基于FPGA的加速无线通信系统软基站设计过程详解 (2)

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。

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，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。