从软件无线电技术到无线网络云

摘要

对于下一代无线接入网，如何灵活地支持不同的无线标准，如何更好地提高系统资源利用率，如何满足快速增长的系统计算及I/O需求，都将是无线基站，乃至整个无线接入网的系统设计重点。在IT工业界的快速推动下，多核通用处理器的技术与性能不断提升，从而使得基于IT通用平台的软件无线电系统设计成为可能，亦使IT工业与无线工业的发展得到融合。

不难发现，无线与IT的融合是关键。以Power多核处理器为例，通过基于IT通用架构的软件无线电基站设计，其中蕴藏着众多的技术挑战。针对未来的无线接入网构架，IBM提出的无线网络云，以云计算的技术来支撑未来的软件无线电基站池。

无线与IT融合的挑战

IBM发布了2010年的全球技术展望，其中，无线与IT的融合是重要的技术发展趋势之一。我们看到由于无线的流量的快速增长而服务的质量不断提升，将对有限的频谱资源及网络架构带来极大的压力。

这种压力体现为：第一，整个的处理都变得十分复杂，需要有很强的计算资源；第二，需要有高可扩展的基站间的协作；第三，需要不断地提高网络系统的利用率。


图1 单载波需求

所以，有两种IT的基本技术可以服务于无线架构的发展，第一是多核处理器，多核处理器可以用于通用处理器的软件无线电技术；第二，是可扩展的云架构，它将成为未来作为无线接入网的可能架构，即无线网络云。

无线基站发展趋势要从两个方面来看。第一，无线基站对于单个载波的发展，从第二代、第三代和第四代无线通讯各个标准，单个载波的处理能力将是LTE advanced 10M的2×2MIMO的20倍，需要的计算是十分惊人的。到2015年，一个3扇区的无线基站需要4500GIPS的计算能力和120Gbps的I/O接口能力。意味着如果使用现有的DSP芯片大概需要300片。对于硬件或者软件都将是个十分复杂的系统，相当具有挑战。

多核通用处理器

从图2中可以看到黑色的线标示的通用处理器在单芯片的处理能力逐年增长。以IBM的Power Server多核通用处理器和先进的DSP进行对比，可以看出多核通用处理器的优势，具体如下：

• 较强的单线程处理能力

• Power 7 vs. Leading DSP = ~6x

• 有利于降低单线程的处理时延。

• 较强的单芯片性能

• Power 7 vs. Leading DSP = ~17x

•有利于简化硬件设计

•较强的多芯片互联能力

•ower 7 x 32 sockets =

>7000GFLOPS

•有利于简化软件设计

由于通用处理器的强大单芯片的处理能力带来了硬件和软件上的简化，同时由于在性能和功耗比上的不断提升，多核通用处理器逐渐能和DSP媲美。除了这些特点以外，通用处理器也有其他的优势，比如使软件开发可独立于硬件和可提供丰富的编程环境和更大的开发者团体等。

基于IT的软件无线电技术

什么是基于IT的软件无线电技术呢？软件无线电技术提了很多年，但一直实现在DSP、FPGA这样专用的硬件芯片和系统中，这里我们要讨论的是应用通用的多核处理器芯片，基于IT的开放架构和平台来支撑无线系统的基带的处理部分，能让目前软件定义的无线电进一步发展到理想的软件无线电。

这样的好处有，第一，对满足不同的无线网络需求，具有高灵活性和高可扩展性。第二，以一种高性价比的方法来构建无线网络系统，就是一个高信价比的平台。第三，因为是IT平台，所以增值应用可以容易部署于边缘。比如不同的通信系统可以部署在同一个节点中。第四，为物联网市场快速孵化产业链，这涉及到比如频谱的覆盖等等。

用这样的想法是不是构建的基站系统就没有什么技术的挑战？其实不然，在基站基带处理中，约85%为物理层处理，我们追求在单个处理器核中，物理层的处理吞吐量是否能满足标准的需求。其实整个无线系统是一个硬实时的系统，有采样器在前面，要求处理器系统达到实时的性能，这本身就是一个挑战。

通用处理器的挑战包括，如何使高效的网络协议栈用于支持高吞吐量的I/Q 数据 (1Gbps~10Gbps)。如何控制抖动，在多线程的环境下保证实时性能，如MAC层。如何控制抖动，以满足与远端射频头实时同步，并延时缩短。如何合理化数据队列设计，在一个多层设计中，保证低时延，尤其在LTE advanced的4G系统中，对时延的要求很严格。如何在通用操作系统上支持实时性能也是我们要考虑的。

当我们综合所有的问题之后，搭建出的成功平台才能真正支撑无线基站。

无线网络云

除了基于IT技术实现单个基站系统，未来接入网的架构也值得关注，因为现在远端射频头的技术已经相当成熟，而把基带集中化处理也是一个未来的趋势。基于这样的一个趋势，如果把集中化基站池中的基站都使用通用的IT平台支撑，那么未来可能基于IT的资源池可以支撑起未来的无线接入网，这就引发了无线网络云的概念。无线网络云的核心思想是使用云计算的技术和通用计算资源池来支撑未来无线接入网所有的基带处理。图3中所示为抽象的无线网络云的架构，前端是分布在城市中的RRU，很多处理节点相连，并有同步的时钟使得节点同步。


图2 处理器性能与功耗

图3 无线网络云（1）

未来的无线网络云中，在同一个物理节点，我们可以使用虚拟化的技术来支撑起一个个以软件形式体现的虚拟基站。这包括两个部分，第一部分是Hypervisor，这是一套系统软件，为虚拟基站提供实时性能，第二部分是虚拟基站本身要支持的无线协议，比如LTE协议栈、CDMA协议栈。总体的系统管理将会针对各个虚拟站的系统资源进行灵活地调配，比如基站之间的协作。具体情况如图4所示。

无线网络云的技术挑战

无线网络云的实现包含了诸多的技术挑战，具体包含以下几项：

• 基站服务器与RRH之间的定时同步

• 在实时环境中的系统资源分配

• 基于通用操作系统的实时和抖动控制

• 打破传统“固定”设计的，高效的并行编程模型

• 在混合系统中，如何共享一些特殊的处理资源，如硬件加速器

• 在多节点系统中，如何严格控制时延

• 基于以太网和操作系统的时钟网络

针对这些系统级的挑战，IBM中国研究院致力于为业界推动这个趋势和克服这些技术挑战，绘制未来无线网络云的美好蓝图，并通过开源项目的合作推动基于IT多核通用处理器的软件无线电技术的发展。

在这个过程中，IBM搭建虚拟基站池(virtual base station pool)的试验平台，如图5所示。基站池将基于通用处理器和通用IT平台。在同一个基于IT的软件无线电平台上支持 LTE advanced、 TD-SCDMA 和 GSM并支持基站间的协作处理（collaborative MIMO）。


图4 无线网络云（2）

图5 虚拟基站池实验平台案例

总结

无线与IT融合的趋势需要一个多学科多领域的合作才能够达成。技术的推动是至关重要的，例如电子工程中无线算法的并行化设计、实时系统的设计以及计算机科学中操作系统的设计、编程模型和并行计算等这些复杂的系统的推进。在功耗上，通用处理器确实目前不占优势。但在基于这样的灵活的资源池的基础上，可以推动业界的创新研究。无线和IT的融合不仅是IT产业的发展也不仅仅是无线的发展，开放的未来架构才是我们更需要关注和推动的课题。

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问答选编

问：云计算是个“黑盒子”，存在许多危险因素如安全问题，如黑客问题等，请问如何解决这些危险因素？

答：云计算中的云，可以分为许多种类。如面对公众服务的公共云，由某个企业所建立的企业私有云，或由某个行业为主体面对多个行业企业的行业云(industry cloud)。在我们这里提到的无线网络云，因为是服务于移动网络的接入网，是移动网络的最重要的部分。所以应该至少是一个企业的私有云，即运营商的数据中心为基础建立的。其安全问题和黑客问题将比公众云要更为可控。

问：无线网络云中的无线带宽接入主要有几种方式？接入 带宽要求有多高？

答：无线网络云中，我们希望建立一个灵活的架构来支撑不同的无线接入技术。它尤其适用于运营商的大规模网络部署。所以主要支持的接入技术可以是目前的2G、3G甚至是未来的4G LTE技术。如果这里所问的接入带宽是指由各个RRU介入到无线网络云中的虚拟基站池的带宽，则该带宽的要求相当高。以LTE 2×2MIMO 10MHz为例，一路就需要约1.25Gbps。为了体现云的价值，我们需要把几十路，甚至上百路的RRU信号接入，所以对于该无线网络云来说，带宽的要求至少是100Gbps量级的。

问：请问IBM的POWER-EN什么时候推出，是用于基站吗？从命名来说POWER-EN似乎是要兼顾嵌入式和通信市场

答：Power-EN已经推出。其主要适用于高速网络处理，达10Gbps~40Gbps。对于单个基站而言，可以只使用其中的少数内核。在无线网络云的集中式架构中，Power-EN能发挥的能力更为明显。可以集中化处理多个虚拟基站的网络处理部分。目前的Power-EN因为支持的工作频率比较高，嵌入式市场不是主要考虑的对象。主要考虑如通信市场、数据中心或企业应用等。

问：IT与无线融合，对我们有什么重大意义？能否简单举个例子吗？

答：在无线与IT的融合中，我们希望能利用IT业界的能力，如先进的处理器技术，先进的I/O技术来加速无线系统的发展。由于多年IT业界的激烈竞争，许多用于IT范畴的平台和I/O设备的价格已经比较低，标准化也做得相当好。所以，我们希望利用这些优势，帮助未来的无线设备降低成本，降低开发的难度，也更有助于支持未来像LTE advanced之类的十分挑战的系统。

问：Power7用于通信，成本是否太高？

答：Power7的能力主要体现在单节点的处理能力强。如果仅仅是考虑目前2G/3G的单基站方案，显然是不合适的，因为并没有充分发挥其能力。但如果考虑未来4g中的LTE advanced或无线网络云的集中式部署方案，Power7的单节点能力将体现其价值。

问：从目前无线网络看，主要的投资成本是消耗在无线接

入网部分，采用无线网络云技术能否可以降低成本呢？

答：答案是肯定的。其主要方式体现在三点：

（1）基于通用IT架构，能降低硬件成本，开发成本，

以及无线系统升级换代的成本。

（2）通过集中式部署，能进一步降低部署上的成本。

（3）目前的蜂窝网络有着明显的潮汐效应，蜂窝与蜂窝之间负载十分不平衡。通过无线网络云，我们可以进一步通过调度来提高基带处理硬件的利用率，降低需要部署的总体硬件成本。

问：无线网络云是开放体系架构，它的安全和保密技术如何处理和保证？

答：无线网络云中需要重点考虑的是稳定和安全。例如，如果我们使用通用的操作系统，像Linux，如何保证在多个虚拟基站之间不会被互相影响？从部属的角度，我们会建议运行商采用私有云的方式来建设，从而通过强有力的防火墙和物理隔离，杜绝外界非法访问的可能性。

问：多核系统往往是高端设备，为什么选择Linux，而不是实时性更好，稳定性更高的vxworks？软件无线电会不会以FPGA为设计平台，会不会用到Linux？

答：多核系统未必全部都是高端设备，例如Freescale提供的P1xxx和P2xxx往往应用于接入设备中。关于选择Linux，这是市场和技术的发展所决定的。现在越来越多的客户在选择Linux，而且Linux本身的性能也在不断提高。在IBM所推行的基于IT架构的软件无线电技术中，我们如果要对接目前业界的基于CPRI或OBSAI的RRU，则会使用一片FPGA来进行协议接口的转换。例如把这些协议转换为PCIe等。但主题设计平台将以通用多核处理器为主。我们会主张使用Linux的。

问：怎么评估“虚拟基站”和真实基站的价值？

答：一般对于运行商而言，基站的采购是以每载扇来进行的。所以，对于虚拟基站的出现，由于有了更多的动态性，将对其价格的评估提出新的问题。

问：采用无线网络云技术建立的网络能不能覆盖网络节点无法的偏远落后地区？

答：这个取决于运营商的光纤铺设程度。无线网络云主要解决的是基站密集地区的问题。

From the Software Radio Technology to the Wireless Network Cloud

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