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(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，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。

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(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(gè)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(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、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。

除了以上一些開放標(biāo)準(zhǔn)之外，還有中國(guó)移動(dòng)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(shí)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(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(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，設(shè)計(jì)高度統(tǒng)一的架構(gòu)。無線基站的組成如圖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)部來看，可以將功能劃分成如圖2所示的四大部分：

通過對(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(shí)鐘、電源部分也可認(rèn)為和制式無關(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制式區(qū)別；對(duì)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(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(shí)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(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(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開支和高速處理計(jì)算任務(wù)等目的[9]。通過虛擬可實(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，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(shí)會(huì)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(duì)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(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)多?；镜慕y(tǒng)一管理，并能夠?qū)Χ鄻I(yè)務(wù)進(jìn)行獨(dú)立的升級(jí)維護(hù)，為運(yùn)營(yíng)商提供了靈活的制式擴(kuò)展能力。