面向绿色无线通信的基站体系结构

摘要:无线网络的耗能主要来自于基站系统。对无线通信系统中的基站系统结构进行有效地规划和部署，能达到降低能源消耗、实现绿色通信的目的。软件无线电技术的发展为无线基站的绿色演进提供了途径。基于软件无线电技术，文章提出一种可以有效提高通信系统能效、更为绿色环保的基站体系结构，能够更好地实现无线通信系统的绿色演进。

关键字:绿色通信；软件无线电；云计算；协作式无线电

英文摘要:This paper examines green network technologies using cooperative coverage. Energy consumption in wireless networks primarily derives from base station networks. Therefore, to decrease energy consumption in line with green objectives, careful planning and deployment of base station infrastructure is necessary. Radio software has developed rapidly in recent years, and provides a way of evolving networks in a green direction. This paper introduces a high energy efficient solution for base station systems that also facilitates green network evolution.

英文关键字:green communication; software radio; cloud computation; cooperative radio
 
　　基金项目：国家自然科学基金(60902041、61072076、61002017)

随着无线通信技术的不断演进，新的通信制式的不断出现和升级以及移动通信宽带化的不断发展，无线通信网面临越来越大的能耗挑战。为了满足不断增长的无线宽带业务及空中流量需求，移动通信运营商不断增加空中接口带宽和基站的数量。随之而来，无线接入网的能源消耗问题变得日益严重。如今，中国3G网络设施正大规模建设，2G网络仍将长期存在并继续增长，伴随而来的是持续不断的网络能源消耗。据统计，无线通信系统中，约80%的能耗来自基站系统。网络规模的快速膨胀带来了基站耗能的快速上升，年增长为30%～40%[1]。

因此，在提倡绿色通信、建设集约型社会的今天，有必要提出一种新的基站体系架构，在满足不断发展的无线通信业务的基础上，提高基站设备的能效，降低基站的建设和维护成本，实现无线通信能耗的最小化。

1 绿色无线通信的新型基站架构

1.1 基于高性能通用处理器的软件无线电技术

软件无线电(SDR)技术是目前最新的也是发展较快的无线通信技术之一。SDR诞生于1992年，由Joe Mitola正式提出[2]。SDR技术采用了开放的模块化结构，基带处理功能可以通过不同的软件模块来实现。软件可以随着器件和技术的发展不断更新或扩展。当前，软件无线电主要通过现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、通用处理器(GPP)实现。与传统的基于FPGA以及DSP的SDR相比，基于高性能GPP的SDR系统可以降低通信系统开发和调试的复杂度，具有更好的灵活性和可扩展性。基于高性能GPP的SDR系统能极大地节省系统的硬件成本和人力成本[3]。在倡导绿色节能的今天，基于高性能GPP的SDR技术将在无线通信中占据越来越重要的地位。

1.2 基于软件无线电的新型基站架构

基于高性能GPP的SDR技术的发展，为基站的绿色演进提供了一条有效途径。针对无线系统大发展带来的能耗挑战，我们认为，降低能耗的最有效最直接的方式是降低基站机房的数量和面积。基于高性能GPP的SDR技术的发展使得这种方式成为可能。

图1所示为基于高性能通用处理器的新型基站架构。在无线通信系统的绿色演进过程中，为更好地实现基站处理资源的共享，并提高基站系统的集成度，降低基站的占地面积，我们将整个无线通信网络的接入网系统与基站子系统分离开来。覆盖一定区域的全部基站设备集中起来，形成一个统一的基带处理池。这样不仅减小了基站的数量和占地面积，节约建设成本，也方便了动态灵活地进行基站处理资源的调度。此外，远端无线射频单元(RRU)和天线形成一个高容量广覆盖的分布式无线接入网络。RRU灵巧轻便，便于安装和维护，可以大范围高密度地使用，能有效地降低接入网成本。

这种基站架构由群小区架构转化而来。在群小区架构中，地理位置相邻的多个小区，针对一个移动终端采用同一套通信资源(例如频率、时隙或码道)进行通信，而针对其他移动终端分别采用不同套的通信资源进行通信。采取这种通信方式的多个小区构成一个群小区[4]。该移动组网策略突破了传统蜂窝组网结构，实现了小区域覆盖向大区域覆盖的飞跃。将基站集中起来，可以更好地进行处理资源的分配和共享。基带的处理全部通过可编程软件来实现，从而大大提高了基站系统的灵活性和可扩展性。

2 基于软件无线电架构的基带处理单元

2.1 新型基站架构的优势

(1)成本低

与基于FPGA、DSP的基站基带实现方案相比，基于软件无线电的基带处理单元在成本上具有十分显著的优势。例如，实现100 Mb/s数据吞吐量，若用TI公司4核的TMS320C6474芯片，需要约20片，所需成本约在5万人民币；而若用一片6核CPU实现，成本约为人民币7 000元。此外，通用处理器是软件化程度最高的处理方式。高性能GPP-SDR平台通过C汇编代码来实现。软件统一的代码书写规范及标准的库函数接口使得代码可以在不同平台之间进行移植，从而非常方便推广和应用[5]。

(2)能耗低

图2所示为通用处理器近7年来在处理能力以及功耗方面的技术进展[6]。可看出每进行10亿次浮点运算(GFLOP)GPP所消耗的功率在不断的降低，而GPP的处理性能(每秒所进行的10亿次浮点运算数GFLOPS)却在不断的提升。GPP越来越突显出低功耗高性能的优势。