FPGA加速无线通信系统软基站的实现 (1)

只看该作者 · 2013-1-17 20:36

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。**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。**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。

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。**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。