從軟件無(wú)線電技術(shù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云

對(duì)于下一代無(wú)線接入網(wǎng)，如何靈活地支持不同的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，如何更好地提高系統(tǒng)資源利用率，如何滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的系統(tǒng)計(jì)算及I/O需求，都將是無(wú)線基站，乃至整個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

在IT工業(yè)界的快速推動(dòng)下，多核通用處理器的技術(shù)與性能不斷提升，從而使得基于IT通用平臺(tái)的軟件無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能，亦使IT工業(yè)與無(wú)線工業(yè)的發(fā)展得到融合。

不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)線與IT的融合是關(guān)鍵。以Power多核處理器為例，通過(guò)基于IT通用架構(gòu)的軟件無(wú)線電基站設(shè)計(jì)，其中蘊(yùn)藏著眾多的技術(shù)挑戰(zhàn)。針對(duì)未來(lái)的無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架，IBM提出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云，以云計(jì)算的技術(shù)來(lái)支撐未來(lái)的軟件無(wú)線電基站池。

無(wú)線與IT融合的挑戰(zhàn)

IBM發(fā)布了2010年的全球技術(shù)展望，其中，無(wú)線與IT的融合是重要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。我們看到由于無(wú)線的流量的快速增長(zhǎng)而服務(wù)的質(zhì)量不斷提升，將對(duì)有限的頻譜資源及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來(lái)極大的壓力。

這種壓力體現(xiàn)為：第一，整個(gè)的處理都變得十分復(fù)雜，需要有很強(qiáng)的計(jì)算資源;第二，需要有高可擴(kuò)展的基站間的協(xié)作;第三，需要不斷地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的利用率。

圖1 單載波需求

所以，有兩種IT的基本技術(shù)可以服務(wù)于無(wú)線架構(gòu)的發(fā)展，第一是多核處理器，多核處理器可以用于通用處理器的軟件無(wú)線電技術(shù);第二，是可擴(kuò)展的云架構(gòu)，它將成為未來(lái)作為無(wú)線接入網(wǎng)的可能架構(gòu)，即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云。

無(wú)線基站發(fā)展趨勢(shì)要從兩個(gè)方面來(lái)看。第一，無(wú)線基站對(duì)于單個(gè)載波的發(fā)展，從第二代、第三代和第四代無(wú)線通訊各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)載波的處理能力將是LTE advanced 10M的2×2MIMO的20倍，需要的計(jì)算是十分驚人的。

到2015年，一個(gè)3扇區(qū)的無(wú)線基站需要4500GIPS的計(jì)算能力和120Gbps的I/O接口能力。意味著如果使用現(xiàn)有的DSP芯片大概需要300片。對(duì)于硬件或者軟件都將是個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，相當(dāng)具有挑戰(zhàn)。

多核通用處理器

從圖2中可以看到黑色的線標(biāo)示的通用處理器在單芯片的處理能力逐年增長(zhǎng)。以IBM的Power Server多核通用處理器和先進(jìn)的DSP進(jìn)行對(duì)比，可以看出多核通用處理器的優(yōu)勢(shì)，具體如下：

較強(qiáng)的單線程處理能力

Power 7 vs. Leading DSP = ~6x

有利于降低單線程的處理時(shí)延。

較強(qiáng)的單芯片性能

Power 7 vs. Leading DSP = ~17x

有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)

較強(qiáng)的多芯片互聯(lián)能力

Power 7 x 32 sockets =》7000GFLOPS

有利于簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)

由于通用處理器的強(qiáng)大單芯片的處理能力帶來(lái)了硬件和軟件上的簡(jiǎn)化，同時(shí)由于在性能和功耗比上的不斷提升，多核通用處理器逐漸能和DSP媲美。除了這些特點(diǎn)以外，通用處理器也有其他的優(yōu)勢(shì)，比如使軟件開(kāi)發(fā)可獨(dú)立于硬件和可提供豐富的編程環(huán)境和更大的開(kāi)發(fā)者團(tuán)體等。

基于IT的軟件無(wú)線電技術(shù)

什么是基于IT的軟件無(wú)線電技術(shù)呢?軟件無(wú)線電技術(shù)提了很多年，但一直實(shí)現(xiàn)在DSP、FPGA這樣專(zhuān)用的硬件芯片和系統(tǒng)中，這里我們要討論的是應(yīng)用通用的多核處理器芯片，基于IT的開(kāi)放架構(gòu)和平臺(tái)來(lái)支撐無(wú)線系統(tǒng)的基帶的處理部分，能讓目前軟件定義的無(wú)線電進(jìn)一步發(fā)展到理想的軟件無(wú)線電。

這樣的好處有，第一，對(duì)滿(mǎn)足不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求，具有高靈活性和高可擴(kuò)展性。第二，以一種高性?xún)r(jià)比的方法來(lái)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就是一個(gè)高信價(jià)比的平臺(tái)。第三，因?yàn)槭荌T平臺(tái)，所以增值應(yīng)用可以容易部署于邊緣。比如不同的通信系統(tǒng)可以部署在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)中。第四，為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)快速孵化產(chǎn)業(yè)鏈，這涉及到比如頻譜的覆蓋等等。

用這樣的想法是不是構(gòu)建的基站系統(tǒng)就沒(méi)有什么技術(shù)的挑戰(zhàn)?其實(shí)不然，在基站基帶處理中，約85%為物理層處理，我們追求在單個(gè)處理器核中，物理層的處理吞吐量是否能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的需求。其實(shí)整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)是一個(gè)硬實(shí)時(shí)的系統(tǒng)，有采樣器在前面，要求處理器系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)的性能，這本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)。

通用處理器的挑戰(zhàn)包括，如何使高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧用于支持高吞吐量的I/Q 數(shù)據(jù) (1Gbps~10Gbps)。如何控制抖動(dòng)，在多線程的環(huán)境下保證實(shí)時(shí)性能，如MAC層。如何控制抖動(dòng)，以滿(mǎn)足與遠(yuǎn)端射頻頭實(shí)時(shí)同步，并延時(shí)縮短。如何合理化數(shù)據(jù)隊(duì)列設(shè)計(jì)，在一個(gè)多層設(shè)計(jì)中，保證低時(shí)延，尤其在LTE advanced的4G系統(tǒng)中，對(duì)時(shí)延的要求很?chē)?yán)格。如何在通用操作系統(tǒng)上支持實(shí)時(shí)性能也是我們要考慮的。

當(dāng)我們綜合所有的問(wèn)題之后，搭建出的成功平臺(tái)才能真正支撐無(wú)線基站。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云

除了基于IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)基站系統(tǒng)，未來(lái)接入網(wǎng)的架構(gòu)也值得關(guān)注，因?yàn)楝F(xiàn)在遠(yuǎn)端射頻頭的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而把基帶集中化處理也是一個(gè)未來(lái)的趨勢(shì)?；谶@樣的一個(gè)趨勢(shì)，如果把集中化基站池中的基站都使用通用的IT平臺(tái)支撐，那么未來(lái)可能基于IT的資源池可以支撐起未來(lái)的無(wú)線接入網(wǎng)，這就引發(fā)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云的概念。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云的核心思想是使用云計(jì)算的技術(shù)和通用計(jì)算資源池來(lái)支撐未來(lái)無(wú)線接入網(wǎng)所有的基帶處理。圖3中所示為抽象的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云的架構(gòu)，前端是分布在城市中的RRU，很多處理節(jié)點(diǎn)相連，并有同步的時(shí)鐘使得節(jié)點(diǎn)同步。

圖2 處理器性能與功耗

圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云(1)

未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云中，在同一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，我們可以使用虛擬化的技術(shù)來(lái)支撐起一個(gè)個(gè)以軟件形式體現(xiàn)的虛擬基站。這包括兩個(gè)部分，第一部分是Hypervisor，這是一套系統(tǒng)軟件，為虛擬基站提供實(shí)時(shí)性能，第二部分是虛擬基站本身要支持的無(wú)線協(xié)議，比如LTE協(xié)議棧、CDMA協(xié)議棧。

總體的系統(tǒng)管理將會(huì)針對(duì)各個(gè)虛擬站的系統(tǒng)資源進(jìn)行靈活地調(diào)配，比如基站之間的協(xié)作。具體情況如圖4所示。[!--empirenews.page--]

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云的技術(shù)挑戰(zhàn)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云的實(shí)現(xiàn)包含了諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，具體包含以下幾項(xiàng)：

基站服務(wù)器與RRH之間的定時(shí)同步

在實(shí)時(shí)環(huán)境中的系統(tǒng)資源分配

基于通用操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和抖動(dòng)控制

打破傳統(tǒng)“固定”設(shè)計(jì)的，高效的并行編程模型

在混合系統(tǒng)中，如何共享一些特殊的處理資源，如硬件加速器

在多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，如何嚴(yán)格控制時(shí)延

基于以太網(wǎng)和操作系統(tǒng)的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)這些系統(tǒng)級(jí)的挑戰(zhàn)，IBM中國(guó)研究院致力于為業(yè)界推動(dòng)這個(gè)趨勢(shì)和克服這些技術(shù)挑戰(zhàn)，繪制未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云的美好藍(lán)圖，并通過(guò)開(kāi)源項(xiàng)目的合作推動(dòng)基于IT多核通用處理器的軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展。

在這個(gè)過(guò)程中，IBM搭建虛擬基站池(virtual base station pool)的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示?；境貙⒒谕ㄓ锰幚砥骱屯ㄓ肐T平臺(tái)。在同一個(gè)基于IT的軟件無(wú)線電平臺(tái)上支持 LTE advanced、 TD-SCDMA 和 GSM并支持基站間的協(xié)作處理(collaborative MIMO)。

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云(2)

圖5 虛擬基站池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)案例

總結(jié)

無(wú)線與IT融合的趨勢(shì)需要一個(gè)多學(xué)科多領(lǐng)域的合作才能夠達(dá)成。技術(shù)的推動(dòng)是至關(guān)重要的，例如電子工程中無(wú)線算法的并行化設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)中操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程模型和并行計(jì)算等這些復(fù)雜的系統(tǒng)的推進(jìn)。

在功耗上，通用處理器確實(shí)目前不占優(yōu)勢(shì)。但在基于這樣的靈活的資源池的基礎(chǔ)上，可以推動(dòng)業(yè)界的創(chuàng)新研究。

無(wú)線和IT的融合不僅是IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不僅僅是無(wú)線的發(fā)展，開(kāi)放的未來(lái)架構(gòu)才是我們更需要關(guān)注和推動(dòng)的課題。