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摘要 對于下一代無線接入網，如何靈活地支持不同的無線標準，如何更好地提高系統資源利用率，如何滿足快速增長的系統計算及I/O需求，都將是無線基站，乃至整個無線接入網的系統設計重點。在IT工業界的快速推動下，多核通用處理器的技術與性能不斷提升，從而使得基于IT通用平臺的軟件無線電系統設計成為可能，亦使IT工業與無線工業的發展得到融合。 不難發現，無線與IT的融合是關鍵。以Power多核處理器為例，通過基于IT通用架構的軟件無線電基站設計，其中蘊藏著眾多的技術挑戰。針對未來的無線接入網構架，IBM提出的無線網絡云，以云計算的技術來支撐未來的軟件無線電基站池。 無線與IT融合的挑戰 IBM發布了2010年的全球技術展望，其中，無線與IT的融合是重要的技術發展趨勢之一。我們看到由于無線的流量的快速增長而服務的質量不斷提升，將對有限的頻譜資源及網絡架構帶來極大的壓力。 這種壓力體現為：第一，整個的處理都變得十分復雜，需要有很強的計算資源；第二，需要有高可擴展的基站間的協作；第三，需要不斷地提高網絡系統的利用率。 
圖1 單載波需求 所以，有兩種IT的基本技術可以服務于無線架構的發展，第一是多核處理器，多核處理器可以用于通用處理器的軟件無線電技術；第二，是可擴展的云架構，它將成為未來作為無線接入網的可能架構，即無線網絡云。 無線基站發展趨勢要從兩個方面來看。第一，無線基站對于單個載波的發展，從第二代、第三代和第四代無線通訊各個標準，單個載波的處理能力將是LTE advanced 10M的2×2MIMO的20倍，需要的計算是十分驚人的。到2015年，一個3扇區的無線基站需要4500GIPS的計算能力和120Gbps的I/O接口能力。意味著如果使用現有的DSP芯片大概需要300片。對于硬件或者軟件都將是個十分復雜的系統，相當具有挑戰。 多核通用處理器 從圖2中可以看到黑色的線標示的通用處理器在單芯片的處理能力逐年增長。以IBM的Power Server多核通用處理器和先進的DSP進行對比，可以看出多核通用處理器的優勢，具體如下： • 較強的單線程處理能力 • Power 7 vs. Leading DSP = ~6x • 有利于降低單線程的處理時延。 • 較強的單芯片性能 • Power 7 vs. Leading DSP = ~17x •有利于簡化硬件設計 •較強的多芯片互聯能力 •  ower 7 x 32 sockets = >7000GFLOPS •有利于簡化軟件設計 由于通用處理器的強大單芯片的處理能力帶來了硬件和軟件上的簡化，同時由于在性能和功耗比上的不斷提升，多核通用處理器逐漸能和DSP媲美。除了這些特點以外，通用處理器也有其他的優勢，比如使軟件開發可獨立于硬件和可提供豐富的編程環境和更大的開發者團體等。 基于IT的軟件無線電技術 什么是基于IT的軟件無線電技術呢？軟件無線電技術提了很多年，但一直實現在DSP、FPGA這樣專用的硬件芯片和系統中，這里我們要討論的是應用通用的多核處理器芯片，基于IT的開放架構和平臺來支撐無線系統的基帶的處理部分，能讓目前軟件定義的無線電進一步發展到理想的軟件無線電。 這樣的好處有，第一，對滿足不同的無線網絡需求，具有高靈活性和高可擴展性。第二，以一種高性價比的方法來構建無線網絡系統，就是一個高信價比的平臺。第三，因為是IT平臺，所以增值應用可以容易部署于邊緣。比如不同的通信系統可以部署在同一個節點中。第四，為物聯網市場快速孵化產業鏈，這涉及到比如頻譜的覆蓋等等。 用這樣的想法是不是構建的基站系統就沒有什么技術的挑戰？其實不然，在基站基帶處理中，約85%為物理層處理，我們追求在單個處理器核中，物理層的處理吞吐量是否能滿足標準的需求。其實整個無線系統是一個硬實時的系統，有采樣器在前面，要求處理器系統達到實時的性能，這本身就是一個挑戰。 通用處理器的挑戰包括，如何使高效的網絡協議棧用于支持高吞吐量的I/Q 數據 (1Gbps~10Gbps)。如何控制抖動，在多線程的環境下保證實時性能，如MAC層。如何控制抖動，以滿足與遠端射頻頭實時同步，并延時縮短。如何合理化數據隊列設計，在一個多層設計中，保證低時延，尤其在LTE advanced的4G系統中，對時延的要求很嚴格。如何在通用操作系統上支持實時性能也是我們要考慮的。 當我們綜合所有的問題之后，搭建出的成功平臺才能真正支撐無線基站。 無線網絡云 除了基于IT技術實現單個基站系統，未來接入網的架構也值得關注，因為現在遠端射頻頭的技術已經相當成熟，而把基帶集中化處理也是一個未來的趨勢。基于這樣的一個趨勢，如果把集中化基站池中的基站都使用通用的IT平臺支撐，那么未來可能基于IT的資源池可以支撐起未來的無線接入網，這就引發了無線網絡云的概念。無線網絡云的核心思想是使用云計算的技術和通用計算資源池來支撐未來無線接入網所有的基帶處理。圖3中所示為抽象的無線網絡云的架構，前端是分布在城市中的RRU，很多處理節點相連，并有同步的時鐘使得節點同步。
圖2 處理器性能與功耗
圖3 無線網絡云（1） 未來的無線網絡云中，在同一個物理節點，我們可以使用虛擬化的技術來支撐起一個個以軟件形式體現的虛擬基站。這包括兩個部分，第一部分是Hypervisor，這是一套系統軟件，為虛擬基站提供實時性能，第二部分是虛擬基站本身要支持的無線協議，比如LTE協議棧、CDMA協議棧。總體的系統管理將會針對各個虛擬站的系統資源進行靈活地調配，比如基站之間的協作。具體情況如圖4所示。 無線網絡云的技術挑戰 無線網絡云的實現包含了諸多的技術挑戰，具體包含以下幾項： • 基站服務器與RRH之間的定時同步 • 在實時環境中的系統資源分配 • 基于通用操作系統的實時和抖動控制 • 打破傳統“固定”設計的，高效的并行編程模型 • 在混合系統中，如何共享一些特殊的處理資源，如硬件加速器 • 在多節點系統中，如何嚴格控制時延 • 基于以太網和操作系統的時鐘網絡 針對這些系統級的挑戰，IBM中國研究院致力于為業界推動這個趨勢和克服這些技術挑戰，繪制未來無線網絡云的美好藍圖，并通過開源項目的合作推動基于IT多核通用處理器的軟件無線電技術的發展。 在這個過程中，IBM搭建虛擬基站池(virtual base station pool)的試驗平臺，如圖5所示。基站池將基于通用處理器和通用IT平臺。在同一個基于IT的軟件無線電平臺上支持 LTE advanced、 TD-SCDMA 和 GSM并支持基站間的協作處理（collaborative MIMO）。
圖4 無線網絡云（2）
圖5 虛擬基站池實驗平臺案例 總結 無線與IT融合的趨勢需要一個多學科多領域的合作才能夠達成。技術的推動是至關重要的，例如電子工程中無線算法的并行化設計、實時系統的設計以及計算機科學中操作系統的設計、編程模型和并行計算等這些復雜的系統的推進。在功耗上，通用處理器確實目前不占優勢。但在基于這樣的靈活的資源池的基礎上，可以推動業界的創新研究。無線和IT的融合不僅是IT產業的發展也不僅僅是無線的發展，開放的未來架構才是我們更需要關注和推動的課題。 更多詳細內容，敬請瀏覽：http://seminar.eccn.com/101111/tindex.asp 問答選編 問：云計算是個“黑盒子”，存在許多危險因素如安全問題，如黑客問題等，請問如何解決這些危險因素？ 答：云計算中的云，可以分為許多種類。如面對公眾服務的公共云，由某個企業所建立的企業私有云，或由某個行業為主體面對多個行業企業的行業云(industry cloud)。在我們這里提到的無線網絡云，因為是服務于移動網絡的接入網，是移動網絡的最重要的部分。所以應該至少是一個企業的私有云，即運營商的數據中心為基礎建立的。其安全問題和黑客問題將比公眾云要更為可控。 問：無線網絡云中的無線帶寬接入主要有幾種方式？接入 帶寬要求有多高？ 答：無線網絡云中，我們希望建立一個靈活的架構來支撐不同的無線接入技術。它尤其適用于運營商的大規模網絡部署。所以主要支持的接入技術可以是目前的2G、3G甚至是未來的4G LTE技術。如果這里所問的接入帶寬是指由各個RRU介入到無線網絡云中的虛擬基站池的帶寬，則該帶寬的要求相當高。以LTE 2×2MIMO 10MHz為例，一路就需要約1.25Gbps。為了體現云的價值，我們需要把幾十路，甚至上百路的RRU信號接入，所以對于該無線網絡云來說，帶寬的要求至少是100Gbps量級的。 問：請問IBM的POWER-EN什么時候推出，是用于基站嗎？從命名來說POWER-EN似乎是要兼顧嵌入式和通信市場 答：Power-EN已經推出。其主要適用于高速網絡處理，達10Gbps~40Gbps。對于單個基站而言，可以只使用其中的少數內核。在無線網絡云的集中式架構中，Power-EN能發揮的能力更為明顯。可以集中化處理多個虛擬基站的網絡處理部分。目前的Power-EN因為支持的工作頻率比較高，嵌入式市場不是主要考慮的對象。主要考慮如通信市場、數據中心或企業應用等。 問：IT與無線融合，對我們有什么重大意義？能否簡單舉個例子嗎？ 答：在無線與IT的融合中，我們希望能利用IT業界的能力，如先進的處理器技術，先進的I/O技術來加速無線系統的發展。由于多年IT業界的激烈競爭，許多用于IT范疇的平臺和I/O設備的價格已經比較低，標準化也做得相當好。所以，我們希望利用這些優勢，幫助未來的無線設備降低成本，降低開發的難度，也更有助于支持未來像LTE advanced之類的十分挑戰的系統。 問：Power7用于通信，成本是否太高？ 答：Power7的能力主要體現在單節點的處理能力強。如果僅僅是考慮目前2G/3G的單基站方案，顯然是不合適的，因為并沒有充分發揮其能力。但如果考慮未來4g中的LTE advanced或無線網絡云的集中式部署方案，Power7的單節點能力將體現其價值。 問：從目前無線網絡看，主要的投資成本是消耗在無線接 入網部分，采用無線網絡云技術能否可以降低成本呢？ 答：答案是肯定的。其主要方式體現在三點： （1）基于通用IT架構，能降低硬件成本，開發成本， 以及無線系統升級換代的成本。 （2）通過集中式部署，能進一步降低部署上的成本。 （3）目前的蜂窩網絡有著明顯的潮汐效應，蜂窩與蜂窩之間負載十分不平衡。通過無線網絡云，我們可以進一步通過調度來提高基帶處理硬件的利用率，降低需要部署的總體硬件成本。 問：無線網絡云是開放體系架構，它的安全和保密技術如何處理和保證？ 答：無線網絡云中需要重點考慮的是穩定和安全。例如，如果我們使用通用的操作系統，像Linux，如何保證在多個虛擬基站之間不會被互相影響？從部屬的角度，我們會建議運行商采用私有云的方式來建設，從而通過強有力的防火墻和物理隔離，杜絕外界非法訪問的可能性。 問：多核系統往往是高端設備，為什么選擇Linux，而不是實時性更好，穩定性更高的vxworks？軟件無線電會不會以FPGA為設計平臺，會不會用到Linux？ 答：多核系統未必全部都是高端設備，例如Freescale提供的P1xxx和P2xxx往往應用于接入設備中。關于選擇Linux，這是市場和技術的發展所決定的。現在越來越多的客戶在選擇Linux，而且Linux本身的性能也在不斷提高。在IBM所推行的基于IT架構的軟件無線電技術中，我們如果要對接目前業界的基于CPRI或OBSAI的RRU，則會使用一片FPGA來進行協議接口的轉換。例如把這些協議轉換為PCIe等。但主題設計平臺將以通用多核處理器為主。我們會主張使用Linux的。 問：怎么評估“虛擬基站”和真實基站的價值？ 答：一般對于運行商而言，基站的采購是以每載扇來進行的。所以，對于虛擬基站的出現，由于有了更多的動態性，將對其價格的評估提出新的問題。 問：采用無線網絡云技術建立的網絡能不能覆蓋網絡節點無法的偏遠落后地區？ 答：這個取決于運營商的光纖鋪設程度。無線網絡云主要解決的是基站密集地區的問題。 From the Software Radio Technology to the Wireless Network Cloud 在線座談（Online Seminar）是中電網于2000年推出的創新服務，通過“視頻演示＋專家解說＋在線問答”三位一體相結合的形式，充分發揮網絡平臺的便捷性，實現了先進半導體技術提供商與系統設計工程師的實時互動交流，其形式和內容都廣受電子行業工程師的好評。本刊每期將挑選一些精華內容整理成文，以饗讀者。欲了解更多、更詳細的內容，敬請登錄http://seminar.eccn.com。 。 |
