OpenBTS - 民间的移动网络

在美国内华达州北部，靠近加州的峡谷中，有一片平坦的沙漠，名叫黑岩沙漠（Black Rock Desert）。自从1986年以来，每年夏天，在这片沙漠中，都会举办一个为期八天的狂欢节。这个狂欢节的名字叫“火人（Burning Man）”，节日的高潮是点燃一个木制的人偶，寓意烈火涅磐。

2009年火人狂欢节吸引了4万多人，木制的人偶高达20米。在为期8天的节日期间，全部参与者自发组成一个短暂的城市，成为这个城市的居民，他们通过各式各样的雕塑和其它艺术品，声光和机械装置，前卫服饰甚至裸体，以及形形色色的行为艺术，来表达自己。


Figure 1. Burning Man Festival
Courtesy链接出处


Figure 2. Black Rock City, a 8-day self-organized city in desert for the Burning Man Festival.
Courtesy链接出处

很多人认为，火人狂欢节是民间力量的一次盛会，城市的管理由志愿者承担，唯一的公共设施是厕所，唯一使用货币的商业活动是售卖冰和饮料，其它生活用品和食 物由参与者自理。这里没有政府，没有警察，甚至没有移动运行商。由于没有赢利前景，没有哪一家移动运行商愿意在这片沙漠地区架设基站。

但是民间力量自己动手解决了移动通讯的问题。2008年火人节，OpenBTS做了初步试验，一年后，2009年的火人节，OpenBTS正式亮相。 OpenBTS利用开源软件，自行搭建了一个移动网络。这个民间移动网络，不仅解决了4万多名火人节的参与者之间的本地移动通讯，而且可以还可以连接到区 域外的商用移动网络 [1]。


Figure 3. OpenBTS 70-feet tower with 3 antennas [1]
Courtesy链接出处


Figure 4. OpenBTS facilities [2]
Courtesy链接出处


Figure 5. OpenBTS hardware integration [3]
Courtesy链接出处

Figure 3, 4, 5分别显示了OpenBTS使用的天线，部分硬件设备，尤其是射频部分的硬件设备，以及系统结构。整个射频系统的关键部件是USRP，USRP代表通用软 件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral）。

传统上无线电处理基本上由硬件设备完成。 USRP的设计理念是把智能化程度比较高的信号处理，交给PC上的软件执行，包括调制和解调。而其余的按部就班的简单操作，包括数字上下变频，抽样和内插 等等，交给USRP板上的FPGA完成。USRP板与PC之间，通过USB端口连接。

把按部就班的简单操作，与智能化程度比较高的工作分开，分别交给硬件和软件合作完成，即保证了无线电信号处理的速度，又有利于创造新型无线设备，尤其是降低创新所面临的开发难度。


Figure 6. OpenBTS system and its integration with PLMN and PSTN [2]
Courtesy链接出处

射频部分的硬件设备，只是整个OpenBTS系统的一部分。Figure 6显示的是OpenBTS系统的全貌。

把70英尺高天线，加上射频硬件包括USRP，通过USB端口，连接到一台PC上，就完成了一个完整的民间移动网络的硬件构建。火人节居民之间的本地移动通讯，由OpenBTS系统独立完成，不需要外界商用移动网络的协助。

OpenBTS的软件系统包括三部分，

1. OpenBTS，充当传统移动网络中手机基站（BTS）和基站控制器（BSC）的角色，它的基本功能是调制和解调，给每一路通讯分配一个信道，监测信号强弱等等。

2. Asterisk，充当传统移动网络中程控交换机（PBX）和移动交换中心（MSC）的角色。如果两个火人节手机用户想通话，Asterisk负责建立本 地的点对点的通讯。如果一个火人节手机用户想给区域外的手机用户通话，那么Asterisk通过Link2Voip公司提供的VOIP Gateway，建立与区域外移动网络和固话网络的联系。

3. MySQL数据库，负责手机用户帐号管理，同时也负责传统移动网络中HLR（Home Location Register）和VLR（Visitor Location Register）的职能。

如果说目前商业的移动网络，离不开手机，基站（BTS），基站控制器（BSC），移动控制中心（MSC），以及（HLR/VLR）五大要素，那么 OpenBTS系统，事实上除了手机外，不需要其它四个要素，就可以组建一个实用的移动网络。是否就此可以做出结论，OpenBTS一旦成熟，将成为现有 移动运行商的掘墓人呢？


Reference，

[1] Phone at burning man. Can you hear me now? (http://news.cnet.com/8301-27080_3-10348913-245.html)
[2] OpenBTS and its demo in the Burning Man's festival, by David Burgess 2009. (http://www.slideshare.net/eCommConf/david-a-burgesss-presentation-at-ecomm-2009)
[3] Burning Man 2009 OpenBTS RF Chain. (http://gnuradio.org/trac/wiki/OpenBTS/BM2009RF)

2 频段的故事

OpenBTS系统有两个看点。一个是无线收发，尤其是频段的处理，另一个是网络系统，尤其是替代传统的基站（BTS），基站控制器（BSC），移动控制中心（MSC），以及（HLR/VLR）的另类方案。

先说频段，故事要从1894年说起。这一年，德国物理学家Heinrich Hertz去世。Hertz一生成就颇丰，其中最重要的莫过于发现了电磁波。Hertz去世以后，生前没有发表的笔记被整理出版。这一年，年仅20岁的意 大利小伙子Guglielmo Marconi去阿尔卑斯山休假，行李里揣着一本Hertz笔记。在寂静而空气清新的山里，Marconi潜心阅读这些笔记。读着读着，灵感突现，他想到 或许可以利用发射和接收电磁波的办法，来实现信息传递。越想越兴奋，于是他放弃了休假，连忙下山，回到实验室里奋战了十多天，历史上第一台无线电报机就这 样问世了。

接下去找风险投资，但是找遍意大利，没人理会。无奈之下，两年后，Marconi决定去闲钱比较多的英国碰碰运气。果然伦敦是Marconi转运之地，无 线电报这个发明，得到了英国邮电部总工的青睐。有了强大的资金做后援，无线电报的发展一帆风顺。无线电台的发射半径从6公里，到16公里，急剧扩大到 3000公里。很快，越洋电报实现了，Marconi的事业扩张到了北美。