從軟件無線電技術(shù)到無線網(wǎng)絡(luò)云
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對于下一代無線接入網(wǎng),如何靈活地支持不同的無線標(biāo)準(zhǔn),如何更好地提高系統(tǒng)資源利用率,如何滿足快速增長的系統(tǒng)計(jì)算及I/O需求,都將是無線基站,乃至整個無線接入網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。
在IT工業(yè)界的快速推動下,多核通用處理器的技術(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能,亦使IT工業(yè)與無線工業(yè)的發(fā)展得到融合。
不難發(fā)現(xiàn),無線與IT的融合是關(guān)鍵。以Power多核處理器為例,通過基于IT通用架構(gòu)的軟件無線電基站設(shè)計(jì),其中蘊(yùn)藏著眾多的技術(shù)挑戰(zhàn)。針對未來的無線接入網(wǎng)構(gòu)架,IBM提出的無線網(wǎng)絡(luò)云,以云計(jì)算的技術(shù)來支撐未來的軟件無線電基站池。
無線與IT融合的挑戰(zhàn)
IBM發(fā)布了2010年的全球技術(shù)展望,其中,無線與IT的融合是重要的技術(shù)發(fā)展趨勢之一。我們看到由于無線的流量的快速增長而服務(wù)的質(zhì)量不斷提升,將對有限的頻譜資源及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來極大的壓力。
這種壓力體現(xiàn)為:第一,整個的處理都變得十分復(fù)雜,需要有很強(qiáng)的計(jì)算資源;第二,需要有高可擴(kuò)展的基站間的協(xié)作;第三,需要不斷地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的利用率。
圖1 單載波需求
所以,有兩種IT的基本技術(shù)可以服務(wù)于無線架構(gòu)的發(fā)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(shù);第二,是可擴(kuò)展的云架構(gòu),它將成為未來作為無線接入網(wǎng)的可能架構(gòu),即無線網(wǎng)絡(luò)云。
無線基站發(fā)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(fā)展,從第二代、第三代和第四代無線通訊各個標(biāo)準(zhǔn),單個載波的處理能力將是LTE advanced 10M的2×2MIMO的20倍,需要的計(jì)算是十分驚人的。
到2015年,一個3扇區(qū)的無線基站需要4500GIPS的計(jì)算能力和120Gbps的I/O接口能力。意味著如果使用現(xiàn)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(fù)雜的系統(tǒng),相當(dāng)具有挑戰(zhàn)。
多核通用處理器
從圖2中可以看到黑色的線標(biāo)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(jìn)的DSP進(jìn)行對比,可以看出多核通用處理器的優(yōu)勢,具體如下:
較強(qiáng)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(qiáng)的單芯片性能
Power 7 vs. Leading DSP = ~17x
有利于簡化硬件設(shè)計(jì)
較強(qiáng)的多芯片互聯(lián)能力
Power 7 x 32 sockets =》7000GFLOPS
有利于簡化軟件設(shè)計(jì)
由于通用處理器的強(qiáng)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(diǎn)以外,通用處理器也有其他的優(yōu)勢,比如使軟件開發(fā)可獨(dú)立于硬件和可提供豐富的編程環(huán)境和更大的開發(fā)者團(tuán)體等。
基于IT的軟件無線電技術(shù)
什么是基于IT的軟件無線電技術(shù)呢?軟件無線電技術(shù)提了很多年,但一直實(shí)現(xiàn)在DSP、FPGA這樣專用的硬件芯片和系統(tǒng)中,這里我們要討論的是應(yīng)用通用的多核處理器芯片,基于IT的開放架構(gòu)和平臺來支撐無線系統(tǒng)的基帶的處理部分,能讓目前軟件定義的無線電進(jìn)一步發(fā)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(wǎng)絡(luò)需求,具有高靈活性和高可擴(kuò)展性。第二,以一種高性價比的方法來構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),就是一個高信價比的平臺。第三,因?yàn)槭荌T平臺,所以增值應(yīng)用可以容易部署于邊緣。比如不同的通信系統(tǒng)可以部署在同一個節(jié)點(diǎn)中。第四,為物聯(lián)網(wǎng)市場快速孵化產(chǎn)業(yè)鏈,這涉及到比如頻譜的覆蓋等等。
用這樣的想法是不是構(gòu)建的基站系統(tǒng)就沒有什么技術(shù)的挑戰(zhàn)?其實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的需求。其實(shí)整個無線系統(tǒng)是一個硬實(shí)時的系統(tǒng),有采樣器在前面,要求處理器系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時的性能,這本身就是一個挑戰(zhàn)。
通用處理器的挑戰(zhàn)包括,如何使高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧用于支持高吞吐量的I/Q 數(shù)據(jù) (1Gbps~10Gbps)。如何控制抖動,在多線程的環(huán)境下保證實(shí)時性能,如MAC層。如何控制抖動,以滿足與遠(yuǎn)端射頻頭實(shí)時同步,并延時縮短。如何合理化數(shù)據(jù)隊(duì)列設(shè)計(jì),在一個多層設(shè)計(jì)中,保證低時延,尤其在LTE advanced的4G系統(tǒng)中,對時延的要求很嚴(yán)格。如何在通用操作系統(tǒng)上支持實(shí)時性能也是我們要考慮的。
當(dāng)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(wǎng)絡(luò)云
除了基于IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)單個基站系統(tǒng),未來接入網(wǎng)的架構(gòu)也值得關(guān)注,因?yàn)楝F(xiàn)在遠(yuǎn)端射頻頭的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)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(wǎng),這就引發(fā)了無線網(wǎng)絡(luò)云的概念。
無線網(wǎng)絡(luò)云的核心思想是使用云計(jì)算的技術(shù)和通用計(jì)算資源池來支撐未來無線接入網(wǎng)所有的基帶處理。圖3中所示為抽象的無線網(wǎng)絡(luò)云的架構(gòu),前端是分布在城市中的RRU,很多處理節(jié)點(diǎn)相連,并有同步的時鐘使得節(jié)點(diǎn)同步。
圖2 處理器性能與功耗
圖3 無線網(wǎng)絡(luò)云(1)
未來的無線網(wǎng)絡(luò)云中,在同一個物理節(jié)點(diǎn),我們可以使用虛擬化的技術(shù)來支撐起一個個以軟件形式體現(xiàn)的虛擬基站。這包括兩個部分,第一部分是Hypervisor,這是一套系統(tǒng)軟件,為虛擬基站提供實(shí)時性能,第二部分是虛擬基站本身要支持的無線協(xié)議,比如LTE協(xié)議棧、CDMA協(xié)議棧。
總體的系統(tǒng)管理將會針對各個虛擬站的系統(tǒng)資源進(jìn)行靈活地調(diào)配,比如基站之間的協(xié)作。具體情況如圖4所示。[!--empirenews.page--]
無線網(wǎng)絡(luò)云的技術(shù)挑戰(zhàn)
無線網(wǎng)絡(luò)云的實(shí)現(xiàn)包含了諸多的技術(shù)挑戰(zhàn),具體包含以下幾項(xiàng):
基站服務(wù)器與RRH之間的定時同步
在實(shí)時環(huán)境中的系統(tǒng)資源分配
基于通用操作系統(tǒng)的實(shí)時和抖動控制
打破傳統(tǒng)“固定”設(shè)計(jì)的,高效的并行編程模型
在混合系統(tǒng)中,如何共享一些特殊的處理資源,如硬件加速器
在多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中,如何嚴(yán)格控制時延
基于以太網(wǎng)和操作系統(tǒng)的時鐘網(wǎng)絡(luò)
針對這些系統(tǒng)級的挑戰(zhàn),IBM中國研究院致力于為業(yè)界推動這個趨勢和克服這些技術(shù)挑戰(zhàn),繪制未來無線網(wǎng)絡(luò)云的美好藍(lán)圖,并通過開源項(xiàng)目的合作推動基于IT多核通用處理器的軟件無線電技術(shù)的發(fā)展。
在這個過程中,IBM搭建虛擬基站池(virtual base station pool)的試驗(yàn)平臺,如圖5所示?;境貙⒒谕ㄓ锰幚砥骱屯ㄓ肐T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(xié)作處理(collaborative MIMO)。
圖4 無線網(wǎng)絡(luò)云(2)
圖5 虛擬基站池實(shí)驗(yàn)平臺案例
總結(jié)
無線與IT融合的趨勢需要一個多學(xué)科多領(lǐng)域的合作才能夠達(dá)成。技術(shù)的推動是至關(guān)重要的,例如電子工程中無線算法的并行化設(shè)計(jì)、實(shí)時系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)中操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程模型和并行計(jì)算等這些復(fù)雜的系統(tǒng)的推進(jìn)。
在功耗上,通用處理器確實(shí)目前不占優(yōu)勢。但在基于這樣的靈活的資源池的基礎(chǔ)上,可以推動業(yè)界的創(chuàng)新研究。
無線和IT的融合不僅是IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不僅僅是無線的發(fā)展,開放的未來架構(gòu)才是我們更需要關(guān)注和推動的課題。