浅谈面向绿色无线通信的基站体系结构
发布时间：2015-07-03 11:27
无线网络的耗能主要来自于基站系统。对无线通信系统中的基站系统结构进行有效地规划和部署，能达到降低能源消耗、实现绿色通信的目的。软件无线电技术的发展为无线基站的绿色演进提供了途径。基于软件无线电技术，文章提出一种可以有效提高通信系统能效、更为绿色环保的基站体系结构，能够更好地实现无线通信系统的绿色演进。
绿色通信；软件无线电；云计算；协作式无线电
[abstract]:this paper examines green network technologies using cooperative coverage. energy consumption in wireless networks primarily derives from base station networks. therefore, to decrease energy consumption in line with green objectives, careful planning and deployment of base station infrastructure is necessary. radio software has developed rapidly in recent years, and provides a way of evolving networks in a green direction. this paper introduces a high energy efficient solution for base station systems that also facilitates green network evolution.
green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio
随着无线通信技术的不断演进，新的通信制式的不断出现和升级以及移动通信宽带化的不断发展，无线通信网面临越来越大的能耗挑战。为了满足不断增长的无线宽带业务及空中流量需求，移动通信运营商不断增加空中接口带宽和基站的数量。随之而来，无线接入网的能源消耗问题变得日益严重。如今，
2.2 新型基站架构面对的挑战
基于软件无线电架构的基带处理单元在具有一系列优点的同时，也存在许多应用方面的挑战和难题。
(1)基于gpp的实时数字信号处理的实现
通用处理器曾被认为仅能满足低速数值运算及过程控制等数据处理。然而，随着通用处理器技术的快速发展，gpp在处理能力和时延等方面能获得良好的表现。基于gpp的数字信号处理优化增益如图3所示。在lte的基带算法实现中[7]，经代码优化后的系统吞吐量有了明显的增益，但像turbo信道译码(logmap算法)等复杂度较高的算法实现的处理增益仍不是很理想。随着无线新技术的不断应用，其实现的复杂度也越来越高，因此，利用gpp技术进行高效的数字信号处理仍是该基站架构实现的关键。
(2)高速接口及传输技术的实现
协作处理技术是实现更高频谱效率的关键。为了支持协作式多点处理技术，用户数据和上行/下行信道信息都需要在多个基站之间共享。基站之间的接口必须支持高带宽低时延的传输以及保证实时的协作处理。目前，基站间采用x2接口的处理时延在20 ms左右，如此大的共享信息传输时延会影响联合处理的增益，并带来较大的处理开销。因此，基于软件无线电架构的基站单元必须在保证时延和开销的情况下设计更为有效的信息共享方案，以满足实时协作处理的需求。
(3)多标准、可扩展的公共算法库的开发
当前td-scdma、cdma2000、gsm、wcdma、lte等多种通信制式共存，且世界上大多数的主流运营商都同时拥有多个网络。多频段、多制式网络的并行运营致使设备、机房及配套设施难以共享，不仅严重浪费基础设施资源，也给网络优化和维护带来很大困难，网络运营成本和能源消耗更是居高不下。因此，网络运营商需要寻找有效的途径来控制整体拥有成本(tco)和降低能耗，以实现多标准网络的绿色运营。多模基站成为降低网络建设和维护成本最有效最直接的方式。在基于高性能gpp的新型基站系统中，需要针对不同的通信协议设计不同的算法库，并能支持不同标准间的灵活切换，支持诸如gsm/td-scdma/lte等通信协议以及mu-mimo、comp等新型关键技术。
2.3 基于高性能gpp的lte系统
本文依据3gpp 36系列规定的lte标准[8]，实现了3gpp lte上下行链路。链路具体参数如表1所示。
该系统采用含4个处理核、主频为3.2 ghz、支持双线程的商用cpu作为数字信号处理平台的核心。系统载波频率为2.3 ghz，载波带宽为20 mhz，采用lte规定的ofdm调制。基于高性能gpp的lte演示系统如图4所示。图右侧pc为发端，中间的pc为收端，左侧pc主要完成信号分析功能。
在该演示系统中，采用的是1发1收的天线，实现的上行峰值速率为43 mb/s，并进行了高清视频(hdtv)的现场实时传输。
我们认为，随着通用处理器技术的不断发展，基于高性能通用处理器的sdr系统可以满足未来无线通信中对实时数字信号处理的要求以及无线新技术的应用。在此基础上，本文基于高性能gpp的lte系统的未来研究将集中于对mimo、comp等新技术的实际系统应用。
3 未来的研究课题
3.1 动态资源分配和协作式无线处理
蜂窝系统中小区的用户数量以及用户的信道增益都是动态变化的。蜂窝系统的业务已从单一的语音业务转向多媒体数据业务。为了支持不同的业务类型，对用户的资源分配必须更为灵活。基站必须根据当前系统的状态和用户的需求，动态地决定信道分配、数据速率和发送功率[9]。而基于ofdm的蜂窝小区间是干扰受限的，不能简单地依靠增加发射功率来提高边缘用户的性能，因此，需设计有效的多小区联合资源分配和协作式多点传输技术来解决上述问题。
3.2 集中式基带处理池
集中式基带处理池是基于软件无线电技术的基站架构的主要研究内容。该架构下，无线网络将基带处理单元(bbu)和远端射频单元(rru)分离，并将多个bbu集中起来，形成一个集中式的基带处理池，用于覆盖不同区域的rru信号的基带处理。传统的rru的信号只能传输到其对应的bbu中，不同的bbu并不能接收其他rru的信号。不同bbu的处理负荷不均衡极大地降低了基带处理资源的利用率。因此，集中式基带池需要解决的是：提供一个大容量低时延的交换器实现不同bbu数据的交互，以实现基带处理资源的动态使用，进而提高设备利用率，降低电能损耗。
3.3 基于实时云的虚拟基站系统
集中式的基带处理池建立在高性能通用处理器上，通过软件无线电技术实现基带信号处理。该架构为实时性的数字信号云处理提供了演进基础。
一定范围内的基于软件无线电的新型基站通过高带宽低时延的网络互联，形成一个巨大的云计算基带处理池。与传统的云计算不同，该虚拟基站所进行的基带处理任务是实时的，在满足处理时延的要求下，动态地分配处理负荷，并实现不同网络下的多标准覆盖。
4 结束语
目前，“绿色”成为人们越来越关注的焦点，绿色节能已成为当今世界的主题话题之一。无线通信界势必也要向绿色的方向不断演进。基站系统作为无线通信系统中最大的能耗来源，必须对当前的基站体系架构进行有效的改进，以实现向绿色通信的演进。
本文所介绍的基于软件无线电技术的新型基站架构，能够有效地降低基站机房的数量，并能合理的利用基带的处理资源，提高基站设备的利用率。
由于软件无线电技术灵活可扩展的特点，使得基站系统在维护和升级时变得更为灵活方便，从而极大地降低维护和升级成本。我们希望，新的基站架构可以为基站系统的绿色演进提供一个方向，更好地促进无线通信向更低能耗更高能效的绿色方向发展。
5 参考文献
[1] 李少谦. 移动通信运营对绿色通信的技术需求 [c]//绿色革命的移动无线通信会议论文集, 2009.
[2] mitola iii j. the software radio [c]//proceedings of 1992 ieee national telesystems conference (ntc'92), may 19-20,1992, washington, dc, usa. piscatawaw, nj, usa:ieee, 1992.
[3] overview of sdr market - trends & potential [r/ol]. [2010-10-16]. ">
绿色通信；软件无线电；云计算；协作式无线电
[abstract]:this paper examines green network technologies using cooperative coverage. energy consumption in wireless networks primarily derives from base station networks. therefore, to decrease energy consumption in line with green objectives, careful planning and deployment of base station infrastructure is necessary. radio software has developed rapidly in recent years, and provides a way of evolving networks in a green direction. this paper introduces a high energy efficient solution for base station systems that also facilitates green network evolution.
green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio
随着无线通信技术的不断演进，新的通信制式的不断出现和升级以及移动通信宽带化的不断发展，无线通信网面临越来越大的能耗挑战。为了满足不断增长的无线宽带业务及空中流量需求，移动通信运营商不断增加空中接口带宽和基站的数量。随之而来，无线接入网的能源消耗问题变得日益严重。如今，
基于软件无线电架构的基带处理单元在具有一系列优点的同时，也存在许多应用方面的挑战和难题。
(1)基于gpp的实时数字信号处理的实现
通用处理器曾被认为仅能满足低速数值运算及过程控制等数据处理。然而，随着通用处理器技术的快速发展，gpp在处理能力和时延等方面能获得良好的表现。基于gpp的数字信号处理优化增益如图3所示。在lte的基带算法实现中[7]，经代码优化后的系统吞吐量有了明显的增益，但像turbo信道译码(logmap算法)等复杂度较高的算法实现的处理增益仍不是很理想。随着无线新技术的不断应用，其实现的复杂度也越来越高，因此，利用gpp技术进行高效的数字信号处理仍是该基站架构实现的关键。
(2)高速接口及传输技术的实现
协作处理技术是实现更高频谱效率的关键。为了支持协作式多点处理技术，用户数据和上行/下行信道信息都需要在多个基站之间共享。基站之间的接口必须支持高带宽低时延的传输以及保证实时的协作处理。目前，基站间采用x2接口的处理时延在20 ms左右，如此大的共享信息传输时延会影响联合处理的增益，并带来较大的处理开销。因此，基于软件无线电架构的基站单元必须在保证时延和开销的情况下设计更为有效的信息共享方案，以满足实时协作处理的需求。
(3)多标准、可扩展的公共算法库的开发
当前td-scdma、cdma2000、gsm、wcdma、lte等多种通信制式共存，且世界上大多数的主流运营商都同时拥有多个网络。多频段、多制式网络的并行运营致使设备、机房及配套设施难以共享，不仅严重浪费基础设施资源，也给网络优化和维护带来很大困难，网络运营成本和能源消耗更是居高不下。因此，网络运营商需要寻找有效的途径来控制整体拥有成本(tco)和降低能耗，以实现多标准网络的绿色运营。多模基站成为降低网络建设和维护成本最有效最直接的方式。在基于高性能gpp的新型基站系统中，需要针对不同的通信协议设计不同的算法库，并能支持不同标准间的灵活切换，支持诸如gsm/td-scdma/lte等通信协议以及mu-mimo、comp等新型关键技术。
2.3 基于高性能gpp的lte系统
本文依据3gpp 36系列规定的lte标准[8]，实现了3gpp lte上下行链路。链路具体参数如表1所示。
该系统采用含4个处理核、主频为3.2 ghz、支持双线程的商用cpu作为数字信号处理平台的核心。系统载波频率为2.3 ghz，载波带宽为20 mhz，采用lte规定的ofdm调制。基于高性能gpp的lte演示系统如图4所示。图右侧pc为发端，中间的pc为收端，左侧pc主要完成信号分析功能。
在该演示系统中，采用的是1发1收的天线，实现的上行峰值速率为43 mb/s，并进行了高清视频(hdtv)的现场实时传输。
我们认为，随着通用处理器技术的不断发展，基于高性能通用处理器的sdr系统可以满足未来无线通信中对实时数字信号处理的要求以及无线新技术的应用。在此基础上，本文基于高性能gpp的lte系统的未来研究将集中于对mimo、comp等新技术的实际系统应用。
3 未来的研究课题
3.1 动态资源分配和协作式无线处理
蜂窝系统中小区的用户数量以及用户的信道增益都是动态变化的。蜂窝系统的业务已从单一的语音业务转向多媒体数据业务。为了支持不同的业务类型，对用户的资源分配必须更为灵活。基站必须根据当前系统的状态和用户的需求，动态地决定信道分配、数据速率和发送功率[9]。而基于ofdm的蜂窝小区间是干扰受限的，不能简单地依靠增加发射功率来提高边缘用户的性能，因此，需设计有效的多小区联合资源分配和协作式多点传输技术来解决上述问题。
3.2 集中式基带处理池
集中式基带处理池是基于软件无线电技术的基站架构的主要研究内容。该架构下，无线网络将基带处理单元(bbu)和远端射频单元(rru)分离，并将多个bbu集中起来，形成一个集中式的基带处理池，用于覆盖不同区域的rru信号的基带处理。传统的rru的信号只能传输到其对应的bbu中，不同的bbu并不能接收其他rru的信号。不同bbu的处理负荷不均衡极大地降低了基带处理资源的利用率。因此，集中式基带池需要解决的是：提供一个大容量低时延的交换器实现不同bbu数据的交互，以实现基带处理资源的动态使用，进而提高设备利用率，降低电能损耗。
3.3 基于实时云的虚拟基站系统
集中式的基带处理池建立在高性能通用处理器上，通过软件无线电技术实现基带信号处理。该架构为实时性的数字信号云处理提供了演进基础。
一定范围内的基于软件无线电的新型基站通过高带宽低时延的网络互联，形成一个巨大的云计算基带处理池。与传统的云计算不同，该虚拟基站所进行的基带处理任务是实时的，在满足处理时延的要求下，动态地分配处理负荷，并实现不同网络下的多标准覆盖。
4 结束语
目前，“绿色”成为人们越来越关注的焦点，绿色节能已成为当今世界的主题话题之一。无线通信界势必也要向绿色的方向不断演进。基站系统作为无线通信系统中最大的能耗来源，必须对当前的基站体系架构进行有效的改进，以实现向绿色通信的演进。
本文所介绍的基于软件无线电技术的新型基站架构，能够有效地降低基站机房的数量，并能合理的利用基带的处理资源，提高基站设备的利用率。
由于软件无线电技术灵活可扩展的特点，使得基站系统在维护和升级时变得更为灵活方便，从而极大地降低维护和升级成本。我们希望，新的基站架构可以为基站系统的绿色演进提供一个方向，更好地促进无线通信向更低能耗更高能效的绿色方向发展。
5 参考文献
[1] 李少谦. 移动通信运营对绿色通信的技术需求 [c]//绿色革命的移动无线通信会议论文集, 2009.
[2] mitola iii j. the software radio [c]//proceedings of 1992 ieee national telesystems conference (ntc'92), may 19-20,1992, washington, dc, usa. piscatawaw, nj, usa:ieee, 1992.
[3] overview of sdr market - trends & potential [r/ol]. [2010-10-16]. ">