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摘要:無線網絡的耗能主要來自于基站系統。對無線通信系統中的基站系統結構進行有效地規(guī)劃和部署，能達到降低能源消耗、實現綠色通信的目的。軟件無線電技術的發(fā)展為無線基站的綠色演進提供了途徑�；谲浖䶮o線電技術，文章提出一種可以有效提高通信系統能效、更為綠色環(huán)保的基站體系結構，能夠更好地實現無線通信系統的綠色演進。
關鍵字:綠色通信；軟件無線電；云計算；協作式無線電
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(fā)展，無線通信網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(guī)模建設，2G網絡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(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(fā)展的無線通信業(yè)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(fā)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(fā)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(fā)和調試的復雜度，具有更好的靈活性和可擴展性�；诟咝阅蹽PP的SDR系統能極大地節(jié)省系統的硬件成本和人力成本[3]。在倡導綠色節(jié)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(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量和面積。基于高性能GPP的SDR技術的發(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。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(qū)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(jié)約建設成本，也方便了動態(tài)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(qū)架構轉化而來。在群小區(qū)架構中，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)構成一個群小區(qū)[4]。該移動組網策略突破了傳統蜂窩組網結構，實現了小區(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�；鶐У奶幚砣客ㄟ^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(yōu)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(yōu)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(guī)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(yōu)勢。
