基于FPGA的加速無線通信系統(tǒng)軟基站設(shè)計過程詳解 (2)

無線通信系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，各制式出現(xiàn)融合的趨勢。同時運營商降低采購和運營成本的需求，使得支持多種制式、平滑演進的“軟基站”成為無線基站演進的方向。文章對無線通信系統(tǒng)軟基站的相關(guān)技術(shù)背景進行了介紹，并對實際軟基站的架構(gòu)設(shè)計思想、系統(tǒng)模塊構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)等進行了提綱挈領(lǐng)地分析。文章指出未來軟基站將繼續(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。

對于平面：

(1) 主要的差異在于各制式有不同的時鐘需求。

(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，但是因為各個制式I/Q數(shù)據(jù)的速率各不相同，如果實現(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的能力，是軟基站實現(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基帶單元上采用成熟的數(shù)字鎖相環(huán)并產(chǎn)生各個頻點，從而在公共資源平面上基本屏蔽制式的差異。

在軟件方面，軟基站需要實現(xiàn)多種制式平滑演進、共存并保證多制式間互不干擾，實現(xiàn)傳輸鏈路和主控/時鐘備份能力，并實現(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)成云計算的一個重要技術(shù)基礎(chǔ)。借助虛擬化技術(shù)，用戶將可以在單一計算機硬件中安裝多個操作系統(tǒng)(虛擬機)，并實現(xiàn)多重任務(wù)處理，從而達到節(jié)省IT開支和高速處理計算任務(wù)等目的[9]。通過虛擬可實現(xiàn)動態(tài)的資源部署和重配置，滿足業(yè)務(wù)擴展的需求，也可實現(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，多制式并存時會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，多個不同制式業(yè)務(wù)運行在獨立的虛擬空間中，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。這樣就可以實現(xiàn)多?；镜慕y(tǒng)一管理，并能夠?qū)Χ鄻I(yè)務(wù)進行獨立的升級維護，為運營商提供了靈活的制式擴展能力。

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了傳輸接口承載、協(xié)議終結(jié)、路由轉(zhuǎn)換、內(nèi)部節(jié)點管理、甚至多節(jié)點網(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)，同時需要充當傳輸路由節(jié)點、匯聚節(jié)點，為多個站點提供傳輸服務(wù)。

為了應(yīng)對復雜的傳輸組網(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Γ?a target="_blank">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) 采用標準化傳輸協(xié)議棧?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)等標準組織開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇，獨立于網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境提供了標準化的高層協(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IP無線基站，實現(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?；局惺嵌嘀剖綐I(yè)務(wù)的公共資源。在軟基站上需要能夠通過傳輸配置實現(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，基站從最初實現(xiàn)二層交換協(xié)議，逐步發(fā)展到實現(xiàn)三層路由協(xié)議以滿足日益復雜的組網(wǎng)需求。同時，基站不僅僅只作為傳輸葉節(jié)點，而是集路由管理節(jié)點和協(xié)議終結(jié)節(jié)點為一體，甚至部分代替多協(xié)議標簽交換(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)等多樣的實現(xiàn)方式，這些方式各存在優(yōu)缺點。

經(jīng)過FPGA、DSP技術(shù)，以及基帶處理實現(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中實現(xiàn)硬加速器，DSP陣列中實現(xiàn)復雜算法，并采用高速的SRIO交換平面實現(xiàn)DSP陣列、FPGA之間的互聯(lián)，就可以提供強大的基帶處理能力，實現(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(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。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，并實現(xiàn)靈活的資源擴展，也是亟待研究的課題。

隨著業(yè)務(wù)實現(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準演進的能力和業(yè)務(wù)遷移的靈活性。

6 基帶射頻接口

基帶射頻接口標準中，由于實現(xiàn)簡單、實現(xiàn)經(jīng)濟性好、帶寬利用率高等一系列優(yōu)點，CPRI得到了廣泛的認可和應(yīng)用。OBRI或歐洲電信標準化協(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，但是在層一進行過于細節(jié)的定義，其實并不利于實現(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)點到點傳輸?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承載效率，也可能會提高一些復雜度，但是從無線產(chǎn)品演進以及靈活性的角度看，這樣的代價還是非常值得的。

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)將堅定地走向IP化、IT化。基站將走向開放標準?；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，并能夠自動進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。隨著未來幾年內(nèi)標準的逐步完善，及在基站設(shè)備中的實現(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，形成均衡負載處理。最近熱門的“云計算” 技術(shù)也是分布式計算、并行計算、網(wǎng)格計算等演變而來，通過大型服務(wù)器的集中運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，甚至對實現(xiàn)跨基站的分布式處理提供技術(shù)支撐，實現(xiàn)資源配置的優(yōu)化并降低能耗，實現(xiàn)綠色基站。