分布式通信基站仿真系統(tǒng)探究

陳曉鋒，余 宏，莫章潔

（貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018）

社會在飛速進步，通信更是迅猛發(fā)展，目前在無線領(lǐng)域中，分布式基站設(shè)備被普遍使用。但在設(shè)備中運行嵌入式程序并對其進行調(diào)試和測試，無論從工作量和設(shè)備消耗量來說，均面對較高的成本問題。因此設(shè)計分布式基站仿真系統(tǒng)，可以提升對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)信息交互、故障處理、優(yōu)化調(diào)試等進行評估和測試的靈活性和效率，有效降低成本。

1.分布式通信基站仿真系統(tǒng)設(shè)計框架分析

1.1 設(shè)計概述

無線通信領(lǐng)域的高頻創(chuàng)新致使分布式基站得以普遍化、規(guī)模化的使用。分布式基站主要由BBU和RRU構(gòu)成（如圖1）。

圖 1 基站組合圖

本文主要設(shè)計一個BBU與三個RRU之間通信的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)邏輯上由服務(wù)器系統(tǒng)（Server）和客戶機系統(tǒng)（Client）組成，其中BBU作為服務(wù)器系統(tǒng)，RRU作為客戶機系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面可以對BBU和RRU進行調(diào)試，BBU作為系統(tǒng)核心，通過鏈路與RRU進行連接，RRU之間必須經(jīng)過BBU進行信號中轉(zhuǎn)才能進行交流（如圖2）。

圖 2 系統(tǒng)邏輯

1.2 設(shè)計要求

設(shè)計之前，我們假設(shè)存在以下條件：

BBU和RRU之間通過光纖連接。

一個RRU只能夠被唯一的BBU進行控制，且RRU必須被BBU控制才能正常工作；而每個BBU能夠?qū)^多的RRU進行控制。

BBU與RRU之間的應(yīng)用層連接通過一個三次握手的過程完成。

消息交互：廣播消息、握手消息、保活消息、控制消息、查詢消息。

設(shè)備分故障和正常兩個狀態(tài)。故障狀態(tài)時視為與其他設(shè)備斷開連接。

在假設(shè)條件成立的情況下，本設(shè)計將達到以下目標：一是通過計算機進程對RRU、BBU進行模擬；二是RRU、BBU的消息交互控制研究；三是RRU、BBU的競爭保活機制；四是RRU、BBU的應(yīng)用層連接構(gòu)建；五是RRU、BBU的消息交互查詢。

仿真系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在三個方面，具體的介紹如下所示。一是物理層仿真。首先是物理層仿真，對于分布式通信基站而言，主要基于光纖完成對RRU、RRU的物理層連接，其中后者的數(shù)量往往不為1。在仿真過程中可以對設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)進行靈活調(diào)整，以滿足仿真的要求。二是應(yīng)用層仿真。在物理層以上即為應(yīng)用層連接，建立物理層連接后，仿真系統(tǒng)通過實際應(yīng)用層的三次握手協(xié)議過程，以此來完成對應(yīng)用層連接的構(gòu)建。在建立應(yīng)用層連接之后，BBU和RRU之間可以進行雙向通信。各個RRU之間可以根據(jù)要求建立任意連接，但是只能和一個BBU連接，而BBU能夠同時連接較多的RRU。在應(yīng)用層連接構(gòu)建之后，在出現(xiàn)故障問題時，當前設(shè)備才能與其他已連接設(shè)備斷開。三是故障仿真。如果設(shè)備工作中處于故障狀態(tài)，則當前設(shè)備與其余設(shè)備保持隔離，在這種情況下仿可以認為各個節(jié)點設(shè)備均可以作為BBU或者是RRU。當前BBU出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會通過競爭算法將網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備之一設(shè)置成BBU。

2.分布式通信基站仿真系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的測試需要配置需要的軟硬件環(huán)境，可以在一臺Windows XP 操作系統(tǒng)且裝有 Visual Studio 2012 Professional的單機上運行測試。編程方面采用主流且成熟的C++語言。操作系統(tǒng)主要是Windows XP系統(tǒng)，該系統(tǒng)比較成熟，對于網(wǎng)絡(luò)通信提供了基本的支持，可以基于常用的通信協(xié)議完成信息傳輸過程[4]。所以該系統(tǒng)可以連接各種類型的系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中采用了客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，還可以組構(gòu)大范圍的實時廣域網(wǎng)系統(tǒng)。另外還可以利用多網(wǎng)并行模式，使得系統(tǒng)達到更高的性能要求。系統(tǒng)支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的各種網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介，局域網(wǎng)為以太網(wǎng)，廣域網(wǎng)可為公用電話網(wǎng)、寬帶等。

3.分布式通信基站仿真系統(tǒng)的探究成果

設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖 3 設(shè)備連接圖

設(shè)備之間通過模擬光纖連接，在操作界面點擊虛線，虛線變成實線后會自動建立連接。輸入設(shè)備ID并點擊“設(shè)為BBU”按鈕，仿真系統(tǒng)會自動完成BBU的設(shè)置，其余已連接的設(shè)備則會設(shè)為RRU。如圖4所示。

圖 4 BBU 設(shè)置

如圖5所示，在“Target”里面勾選需要控制的設(shè)備，并在下面的空白框內(nèi)輸入想要發(fā)送的消息，點擊“發(fā)送廣播”按鈕，受該BBU控制的其他RRU就能收到對應(yīng)的消息。

圖5 消息收發(fā)示意圖

當所有設(shè)備如圖連接的時候，點擊“設(shè)置故障”按鈕，將當前BBU設(shè)為故障設(shè)備，此時系統(tǒng)會通過競爭算法選出新的BBU（ID:1）。如圖6所示：

圖 6 故障自愈

當原始BBU故障后，系統(tǒng)會自己競選出新的BBU，以保證當前運行設(shè)備數(shù)量最大化、系統(tǒng)運行機制最優(yōu)化。具體實現(xiàn)機制如下所示：首先需要選擇光纖連接數(shù)最大的RRU作為新的BBU，基于這種方式可以維持整個系統(tǒng)保持正常的運行狀態(tài)。如果存在兩個或者多個RRU光纖連接數(shù)相同，則會選擇與原始BBU理論連接路徑最短的RRU作為新的BBU。

4.結(jié)語

本文所設(shè)計的分布式通信基站仿真系統(tǒng)，主要以目前分布式基站的研發(fā)及運維等為依據(jù)，可以通過仿真技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等進行模擬分析，具體涉及分布式基站設(shè)備間消息的交互及通過競爭算法實現(xiàn)BBU的保活等。希望本文的研究可以為分布式通信基站的研發(fā)及建設(shè)提供實際參考和理論支撐。