从软件无线电技术到无线网络云的发展

　　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

　　•Power 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。