面向綠色無(wú)線通信的基站體系結(jié)構(gòu)

摘要:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的耗能主要來(lái)自于基站系統(tǒng)。對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)中的基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地規(guī)劃和部署，能達(dá)到降低能源消耗、實(shí)現(xiàn)綠色通信的目的。軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展為無(wú)線基站的綠色演進(jìn)提供了途徑�；�于軟件無(wú)線電技術(shù)，文章提出一種可以有效提高通信系統(tǒng)能效、更為綠色環(huán)保的基站體系結(jié)構(gòu)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的綠色演進(jìn)。

關(guān)鍵字:綠色通信；軟件無(wú)線電；云計(jì)算；協(xié)作式無(wú)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(guān)鍵字:green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio
 
　　基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60902041、61072076、61002017)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，新的通信制式的不斷出現(xiàn)和升級(jí)以及移動(dòng)通信寬帶化的不斷發(fā)展，無(wú)線通信網(wǎng)面臨越來(lái)越大的能耗挑戰(zhàn)。為了滿足不斷增長(zhǎng)的無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)及空中流量需求，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商不斷增加空中接口帶寬和基站的數(shù)量。隨之而來(lái)，無(wú)線接入網(wǎng)的能源消耗問(wèn)題變得日益嚴(yán)重。如今，中國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)施正大規(guī)模建設(shè)，2G網(wǎng)絡(luò)仍將長(zhǎng)期存在并繼續(xù)增長(zhǎng)，伴隨而來(lái)的是持續(xù)不斷的網(wǎng)絡(luò)能源消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，無(wú)線通信系統(tǒng)中，約80%的能耗來(lái)自基站系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的快速膨脹帶來(lái)了基站耗能的快速上升，年增長(zhǎng)為30%～40%[1]。

因此，在提倡綠色通信、建設(shè)集約型社會(huì)的今天，有必要提出一種新的基站體系架構(gòu)，在滿足不斷發(fā)展的無(wú)線通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，提高基站設(shè)備的能效，降低基站的建設(shè)和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信能耗的最小化。

1 綠色無(wú)線通信的新型基站架構(gòu)

1.1 基于高性能通用處理器的軟件無(wú)線電技術(shù)

軟件無(wú)線電(SDR)技術(shù)是目前最新的也是發(fā)展較快的無(wú)線通信技術(shù)之一。SDR誕生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2]。SDR技術(shù)采用了開(kāi)放的模塊化結(jié)構(gòu)，基帶處理功能可以通過(guò)不同的軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展不斷更新或擴(kuò)展。當(dāng)前，軟件無(wú)線電主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、通用處理器(GPP)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的基于FPGA以及DSP的SDR相比，基于高性能GPP的SDR系統(tǒng)可以降低通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度，具有更好的靈活性和可擴(kuò)展性�；�于高性能GPP的SDR系統(tǒng)能極大地節(jié)省系統(tǒng)的硬件成本和人力成本[3]。在倡導(dǎo)綠色節(jié)能的今天，基于高性能GPP的SDR技術(shù)將在無(wú)線通信中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

1.2 基于軟件無(wú)線電的新型基站架構(gòu)

基于高性能GPP的SDR技術(shù)的發(fā)展，為基站的綠色演進(jìn)提供了一條有效途徑。針對(duì)無(wú)線系統(tǒng)大發(fā)展帶來(lái)的能耗挑戰(zhàn)，我們認(rèn)為，降低能耗的最有效最直接的方式是降低基站機(jī)房的數(shù)量和面積�；�于高性能GPP的SDR技術(shù)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(gòu)。在無(wú)線通信系統(tǒng)的綠色演進(jìn)過(guò)程中，為更好地實(shí)現(xiàn)基站處理資源的共享，并提高基站系統(tǒng)的集成度，降低基站的占地面積，我們將整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)系統(tǒng)與基站子系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)。覆蓋一定區(qū)域的全部基站設(shè)備集中起來(lái)，形成一個(gè)統(tǒng)一的基帶處理池。這樣不僅減小了基站的數(shù)量和占地面積，節(jié)約建設(shè)成本，也方便了動(dòng)態(tài)靈活地進(jìn)行基站處理資源的調(diào)度。此外，遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元(RRU)和天線形成一個(gè)高容量廣覆蓋的分布式無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)。RRU靈巧輕便，便于安裝和維護(hù)，可以大范圍高密度地使用，能有效地降低接入網(wǎng)成本。

這種基站架構(gòu)由群小區(qū)架構(gòu)轉(zhuǎn)化而來(lái)。在群小區(qū)架構(gòu)中，地理位置相鄰的多個(gè)小區(qū)，針對(duì)一個(gè)移動(dòng)終端采用同一套通信資源(例如頻率、時(shí)隙或碼道)進(jìn)行通信，而針對(duì)其他移動(dòng)終端分別采用不同套的通信資源進(jìn)行通信。采取這種通信方式的多個(gè)小區(qū)構(gòu)成一個(gè)群小區(qū)[4]。該移動(dòng)組網(wǎng)策略突破了傳統(tǒng)蜂窩組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)域覆蓋向大區(qū)域覆蓋的飛躍。將基站集中起來(lái)，可以更好地進(jìn)行處理資源的分配和共享。基帶的處理全部通過(guò)可編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了基站系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

2 基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的基帶處理單元

2.1 新型基站架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

(1)成本低

與基于FPGA、DSP的基站基帶實(shí)現(xiàn)方案相比，基于軟件無(wú)線電的基帶處理單元在成本上具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。例如，實(shí)現(xiàn)100 Mb/s數(shù)據(jù)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(wàn)人民幣；而若用一片6核CPU實(shí)現(xiàn)，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(tái)通過(guò)C匯編代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件統(tǒng)一的代碼書(shū)寫規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)接口使得代碼可以在不同平臺(tái)之間進(jìn)行移植，從而非常方便推廣和應(yīng)用[5]。

(2)能耗低

圖2所示為通用處理器近7年來(lái)在處理能力以及功耗方面的技術(shù)進(jìn)展[6]�？煽闯雒窟M(jìn)行10億次浮點(diǎn)運(yùn)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(jìn)行的10億次浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)GFLOPS)卻在不斷的提升。GPP越來(lái)越突顯出低功耗高性能的優(yōu)勢(shì)。