(guò)構(gòu)造虛擬化的設(shè)備管理層，可以將無(wú)線業(yè)務(wù)與設(shè)備管理解耦，對(duì)無(wú)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(shí)，多個(gè)不同制式業(yè)務(wù)運(yùn)行在獨(dú)立的虛擬空間中，無(wú)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(shí)現(xiàn)

如果要使得CPRI適于傳輸多種不同制式，就需要考慮細(xì)化分層，并在底層的空口數(shù)據(jù)容器AxC(Antenna Carrier)大小定義上考慮I/Q數(shù)據(jù)的容量適配，但在使用上要做到與制式無(wú)關(guān)，在傳輸過(guò)程中只考慮無(wú)制式AxC的傳輸，而不關(guān)心I/Q向AxC映射的方式、制式、采樣的信息等。只在無(wú)法忽略制式差異的兩端（也就是基帶調(diào)制解調(diào)和中頻處理）才看到制式數(shù)據(jù)。這樣在部分情況下可能會(huì)犧牲一點(diǎn)承載效率，也可能會(huì)提高一些復(fù)雜度，但是從無(wú)線產(chǎn)品演進(jìn)以及靈活性的角度看，這樣的代價(jià)還是非常值得的。

7 軟基站未來(lái)的趨勢(shì)

軟基站的架構(gòu)形態(tài)，會(huì)走向多模，扁平化架構(gòu)，尤其是多模軟基站，對(duì)“軟”技術(shù)提出了更高的要求，需要提供更為豐富的軟件服務(wù)。軟件服務(wù)內(nèi)容從單純的傳統(tǒng)基站業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向集成傳輸，集成控制器，集成路由器等多種功能角色為一體，并從固定功能服務(wù)轉(zhuǎn)向了可配置的，可選擇定制的服務(wù)方向。

目前的軟基站硬件架構(gòu)已基本能夠滿足多業(yè)務(wù)共存的需要。未來(lái)軟基站將繼續(xù)向集成度更高、基帶資源調(diào)配更靈活、傳輸方式更豐富、成本更低、節(jié)能更環(huán)保幾個(gè)方向發(fā)展。

未來(lái)軟件技術(shù)將堅(jiān)定地走向IP化、IT化?；緦⒆呦蜷_(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)?；窘尤腴_(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)后，未來(lái)的IP網(wǎng)絡(luò)安全性將受到更多的關(guān)注；未來(lái)軟基站將更多地提供智能化、分布式以及虛擬化的相關(guān)技術(shù)，通過(guò)此類技術(shù)靈活地組合基站功能，并逐步完成基站的負(fù)載均衡：

(1) SON等技術(shù)的橫空出世，對(duì)于基站的管理方式是一種革新。自發(fā)現(xiàn)、自下載、自配置，使接入網(wǎng)能夠便利地加入或刪除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并能夠自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。隨著未來(lái)幾年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，及在基站設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)，軟基站的智能化能力將會(huì)大幅提高。

(2) 分布式數(shù)據(jù)處理模型及技術(shù)的應(yīng)用，可以解決以往基站模型中存儲(chǔ)空間及處理資源瓶頸，將不均衡的業(yè)務(wù)處理分布化，形成均衡負(fù)載處理。最近熱門(mén)的“云計(jì)算” 技術(shù)也是分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算等演變而來(lái)[10]，通過(guò)大型服務(wù)器的集中運(yùn)算能力來(lái)提供云服務(wù)，并將這些概念走向商業(yè)化。盡管最終走向云服務(wù)尚需時(shí)日，但是對(duì)于云計(jì)算的基本理論可以在基站中借鑒和應(yīng)用。

(3)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，會(huì)進(jìn)一步抽象基站的功能劃分，形成處理器資源池和數(shù)據(jù)處理池的二層簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。各個(gè)功能業(yè)務(wù)能夠動(dòng)態(tài)地分配到具有空閑處理能力的單板上，甚至對(duì)實(shí)現(xiàn)跨基站的分布式處理提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)資源配置的優(yōu)化并降低能耗，實(shí)現(xiàn)綠色基站。