無線通信系統(tǒng)中的軟基站技術(shù)

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)將長期共存。長期以來，各設(shè)備商都采用一種制式對應(yīng)一種基站的設(shè)計(jì)模式，導(dǎo)致運(yùn)營商投資巨大、運(yùn)維困難。

運(yùn)營商需要基站同時(shí)支持2G/3G并后續(xù)向4G平滑升級來保護(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)營成本。當(dāng)今移動(dòng)通信市場競爭日趨激烈，實(shí)現(xiàn)高性能的多模軟基站對在全球市場競爭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。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)場可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理(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各制式及應(yīng)用場景的實(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)立的升級維護(hù)，為運(yùn)營商提供了靈活的制式擴(kuò)展能力。[!--empirenews.page--]

4 傳輸

近年來接入網(wǎng)與傳輸網(wǎng)的融合呈現(xiàn)出加速的趨勢，三層路由協(xié)議以及以太網(wǎng)管理協(xié)議在基站側(cè)的需求逐步增加。接入設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)云中越來越多地承擔(dān)了傳輸接口承載、協(xié)議終結(jié)、路由轉(zhuǎn)換、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)管理、甚至多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理的作用。近年來，更是涌現(xiàn)了自發(fā)現(xiàn)，自配置等智能化相關(guān)的綜合性技術(shù)。

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長和網(wǎng)絡(luò)逐步開放，無線基站比以往承擔(dān)了更多的角色，不但要為終端用戶提供語音，數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)需要充當(dāng)傳輸路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)，為多個(gè)站點(diǎn)提供傳輸服務(wù)。

為了應(yīng)對復(fù)雜的傳輸組網(wǎng)和傳輸協(xié)議，軟基站需要具備如下能力：

(1) 內(nèi)置多樣的傳輸能力?；静渴鸬膱龅赝芟拗疲瑫r(shí)需要適應(yīng)局方已經(jīng)部署的各種傳輸方式。軟基站需要內(nèi)置多樣化傳輸?shù)哪芰?，如微波，無源光纖網(wǎng)絡(luò)(PON)，E1/T1，同步傳輸模塊1(STM-1)、以太網(wǎng)等多種傳輸介質(zhì)，并能夠提供靈活的組網(wǎng)方式。同時(shí)，基站還需要支持在多種傳輸介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行分路傳輸，如以太網(wǎng)和E1同時(shí)接入，以太網(wǎng)承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，E1承載語音業(yè)務(wù)。

(2) 采用標(biāo)準(zhǔn)化傳輸協(xié)議棧?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)等標(biāo)準(zhǔn)組織開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇，獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境提供了標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，能夠滿足基站多種制式并存、互聯(lián)互通的需求。從2002年起，中興通訊即開始研發(fā)全I(xiàn)P無線基站，實(shí)現(xiàn)了IP over E1和FE接入多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)彈性分組數(shù)據(jù)環(huán)技術(shù)(MSTP RPR)的過渡組網(wǎng)方式。對于逐步走向開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，軟基站需要更加注重傳輸管理和傳輸安全，提供Internet 協(xié)議安全性(IPSec)（數(shù)字證書管理，部署）和IPv6等解決方案，以及802.3ah等以太網(wǎng)管理協(xié)議。

(3) 傳輸資源的統(tǒng)一管理。傳輸資源在多模基站中是多制式業(yè)務(wù)的公共資源。在軟基站上需要能夠通過傳輸配置實(shí)現(xiàn)多種傳輸方式共存，以及不同業(yè)務(wù)在共傳輸下的帶寬的QoS調(diào)度、帶寬流控等功能。

(4) 接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)融合。隨著向4G的發(fā)展，基站從最初實(shí)現(xiàn)二層交換協(xié)議，逐步發(fā)展到實(shí)現(xiàn)三層路由協(xié)議以滿足日益復(fù)雜的組網(wǎng)需求。同時(shí)，基站不僅僅只作為傳輸葉節(jié)點(diǎn)，而是集路由管理節(jié)點(diǎn)和協(xié)議終結(jié)節(jié)點(diǎn)為一體，甚至部分代替多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)邊緣路由器，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的部署成本。

5 軟基帶

從各制式看，除CDMA2000核心技術(shù)基本為Qualcomm壟斷，基帶調(diào)制解調(diào)采用專用集成電路(ASIC)之外，其他各種通信制式基帶實(shí)現(xiàn)均呈現(xiàn)多樣化，各設(shè)備廠商形成了包括ASIC、數(shù)字信號處理(DSP)、DSP+ASIC、數(shù)字信號處理+現(xiàn)場可編程門陣列(DSP+FPGA)等多樣的實(shí)現(xiàn)方式，這些方式各存在優(yōu)缺點(diǎn)。

經(jīng)過FPGA、DSP技術(shù)，以及基帶處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)多年的發(fā)展，通過更換軟件（包括現(xiàn)場可編程門陣列網(wǎng)表）、更換制式的軟基站已經(jīng)不是天方夜譚。在FPGA中實(shí)現(xiàn)硬加速器，DSP陣列中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，并采用高速的SRIO交換平面實(shí)現(xiàn)DSP陣列、FPGA之間的互聯(lián)，就可以提供強(qiáng)大的基帶處理能力，實(shí)現(xiàn)多種制式的處理。軟基帶技術(shù)在各個(gè)制式應(yīng)用主要的制約因素是實(shí)現(xiàn)成本。例如對于全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)(GSM)這樣成熟的、成本非常敏感的市場，對基帶處理能力要求不高，能夠承載長期演進(jìn)(LTE)業(yè)務(wù)的基帶硬件應(yīng)用于全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)將存在極大的資源浪費(fèi)。另外，統(tǒng)一的大基帶處理資源池在不同制式之間如何靈活的分配處理能力，并實(shí)現(xiàn)靈活的資源擴(kuò)展，也是亟待研究的課題。

隨著業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的固化，在成本壓力的驅(qū)動(dòng)下設(shè)備廠商會(huì)從全軟基帶到半軟基帶、并向ASIC遷移，同時(shí)也就逐步失去了隨標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的能力和業(yè)務(wù)遷移的靈活性。

6 基帶射頻接口

基帶射頻接口標(biāo)準(zhǔn)中，由于實(shí)現(xiàn)簡單、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性好、帶寬利用率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，CPRI得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。OBRI或歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ETSI的ORI也借用了CPRI的底層定義。

CPRI規(guī)范分成兩個(gè)層次，如圖4所示。層一包括了物理層傳輸、I/Q數(shù)據(jù)的時(shí)分復(fù)用(TDM)映射等，層2包括了控制信令等的定義。CPRI組織對UMTS/LTE等的I/Q格式進(jìn)行了規(guī)定，但是對GSM、CDMA2000的I/Q數(shù)據(jù)，可能是基于碼片速率的原因，沒有進(jìn)行規(guī)范。協(xié)議二層劃分原理上是能夠承載多業(yè)務(wù)的，但是在層一進(jìn)行過于細(xì)節(jié)的定義，其實(shí)并不利于實(shí)現(xiàn)多模式的軟基站。相對而言，OBSAI RP03的四層結(jié)構(gòu)就更加能夠適應(yīng)。如表1所示，在OBSAI RP03中，保證數(shù)據(jù)點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)膮f(xié)議層，均能做到與制式無關(guān)。

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關(guān)，在傳輸過程中只考慮無制式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 軟基站未來的趨勢

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“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。

未來軟件技術(shù)將堅(jiān)定地走向IP化、IT化?；緦⒆呦蜷_放標(biāo)準(zhǔn)?；窘尤腴_放的網(wǎng)絡(luò)后，未來的IP網(wǎng)絡(luò)安全性將受到更多的關(guān)注；未來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[10]，通過大型服務(wù)器的集中運(yùn)算能力來提供云服務(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。