无线通信系统中的软基站技术

    短短的十余年内，移动通讯发展出2G/3G/4G三代制式及10余种标准体制。同时，多种制式的网络将长期共存。长期以来，各设备商都采用一种制式对应一种基站的设计模式，导致运营商投资巨大、运维困难。例如，仅中国移动基站建设一项投资规模即达数千亿元。

    运营商需要基站同时支持2G/3G并后续向4G平滑升级来保护设备投资，并需要各种制式的基站表现为一个网络以降低总体运营成本。当今移动通信市场竞争日趋激烈，实现高性能的多模软基站对在全球市场竞争中脱颖而出具有决定性的意义；但由于各制式间相差巨大，它的实现面临大量实现难题而一直停留在纸面。中兴通讯通过多年的研究与开发，全球首家推出了多模软基站，并通过大量的创新技术，在无线整体性能上实现了业界领先。文章将对软基站，主要是基带单元的架构与实现进行介绍。

1 业界的努力
    移动网络正加快向ALL IP的演进，第三代合作伙伴计划(3GPP)、3GPP2、电气和电子工程师协会(IEEE)等国际标准组织相继提出了基于ALL IP的网络架构。NodeB在4G的演进中，架构演变为扁平化，不再有传统的接入侧的协议汇聚终结点，转而接入开放的传输网络。随着多制式共存、网络融合的发展，在无线网络控制器/基站控制器(RNC/BSC)出现了Iur-g接口定义[1-2] ，NodeB和RNC之间、NodeB内部通讯也都走向了标准化和开放化。Abis接口、Iub接口和基带射频接口也从各个厂家的私有定义，逐步转变到开放标准。
无线接入侧的IP化、IT化也已形成一种趋势。IT业界的思想和技术在通讯设备上大量应用，如分布式数据库、点对点(P2P)技术、虚拟化、云计算等。这些技术以往主要针对大型服务器或互联网络的数据存储、交互、处理，使网络负载更均衡。

    开放式基站架构联盟(OBSAI) [3]由多个厂商共同构建，目标是搭建一个开放的基站架构。OBSAI架构基本上能够描述基站架构的一般形态，但是从实现角度看，其结构不够小型化、架构不够紧凑、先进性不足，也没有被设备商实际采用。OBSAI RP03接口[4]（基带射频接口）虽然面向各种制式提供了较高的灵活性，并向更高的速率演进，但是因为其实现复杂、承载效率较低（有效带宽只有84%）、物理实现不够经济等原因，只在少量厂家被应用。

    微型通信计算架构(MicroTCA)[5-6]是由国际PCI工业计算机制造组织(PICMG)协会制定的开放式计算架构。MicroTCA重点在于实现技术，定义了包括结构尺寸、电源架构、机框管理、交换平面等一系列的实现方案。MicroTCA架构能够被用于高性能嵌入式计算、通信、物理学等多个领域，但是标准复杂，工程实现存在困难，并且在通信领域的应用中，其架构从配置成本、适用性方面还需改进。中兴通讯的软基站系统基于MicroTCA标准，进行了许多改进和关键技术的攻关实现。

    通用公共射频接口(CPRI)[7]是针对基带射频接口定义的规范，各设备厂家基本上都使用了CPRI规范。在CPRI的基础上，运营商组成的下一代移动通信网(NGMN)定义了开放基带射频接口(OBRI)，对帧格式等进行了进一步的定义，并努力向软件接口统一。

    除了以上一些开放标准之外，还有中国移动为TD制定的Ir接口等其他一些规范，进行设备接口的标准化工作。

    上述标准向统一架构做出了一些努力，但距离实现多模共存的软基站还有相当大的距离。近年来，半导体技术、软件技术有了突飞猛进的发展，使软基站能够从纸面走向现实。现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理(DSP)技术的发展使“软基带”逐渐可行；处理器技术使处理能力不会再严重制约架构定义；总线串联/解串器技术能在有限的连接下提供很高的带宽，并能简化系统架构；软件中开放的、标准化的协议大量应用，加速了多制式在架构上和接口上的融合；云计算等分布式技术理论的应用为软件可配置化提供了方向。

2 软基站的整体构架
    支持多种制式、平滑演进的软基站，要从宏观上对各种产品的实现进行高度的抽象和总结，将其公共部分提取出来，设计高度统一的架构。无线基站的组成如图1所示。

    从整个基站的角度看，室内基带处理单元(BBU)、射频单元(RU)要能够兼容多种制式业务，同时将Iub（Abis）、Ir两个接口标准化，屏蔽产品形态和制式的差异，才能满足软基站的要求。Iub接口已经逐步标准化，信道化E1等方式逐步被IP化所取代，使得2G、3G基站能够在Iub/Abis口上走向统一。Ir接口有CPRI、OBSAI等标准可循，宏观上可以统一。技术问题主要存在于针对各制式及应用场景的实现上。
从BBU内部来看，可以将功能划分成如图2所示的四大部分：

    通过对功能模块的分解抽象，我们把BBU的架构实现分解成3个平面：公共资源平面、业务交换平面、I/Q交换平面。如图3所示。

    以上两种划分方式，实际上是不精确的，各部分之间的边界也可能模糊，但是便于对架构进行研究。
从功能模块划分来看，传输可以被各制式共享，可以认为和制式无关；主控、时钟、电源部分也可认为和制式无关（时钟和制式相关）；基带处理、射频接口部分，和制式相关。软基站的实现，必须将和制式相关的部分分解到更细的颗粒，在更细的颗粒上尽量做到无制式区别；对于无法消除制式特性的部分，需要进行封装，外特性屏蔽制式区别。

    对于平面：
    (1) 主要的差异在于各制式有不同的时钟需求。

    (2) 采用成熟的千兆以太网(GE)或者快速以太网(FE)交换平面，软件统一内部协议，这样可易于形成统一的交换平面。

    (3) 采用Serdes方式可以从架构上消除制式的差异，但是因为各个制式I/Q数据的速率各不相同，如果实现多模共存可配置，必须再通过一定方式的封装，屏蔽制式的差异。

3 公共资源
    实现公用资源管理与无线业务的无关性，使基站具备支持多制式的能力，以及通过软件配置平滑演进的能力，是软基站实现的关键课题。

    在硬件方面，软基站主要的问题是各种制式分别具有不同的时钟，所用的码片速率有1.2288 MHz、3.84MHz、44.8 MHz、13 MHz（以及这些频率的倍频或分频）等。选取122.88 MHz的公共频率，可以很容易地在各个基带单元上采用成熟的数字锁相环并产生各个频点，从而在公共资源平面上基本屏蔽制式的差异。
在软件方面，软基站需要实现多种制式平滑演进、共存并保证多制式间互不干扰，实现传输链路和主控/时钟备份能力，并实现软件可配置、可自由加载/卸载无线制式。中兴通讯借鉴了准虚拟化和操作系统虚拟化在嵌入式领域应用[8]的思想，并优化系统架构，构建了可软件配置的软基站系统。

    虚拟化是目前IT行业的热门技术，也是构成云计算的一个重要技术基础。借助虚拟化技术，用户将可以在单一计算机硬件中安装多个操作系统(虚拟机)，并实现多重任务处理，从而达到节省IT开支和高速处理计算任务等目的[9]。通过虚拟可实现动态的资源部署和重配置，满足业务扩展的需求，也可实现较完善的业务隔离和划分、对数据和服务可控和安全的访问，还可以通过虚拟资源提供与物理资源无关的接口和协议的兼容性。

    传统的基站中，无线业务、数据库管理、设备管理、告警管理、版本管理、传输管理和控制等相互耦合，多制式并存时会存在多种限制和冲突。通过构造虚拟化的设备管理层，可以将无线业务与设备管理解耦，对无线业务屏蔽基站的公用设备管理，提供基站统一的设备管理操作。同时，多个不同制式业务运行在独立的虚拟空间中，无需感知其他业务的存在，可以灵活地增加和删减制式。这样就可以实现多模基站的统一管理，并能够对多业务进行独立的升级维护，为运营商提供了灵活的制式扩展能力。

4 传输
    近年来接入网与传输网的融合呈现出加速的趋势，三层路由协议以及以太网管理协议在基站侧的需求逐步增加。接入设备在无线网络云中越来越多地承担了传输接口承载、协议终结、路由转换、内部节点管理、甚至多节点网络管理的作用。近年来，更是涌现了自发现，自配置等智能化相关的综合性技术。

    随着数据业务的快速增长和网络逐步开放，无线基站比以往承担了更多的角色，不但要为终端用户提供语音，数据服务，同时需要充当传输路由节点、汇聚节点，为多个站点提供传输服务。

    为了应对复杂的传输组网和传输协议，软基站需要具备如下能力：
    (1) 内置多样的传输能力。基站部署的场地往往受限制，同时需要适应局方已经部署的各种传输方式。软基站需要内置多样化传输的能力，如微波，无源光纤网络(PON)，E1/T1，同步传输模块1(STM-1)、以太网等多种传输介质，并能够提供灵活的组网方式。同时，基站还需要支持在多种传输介质同时进行分路传输，如以太网和E1同时接入，以太网承载数据业务，E1承载语音业务。

    (2) 采用标准化传输协议栈。互联网工程任务组(IETF)等标准组织开放的网络协议簇，独立于网络硬件环境提供了标准化的高层协议，能够满足基站多种制式并存、互联互通的需求。从2002年起，中兴通讯即开始研发全IP无线基站，实现了IP over E1和FE接入多业务传送平台弹性分组数据环技术(MSTP RPR)的过渡组网方式。对于逐步走向开放的网络架构，软基站需要更加注重传输管理和传输安全，提供Internet 协议安全性(IPSec)（数字证书管理，部署）和IPv6等解决方案，以及802.3ah等以太网管理协议。

    (3) 传输资源的统一管理。传输资源在多模基站中是多制式业务的公共资源。在软基站上需要能够通过传输配置实现多种传输方式共存，以及不同业务在共传输下的带宽的QoS调度、带宽流控等功能。

    (4) 接入网和传输网融合。随着向4G的发展，基站从最初实现二层交换协议，逐步发展到实现三层路由协议以满足日益复杂的组网需求。同时，基站不仅仅只作为传输叶节点，而是集路由管理节点和协议终结节点为一体，甚至部分代替多协议标签交换(MPLS)边缘路由器，降低整个网络的部署成本。

5 软基带
    从各制式看，除CDMA2000核心技术基本为Qualcomm垄断，基带调制解调采用专用集成电路(ASIC)之外，其他各种通信制式基带实现均呈现多样化，各设备厂商形成了包括ASIC、数字信号处理(DSP)、DSP+ASIC、数字信号处理+现场可编程门阵列(DSP+FPGA)等多样的实现方式，这些方式各存在优缺点。

    经过FPGA、DSP技术，以及基带处理实现技术多年的发展，通过更换软件（包括现场可编程门阵列网表）、更换制式的软基站已经不是天方夜谭。在FPGA中实现硬加速器，DSP阵列中实现复杂算法，并采用高速的SRIO交换平面实现DSP阵列、FPGA之间的互联，就可以提供强大的基带处理能力，实现多种制式的处理。软基带技术在各个制式应用主要的制约因素是实现成本。例如对于全球移动通讯系统(GSM)这样成熟的、成本非常敏感的市场，对基带处理能力要求不高，能够承载长期演进(LTE)业务的基带硬件应用于全球移动通讯系统将存在极大的资源浪费。另外，统一的大基带处理资源池在不同制式之间如何灵活的分配处理能力，并实现灵活的资源扩展，也是亟待研究的课题。

    随着业务实现的固化，在成本压力的驱动下设备厂商会从全软基带到半软基带、并向ASIC迁移，同时也就逐步失去了随标准演进的能力和业务迁移的灵活性。

6 基带射频接口
    基带射频接口标准中，由于实现简单、实现经济性好、带宽利用率高等一系列优点，CPRI得到了广泛的认可和应用。OBRI或欧洲电信标准化协会ETSI的ORI也借用了CPRI的底层定义。

    CPRI规范分成两个层次，如图4所示。层一包括了物理层传输、I/Q数据的时分复用(TDM)映射等，层2包括了控制信令等的定义。CPRI组织对UMTS/LTE等的I/Q格式进行了规定，但是对GSM、CDMA2000的I/Q数据，可能是基于码片速率的原因，没有进行规范。协议二层划分原理上是能够承载多业务的，但是在层一进行过于细节的定义，其实并不利于实现多模式的软基站。相对而言，OBSAI RP03的四层结构就更加能够适应。如表1所示，在OBSAI RP03中，保证数据点到点传输的协议层，均能做到与制式无关。

    如果要使得CPRI适于传输多种不同制式，就需要考虑细化分层，并在底层的空口数据容器AxC(Antenna Carrier)大小定义上考虑I/Q数据的容量适配，但在使用上要做到与制式无关，在传输过程中只考虑无制式AxC的传输，而不关心I/Q向AxC映射的方式、制式、采样的信息等。只在无法忽略制式差异的两端（也就是基带调制解调和中频处理）才看到制式数据。这样在部分情况下可能会牺牲一点承载效率，也可能会提高一些复杂度，但是从无线产品演进以及灵活性的角度看，这样的代价还是非常值得的。

7 软基站未来的趋势
    软基站的架构形态，会走向多模，扁平化架构，尤其是多模软基站，对“软”技术提出了更高的要求，需要提供更为丰富的软件服务。软件服务内容从单纯的传统基站业务转向集成传输，集成控制器，集成路由器等多种功能角色为一体，并从固定功能服务转向了可配置的，可选择定制的服务方向。

    目前的软基站硬件架构已基本能够满足多业务共存的需要。未来软基站将继续向集成度更高、基带资源调配更灵活、传输方式更丰富、成本更低、节能更环保几个方向发展。

    未来软件技术将坚定地走向IP化、IT化。基站将走向开放标准。基站接入开放的网络后，未来的IP网络安全性将受到更多的关注；未来软基站将更多地提供智能化、分布式以及虚拟化的相关技术，通过此类技术灵活地组合基站功能，并逐步完成基站的负载均衡：

    (1) SON等技术的横空出世，对于基站的管理方式是一种革新。自发现、自下载、自配置，使接入网能够便利地加入或删除网络节点，并能够自动进行网络优化。随着未来几年内标准的逐步完善，及在基站设备中的实现，软基站的智能化能力将会大幅提高。

    (2) 分布式数据处理模型及技术的应用，可以解决以往基站模型中存储空间及处理资源瓶颈，将不均衡的业务处理分布化，形成均衡负载处理。最近热门的“云计算” 技术也是分布式计算、并行计算、网格计算等演变而来[10]，通过大型服务器的集中运算能力来提供云服务，并将这些概念走向商业化。尽管最终走向云服务尚需时日，但是对于云计算的基本理论可以在基站中借鉴和应用。

 
    (3)虚拟化技术的应用，会进一步抽象基站的功能划分，形成处理器资源池和数据处理池的二层简化结构。各个功能业务能够动态地分配到具有空闲处理能力的单板上，甚至对实现跨基站的分布式处理提供技术支撑，实现资源配置的优化并降低能耗，实现绿色基站。

8 参考文献
[1] ETSI TS 143 130 V5.0.0. Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+),Iur-g Interface,Stage 2 (3GPP TS 43.130 version 5.0.0 Release 5) [S]. 2002.
[2] 申昌湖, 张利深. Iur-g，架起2G/3G融合的桥梁 [J]. 中兴通讯技术(简讯),?2009(12):12-13.
[3] BTS System Reference Document,V2.0 [R]. OBSAI, 2009.
[4] Reference Point 3 Specification,V4.2 [R]. OBSAI, 2009.
[5] Micro Telecommunicaions Computer Architecture base Specification, R1.0 [R]. PICMG, 2009.
[6] Advanced Mezzanine Card base Specification, R2.0 [R]. PICMG, 2009.
[7] CPRI Specification, V4.0 [R]. CPRI, 2009.
[8] HEISER G. The Role of Virtualization in Embedded Systems [C]//Proceedings of the 1st Workshop on Isolation and Integration in Embedded Systems (IIES'08), Apr 1, 2008, Glasgow, UK. New York, NY, USA: ACM, 2008:11-16.
[9] Gartner. 改变IT产业现有格局的十大技术 [J]. 软件科技与产业动态, 2008(59): 1-3.
[10] 中国云计算网. [EB/OL]. [2009-05-28]. http://www.cloudcomputing-china.cn/article/showarticle.asp?articleid=1.

收稿日期：2010-04-13

[摘要] 无线通信系统经过多年的发展，各制式出现融合的趋势。同时运营商降低采购和运营成本的需求，使得支持多种制式、平滑演进的“软基站”成为无线基站演进的方向。文章对无线通信系统软基站的相关技术背景进行了介绍，并对实际软基站的架构设计思想、系统模块构成及关键技术等进行了提纲挈领地分析。文章指出未来软基站将继续向集成度更高、基带资源调配更灵活、传输方式更丰富、成本更低、节能更环保几个方向发展。

[关键词] 无线通信；软基站；多模基站

[Abstract] With the rapid development of wireless communication systems, different standards have begun to be merged. Operators place stringent requirements on reducing OPEX and CAPEX, and as a result, soft base stations supporting multiple standards have become preferred. This paper introduces the background of soft base stations, then analyzes architecture design, system modules, and key technologies. It suggests the future development of soft base stations will tend towards more integrated, flexible deployment of resource baseband; abundant transmission, lower cost, and energy efficiency.

[Keywords] wireless communications; soft base station; multimode base station