無線通信系統(tǒng)中的軟基站技術(shù)

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)，同時需要充當(dāng)傳輸路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)，為多個站點(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，基站還需要支持在多種傳輸介質(zhì)同時進(jìn)行分路傳輸，如以太網(wǎng)和E1同時接入，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。互聯(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，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)動下設(shè)備廠商會從全軟基帶到半軟基帶、并向ASIC遷移，同時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ETSI的ORI也借用了CPRI的底層定義。

CPRI規(guī)范分成兩個層次，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犧牲一點(diǎn)承載效率，也可能會提高一些復(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)。各個功能業(yè)務(wù)能夠動態(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。