隨著人們對無線業(yè)務(wù)的需求越來越高，無線通信技術(shù)的發(fā)展也變得更加日新月異。未來無線通信正朝著低碳、健康、高效的綠色通信方向演進(jìn)。綠色無線通信是經(jīng)濟(jì)低碳化的一個(gè)重要組成部分，日益受到關(guān)注。無線通信的指標(biāo)是以滿足通信容量為目標(biāo)的功率效率和頻譜效率，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)大多側(cè)重于頻譜效率，而綠色無線通信則需在側(cè)重功率效率的同時(shí)，兼顧功率效率與頻譜效率的折中。本文介紹了綠色無線通信的現(xiàn)狀，分析了無線通信系統(tǒng)體系構(gòu)架對于發(fā)展綠色通信的重要性，提出了基于多域協(xié)同研究綠色無線通信系統(tǒng)體系構(gòu)架的有效方法，并在此基礎(chǔ)上初步探討了綠色無線通信系統(tǒng)體系構(gòu)架的技術(shù)。

　　1 綠色無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線電技術(shù)

　　SDR （Software Definition Radio）， "軟件定義的無線電",一種無線電廣播通信技術(shù)，它基于軟件定義的無線通信協(xié)議而非通過硬連線實(shí)現(xiàn)。換言之，頻帶、空中接口協(xié)議和功能可通過軟件和更新來升級，而不用完全更換硬件。SDR 針對構(gòu)建多模式、多頻和多功能無線通信設(shè)備的問題提供有效而安全的解決方案。SDR 能夠重新編程或重新配置，從而通過動(dòng)態(tài)加載新的波形和協(xié)議可使用不同的波形和協(xié)議操作。這些波形和協(xié)議包含各種不同的部分，包括調(diào)制技術(shù)、在軟件中定義為波形本身的一部分的安全和性能特性。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，從20世紀(jì)90年代初開始，軟件無線電（Software Radio）的概念開始廣泛流行起來。由于多種數(shù)字無線通信標(biāo)準(zhǔn)共存，如GSM、CDMA-IS95等，每一種制式對其手機(jī)都有不同的要求，不同制式間的手機(jī)無法互連互通。為了解決這個(gè)問題，軟件無線電方案提出將2MHz~2000MHz的空中信號全部收下來進(jìn)行抽樣、量化，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號用軟件處理。換句話說，就是把空中所有可能存在的無線通信信號全部收下來進(jìn)行數(shù)字化處理，從而與任何一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)的基站進(jìn)行通信。從理論上說，使用軟件無線電技術(shù)的手機(jī)與任何一種無線通信制式都兼容。

　　1.2 基于軟件無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。針對無線系統(tǒng)大發(fā)展帶來的能耗挑戰(zhàn)，我們認(rèn)為，降低能耗的有效直接的方式是降低基站機(jī)房的數(shù)量和面積?；诟咝阅蹽PP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)。在無線通信系統(tǒng)的綠色演進(jìn)過程中，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)分離開來。覆蓋一定區(qū)域的全部基站設(shè)備集中起來，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。在群小區(qū)架構(gòu)中，地理位置相鄰的多個(gè)小區(qū)，針對一個(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)。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，可以更好地進(jìn)行處理資源的分配和共享?；鶐У奶幚砣客ㄟ^可編程軟件來實(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

　　（1）成本低

　　與基于FPGA、DSP的基站基帶實(shí)現(xiàn)方案相比，基于軟件無線電的基帶處理單元在成本上具有十分顯著的優(yōu)勢。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的處理方式。高性能GPP-SDR平臺(tái)通過C匯編代碼來實(shí)現(xiàn)。軟件統(tǒng)一的代碼書寫規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(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。

　?。?）能耗低

　　圖2所示為通用處理器近7年來在處理能力以及功耗方面的技術(shù)進(jìn)展[6].可看出每進(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越來越突顯出低功耗高性能的優(yōu)勢。

　　（3）設(shè)備利用率高

　　集中式的基帶處理單元一個(gè)顯著特點(diǎn)是處理資源可靈活分配，使得網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)不同區(qū)域或時(shí)段的不均衡負(fù)荷（潮汐效應(yīng)）來分配基帶處理資源，從而可以更有效地利用基帶處理資源，提高基站設(shè)備的利用率。

　?。?）新技術(shù)應(yīng)用速度加快

　　GPP的開發(fā)環(huán)境（如Windows/Linux）更為成熟通用。成熟的操作系統(tǒng)可以提供靈活的線程提取、核間通信和存儲(chǔ)器管理，加之直觀熟悉的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更為靈活，能大大減少開發(fā)和調(diào)試的工作量，節(jié)省人力成本，縮短開發(fā)周期。因此，對于飛速發(fā)展的無線通信新技術(shù)，如多入多出系統(tǒng)-正交頻分復(fù)用（MIMO-OFDM）、認(rèn)知無線電等，可以在較短的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用并部署到系統(tǒng)中，加速其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

　　2.2 新型基站架構(gòu)面對的挑戰(zhàn)

　　基于軟件無線電架構(gòu)的基帶處理單元在具有一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在許多應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)和難題。

　?。?）基于GPP的實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)

　　通用處理器曾被認(rèn)為僅能滿足低速數(shù)值運(yùn)算及過程控制等數(shù)據(jù)處理。然而，隨著通用處理器技術(shù)的快速發(fā)展，GPP在處理能力和時(shí)延等方面能獲得良好的表現(xiàn)?；贕PP的數(shù)字信號處理優(yōu)化增益如圖3所示。在LTE的基帶算法實(shí)現(xiàn)中[7],經(jīng)代碼優(yōu)化后的系統(tǒng)吞吐量有了明顯的增益，但像Turbo信道譯碼（LogMAP算法）等復(fù)雜度較高的算法實(shí)現(xiàn)的處理增益仍不是很理想。隨著無線新技術(shù)的不斷應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也越來越高，因此，利用GPP技術(shù)進(jìn)行高效的數(shù)字信號處理仍是該基站架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

　?。?）高速接口及傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　協(xié)作處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)更高頻譜效率的關(guān)鍵。為了支持協(xié)作式多點(diǎn)處理技術(shù)，用戶數(shù)據(jù)和上行/下行信道信息都需要在多個(gè)基站之間共享。基站之間的接口必須支持高帶寬低時(shí)延的傳輸以及保證實(shí)時(shí)的協(xié)作處理。目前，基站間采用X2接口的處理時(shí)延在20 ms左右，如此大的共享信息傳輸時(shí)延會(huì)影響聯(lián)合處理的增益，并帶來較大的處理開銷。因此，基于軟件無線電架構(gòu)的基站單元必須在保證時(shí)延和開銷的情況下設(shè)計(jì)更為有效的信息共享方案，以滿足實(shí)時(shí)協(xié)作處理的需求。

　　（3）多標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的公共算法庫的開發(fā)

　　當(dāng)前TD-SCDMA、CDMA2000、GSM、WCDMA、LTE等多種通信制式共存，且世界上大多數(shù)的主流運(yùn)營商都同時(shí)擁有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。多頻段、多制式網(wǎng)絡(luò)的并行運(yùn)營致使設(shè)備、機(jī)房及配套設(shè)施難以共享，不僅嚴(yán)重浪費(fèi)基礎(chǔ)設(shè)施資源，也給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)帶來很大困難，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本和能源消耗更是居高不下。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要尋找有效的途徑來控制整體擁有成本（TCO）和降低能耗，以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的綠色運(yùn)營。多?；境蔀榻档途W(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本有效直接的方式。在基于高性能GPP的新型基站系統(tǒng)中，需要針對不同的通信協(xié)議設(shè)計(jì)不同的算法庫，并能支持不同標(biāo)準(zhǔn)間的靈活切換，支持諸如GSM/TD-SCDMA/LTE等通信協(xié)議以及MU-MIMO、CoMP等新型關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.3 基于高性能GPP的LTE系統(tǒng)

　　本文依據(jù)3GPP 36系列規(guī)定的LTE標(biāo)準(zhǔn)[8],實(shí)現(xiàn)了3GPP LTE上下行鏈路。鏈路具體參數(shù)如表1所示。

　　該系統(tǒng)采用含4個(gè)處理核、主頻為3.2 GHz、支持雙線程的商用CPU作為數(shù)字信號處理平臺(tái)的。系統(tǒng)載波頻率為2.3 GHz,載波帶寬為20 MHz,采用LTE規(guī)定的OFDM調(diào)制?；诟咝阅蹽PP的LTE演示系統(tǒng)如圖4所示。圖右側(cè)PC為發(fā)端，中間的PC為收端，左側(cè)PC主要完成信號分析功能。

　　在該演示系統(tǒng)中，采用的是1發(fā)1收的天線，實(shí)現(xiàn)的上行峰值速率為43 Mb/s,并進(jìn)行了高清視頻（HDTV）的現(xiàn)場實(shí)時(shí)傳輸。

　　我們認(rèn)為，隨著通用處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，基于高性能通用處理器的SDR系統(tǒng)可以滿足未來無線通信中對實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理的要求以及無線新技術(shù)的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，本文基于高性能GPP的LTE系統(tǒng)的未來研究將集中于對MIMO、CoMP等新技術(shù)的實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用。

　　3 未來的研究課題

　　3.1 動(dòng)態(tài)資源分配和協(xié)作式無線處理

　　蜂窩系統(tǒng)中小區(qū)的用戶數(shù)量以及用戶的信道增益都是動(dòng)態(tài)變化的。蜂窩系統(tǒng)的業(yè)務(wù)已從單一的語音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了支持不同的業(yè)務(wù)類型，對用戶的資源分配必須更為靈活?；颈仨毟鶕?jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)和用戶的需求，動(dòng)態(tài)地決定信道分配、數(shù)據(jù)速率和發(fā)送功率[9].而基于OFDM的蜂窩小區(qū)間是干擾受限的，不能簡單地依靠增加發(fā)射功率來提高邊緣用戶的性能，因此，需設(shè)計(jì)有效的多小區(qū)聯(lián)合資源分配和協(xié)作式多點(diǎn)傳輸技術(shù)來解決上述問題。

　　3.2 集中式基帶處理池

　　集中式基帶處理池是基于軟件無線電技術(shù)的基站架構(gòu)的主要研究內(nèi)容。該架構(gòu)下，無線網(wǎng)絡(luò)將基帶處理單元（BBU）和遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）分離，并將多個(gè)BBU集中起來，形成一個(gè)集中式的基帶處理池，用于覆蓋不同區(qū)域的RRU信號的基帶處理。傳統(tǒng)的RRU的信號只能傳輸?shù)狡鋵?yīng)的BBU中，不同的BBU并不能接收其他RRU的信號。不同BBU的處理負(fù)荷不均衡極大地降低了基帶處理資源的利用率。因此，集中式基帶池需要解決的是：提供一個(gè)大容量低時(shí)延的交換器實(shí)現(xiàn)不同BBU數(shù)據(jù)的交互，以實(shí)現(xiàn)基帶處理資源的動(dòng)態(tài)使用，進(jìn)而提高設(shè)備利用率，降低電能損耗。

　　3.3 基于實(shí)時(shí)云的虛擬基站系統(tǒng)

　　集中式的基帶處理池建立在高性能通用處理器上，通過軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)基帶信號處理。該架構(gòu)為實(shí)時(shí)性的數(shù)字信號云處理提供了演進(jìn)基礎(chǔ)。

　　一定范圍內(nèi)的基于軟件無線電的新型基站通過高帶寬低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，形成一個(gè)巨大的云計(jì)算基帶處理池。與傳統(tǒng)的云計(jì)算不同，該虛擬基站所進(jìn)行的基帶處理任務(wù)是實(shí)時(shí)的，在滿足處理時(shí)延的要求下，動(dòng)態(tài)地分配處理負(fù)荷，并實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)下的多標(biāo)準(zhǔn)覆蓋。

　　4 結(jié)束語

　　目前，"綠色"成為人們越來越關(guān)注的焦點(diǎn)，綠色節(jié)能已成為當(dāng)今世界的主題話題之一。無線通信界勢必也要向綠色的方向不斷演進(jìn)?；鞠到y(tǒng)作為無線通信系統(tǒng)中的能耗來源，必須對當(dāng)前的基站體系架構(gòu)進(jìn)行有效的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)向綠色通信的演進(jìn)。

　　本文所介紹的基于軟件無線電技術(shù)的新型基站架構(gòu)，能夠有效地降低基站機(jī)房的數(shù)量，并能合理的利用基帶的處理資源，提高基站設(shè)備的利用率。

　　由于軟件無線電技術(shù)靈活可擴(kuò)展的特點(diǎn)，使得基站系統(tǒng)在維護(hù)和升級時(shí)變得更為靈活方便，從而極大地降低維護(hù)和升級成本。我們希望，新的基站架構(gòu)可以為基站系統(tǒng)的綠色演進(jìn)提供一個(gè)方向，更好地促進(jìn)無線通信向更低能耗更高能效的綠色方向發(fā)展。