無線通信系統中的軟基站技術

摘要:無線通信系統經過多年的發展，各制式出現融合的趨勢。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軟基站的相關技術背景進行了介紹，并對實際軟基站的架構設計思想、系統模塊構成及關鍵技術等進行了提綱挈領地分析。文章指出未來軟基站將繼續向集成度更高、基帶資源調配更靈活、傳輸方式更豐富、成本更低、節能更環保幾個方向發展。

關鍵詞: 無線通信;軟基站;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.

Key words: wireless communications; soft base station; multimode base station

短短的十余年內，移動通訊發展出2G/3G/4G三代制式及10余種標準體制。同時，多種制式的網絡將長期共存。長期以來，各設備商都采用一種制式對應一種基站的設計模式，導致運營商投資巨大、運維困難。例如，僅中國移動基站建設一項投資規模即達數千億元。

運營商需要基站同時支持2G/3G并后續向4G平滑升級來保護設備投資，并需要各種制式的基站表現為一個網絡以降低總體運營成本。當今移動通信市場競爭日趨激烈，實現高性能的多模軟基站對在全球市場競爭中脫穎而出具有決定性的意義;但由于各制式間相差巨大，它的實現面臨大量實現難題而一直停留在紙面。中興通訊通過多年的研究與開發，全球首家推出了多模軟基站，并通過大量的創新技術，在無線整體性能上實現了業界領先。文章將對軟基站，主要是基帶單元的架構與實現進行介紹。

1 業界的努力

移動網絡正加快向ALL IP的演進，第三代合作伙伴計劃(3GPP)、3GPP2、電氣和電子工程師協會(IEEE)等國際標準組織相繼提出了基于ALL IP的網絡架構。NodeB在4G的演進中，架構演變為扁平化，不再有傳統的接入側的協議匯聚終結點，轉而接入開放的傳輸網絡。隨著多制式共存、網絡融合的發展，在無線網絡控制器/基站控制器(RNC/BSC)出現了Iur-g接口定義[1-2] ，NodeB和RNC之間、NodeB內部通訊也都走向了標準化和開放化。Abis接口、Iub接口和基帶射頻接口也從各個廠家的私有定義，逐步轉變到開放標準。

無線接入側的IP化、IT化也已形成一種趨勢。IT業界的思想和技術在通訊設備上大量應用，如分布式數據庫、點對點(P2P)技術、虛擬化、云計算等。這些技術以往主要針對大型服務器或互聯網絡的數據存儲、交互、處理，使網絡負載更均衡。

開放式基站架構聯盟(OBSAI) [3]由多個廠商共同構建，目標是搭建一個開放的基站架構。OBSAI架構基本上能夠描述基站架構的一般形態，但是從實現角度看，其結構不夠小型化、架構不夠緊湊、先進性不足，也沒有被設備商實際采用。OBSAI RP03接口[4](基帶射頻接口)雖然面向各種制式提供了較高的靈活性，并向更高的速率演進，但是因為其實現復雜、承載效率較低(有效帶寬只有84%)、物理實現不夠經濟等原因，只在少量廠家被應用。

微型通信計算架構(MicroTCA)[5-6]是由國際PCI工業計算機制造組織(PICMG)協會制定的開放式計算架構。MicroTCA重點在于實現技術，定義了包括結構尺寸、電源架構、機框管理、交換平面等一系列的實現方案。MicroTCA架構能夠被用于高性能嵌入式計算、通信、物理學等多個領域，但是標準復雜，工程實現存在困難，并且在通信領域的應用中，其架構從配置成本、適用性方面還需改進。中興通訊的軟基站系統基于MicroTCA標準，進行了許多改進和關鍵技術的攻關實現。

通用公共射頻接口(CPRI)[7]是針對基帶射頻接口定義的規范，各設備廠家基本上都使用了CPRI規范。在CPRI的基礎上，運營商組成的下一代移動通信網(NGMN)定義了開放基帶射頻接口(OBRI)，對幀格式等進行了進一步的定義，并努力向軟件接口統一。

除了以上一些開放標準之外，還有中國移動為TD制定的Ir接口等其他一些規范，進行設備接口的標準化工作。

上述標準向統一架構做出了一些努力，但距離實現多模共存的軟基站還有相當大的距離。近年來，半導體技術、軟件技術有了突飛猛進的發展，使軟基站能夠從紙面走向現實。現場可編程門陣列(FPGA)和數字信號處理(DSP)技術的發展使“軟基帶”逐漸可行;處理器技術使處理能力不會再嚴重制約架構定義;總線串聯/解串器技術能在有限的連接下提供很高的帶寬，并能簡化系統架構;軟件中開放的、標準化的協議大量應用，加速了多制式在架構上和接口上的融合;云計算等分布式技術理論的應用為軟件可配置化提供了方向。

2 軟基站的整體構架

支持多種制式、平滑演進的軟基站，要從宏觀上對各種產品的實現進行高度的抽象和總結，將其公共部分提取出來，設計高度統一的架構。無線基站的組成如圖1所示。

從整個基站的角度看，室內基帶處理單元(BBU)、射頻單元(RU)要能夠兼容多種制式業務，同時將Iub(Abis)、Ir兩個接口標準化，屏蔽產品形態和制式的差異，才能滿足軟基站的要求。Iub接口已經逐步標準化，信道化E1等方式逐步被IP化所取代，使得2G、3G基站能夠在Iub/Abis口上走向統一。Ir接口有CPRI、OBSAI等標準可循，宏觀上可以統一。技術問題主要存在于針對各制式及應用場景的實現上。

從BBU內部來看，可以將功能劃分成如圖2所示的四大部分:

通過對功能模塊的分解抽象，我們把BBU的架構實現分解成3個平面:公共資源平面、業務交換平面、I/Q交換平面。如圖3所示。

以上兩種劃分方式，實際上是不精確的，各部分之間的邊界也可能模糊，但是便于對架構進行研究。

從功能模塊劃分來看，傳輸可以被各制式共享，可以認為和制式無關;主控、時鐘、電源部分也可認為和制式無關(時鐘和制式相關);基帶處理、射頻接口部分，和制式相關。軟基站的實現，必須將和制式相關的部分分解到更細的顆粒，在更細的顆粒上盡量做到無制式區別;對于無法消除制式特性的部分，需要進行封裝，外特性屏蔽制式區別。

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(GE)或者快速以太網(FE)交換平面，軟件統一內部協議，這樣可易于形成統一的交換平面。

(3) 采用Serdes方式可以從架構上消除制式的差異，但是因為各個制式I/Q數據的速率各不相同，如果實現多模共存可配置，必須再通過一定方式的封裝，屏蔽制式的差異。

3 公共資源

實現公用資源管理與無線業務的無關性，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，是軟基站實現的關鍵課題。

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字鎖相環并產生各個頻點，從而在公共資源平面上基本屏蔽制式的差異。

在軟件方面，軟基站需要實現多種制式平滑演進、共存并保證多制式間互不干擾，實現傳輸鏈路和主控/時鐘備份能力，并實現軟件可配置、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虛擬化在嵌入式領域應用[8]的思想，并優化系統架構，構建了可軟件配置的軟基站系統。

虛擬化是目前IT行業的熱門技術，也是構成云計算的一個重要技術基礎。借助虛擬化技術，用戶將可以在單一計算機硬件中安裝多個操作系統(虛擬機)，并實現多重任務處理，從而達到節省IT開支和高速處理計算任務等目的[9]。通過虛擬可實現動態的資源部署和重配置，滿足業務擴展的需求，也可實現較完善的業務隔離和劃分、對數據和服務可控和安全的訪問，還可以通過虛擬資源提供與物理資源無關的接口和協議的兼容性。

傳統的基站中，無線業務、數據庫管理、設備管理、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。通過構造虛擬化的設備管理層，可以將無線業務與設備管理解耦，對無線業務屏蔽基站的公用設備管理，提供基站統一的設備管理操作。同時，多個不同制式業務運行在獨立的虛擬空間中，無需感知其他業務的存在，可以靈活地增加和刪減制式。這樣就可以實現多模基站的統一管理，并能夠對多業務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

近年來接入網與傳輸網的融合呈現出加速的趨勢，三層路由協議以及以太網管理協議在基站側的需求逐步增加。接入設備在無線網絡云中越來越多地承擔了傳輸接口承載、協議終結、路由轉換、內部節點管理、甚至多節點網絡管理的作用。近年來，更是涌現了自發現，自配置等智能化相關的綜合性技術。

隨著數據業務的快速增長和網絡逐步開放，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，數據服務，同時需要充當傳輸路由節點、匯聚節點，為多個站點提供傳輸服務。

為了應對復雜的傳輸組網和傳輸協議，軟基站需要具備如下能力:

(1) 內置多樣的傳輸能力。基站部署的場地往往受限制，同時需要適應局方已經部署的各種傳輸方式。軟基站需要內置多樣化傳輸的能力，如微波，無源光纖網絡(PON)，E1/T1，同步傳輸模塊1(STM-1)、以太網等多種傳輸介質，并能夠提供靈活的組網方式。同時，基站還需要支持在多種傳輸介質同時進行分路傳輸，如以太網和E1同時接入，以太網承載數據業務，E1承載語音業務。

(2) 采用標準化傳輸協議棧。互聯網工程任務組(IETF)等標準組織開放的網絡協議簇，獨立于網絡硬件環境提供了標準化的高層協議，能夠滿足基站多種制式并存、互聯互通的需求。從2002年起，中興通訊即開始研發全IP無線基站，實現了IP over E1和FE接入多業務傳送平臺彈性分組數據環技術(MSTP RPR)的過渡組網方式。對于逐步走向開放的網絡架構，軟基站需要更加注重傳輸管理和傳輸安全，提供Internet 協議安全性(IPSec)(數字證書管理，部署)和IPv6等解決方案，以及802.3ah等以太網管理協議。

(3) 傳輸資源的統一管理。傳輸資源在多模基站中是多制式業務的公共資源。在軟基站上需要能夠通過傳輸配置實現多種傳輸方式共存，以及不同業務在共傳輸下的帶寬的QoS調度、帶寬流控等功能。

(4) 接入網和傳輸網融合。隨著向4G的發展，基站從最初實現二層交換協議，逐步發展到實現三層路由協議以滿足日益復雜的組網需求。同時，基站不僅僅只作為傳輸葉節點，而是集路由管理節點和協議終結節點為一體，甚至部分代替多協議標簽交換(MPLS)邊緣路由器，降低整個網絡的部署成本。

5 軟基帶

從各制式看，除CDMA2000核心技術基本為Qualcomm壟斷，基帶調制解調采用專用集成電路(ASIC)之外，其他各種通信制式基帶實現均呈現多樣化，各設備廠商形成了包括ASIC、數字信號處理(DSP)、DSP+ASIC、數字信號處理+現場可編程門陣列(DSP+FPGA)等多樣的實現方式，這些方式各存在優缺點。

經過FPGA、DSP技術，以及基帶處理實現技術多年的發展，通過更換軟件(包括現場可編程門陣列網表)、更換制式的軟基站已經不是天方夜譚。在FPGA中實現硬加速器，DSP陣列中實現復雜算法，并采用高速的SRIO交換平面實現DSP陣列、FPGA之間的互聯，就可以提供強大的基帶處理能力，實現多種制式的處理。軟基帶技術在各個制式應用主要的制約因素是實現成本。例如對于全球移動通訊系統(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)業務的基帶硬件應用于全球移動通訊系統將存在極大的資源浪費。另外，統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，并實現靈活的資源擴展，也是亟待研究的課題。

隨著業務實現的固化，在成本壓力的驅動下設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務遷移的靈活性。

6 基帶射頻接口

基帶射頻接口標準中，由于實現簡單、實現經濟性好、帶寬利用率高等一系列優點，CPRI得到了廣泛的認可和應用。OBRI或歐洲電信標準化協會ETSI的ORI也借用了CPRI的底層定義。

CPRI規范分成兩個層次，如圖4所示。層一包括了物理層傳輸、I/Q數據的時分復用(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格式進行了規定，但是對GSM、CDMA2000的I/Q數據，可能是基于碼片速率的原因，沒有進行規范。協議二層劃分原理上是能夠承載多業務的，但是在層一進行過于細節的定義，其實并不利于實現多模式的軟基站。相對而言，OBSAI RP03的四層結構就更加能夠適應。如表1所示，在OBSAI RP03中，保證數據點到點傳輸的協議層，均能做到與制式無關。

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，并在底層的空口數據容器AxC(Antenna Carrier)大小定義上考慮I/Q數據的容量適配，但在使用上要做到與制式無關，在傳輸過程中只考慮無制式AxC的傳輸，而不關心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(也就是基帶調制解調和中頻處理)才看到制式數據。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

軟基站的架構形態，會走向多模，扁平化架構，尤其是多模軟基站，對“軟”技術提出了更高的要求，需要提供更為豐富的軟件服務。軟件服務內容從單純的傳統基站業務轉向集成傳輸，集成控制器，集成路由器等多種功能角色為一體，并從固定功能服務轉向了可配置的，可選擇定制的服務方向。

目前的軟基站硬件架構已基本能夠滿足多業務共存的需要。未來軟基站將繼續向集成度更高、基帶資源調配更靈活、傳輸方式更豐富、成本更低、節能更環保幾個方向發展。

未來軟件技術將堅定地走向IP化、IT化。基站將走向開放標準。基站接入開放的網絡后，未來的IP網絡安全性將受到更多的關注;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技術，通過此類技術靈活地組合基站功能，并逐步完成基站的負載均衡:

(1) SON等技術的橫空出世，對于基站的管理方式是一種革新。自發現、自下載、自配置，使接入網能夠便利地加入或刪除網絡節點，并能夠自動進行網絡優化。隨著未來幾年內標準的逐步完善，及在基站設備中的實現，軟基站的智能化能力將會大幅提高。

(2) 分布式數據處理模型及技術的應用，可以解決以往基站模型中存儲空間及處理資源瓶頸，將不均衡的業務處理分布化，形成均衡負載處理。最近熱門的“云計算” 技術也是分布式計算、并行計算、網格計算等演變而來[10]，通過大型服務器的集中運算能力來提供云服務，并將這些概念走向商業化。盡管最終走向云服務尚需時日，但是對于云計算的基本理論可以在基站中借鑒和應用。

(3)虛擬化技術的應用，會進一步抽象基站的功能劃分，形成處理器資源池和數據處理池的二層簡化結構。各個功能業務能夠動態地分配到具有空閑處理能力的單板上，甚至對實現跨基站的分布式處理提供技術支撐，實現資源配置的優化并降低能耗，實現綠色基站。

8 參考文獻

[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， 張利深. Iur-g，架起2G/3G融合的橋梁 [J]. 中興通訊技術(簡訊)，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. 改變IT產業現有格局的十大技術 [J]. 軟件科技與產業動態， 2008(59): 1-3.

[10] 中國云計算網. [EB/OL]. [2009-05-28]. http://www.cloudcomputing-china.cn/article/showarticle.asparticleid=1.

收稿日期:2010-04-13

王喜瑜，中興通訊股份有限公司無線研究院副院長;北方交通大學碩士畢業;目前從事無線基站BBU研發管理工作;參加過3代通信基站的研發工作，有豐富的無線通信系統軟硬件設計、開發管理經驗，對行業和技術發展具備敏銳的洞察力。

郭丹旦，中興通訊股份有限公司產品研發體系系統架構師;北京理工大學碩士畢業;目前從事無線通信軟基站BBU硬件架構設計工作;具備豐富的硬件開發、硬件測試、硬件架構設計經驗。

崔卓，中興通訊股份有限公司產品研發體系系統架構師;吉林大學碩士畢業;目前從事無線通信軟基站軟件架構設計工作;具備豐富的軟件開發和軟件架構設計、軟件項目管理經驗。