中國聯(lián)通5G基站設(shè)備架構(gòu)及演進(jìn)要求

曹 亙，呂 婷，張 濤，李福昌，馮 毅（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 前言

3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)組織于2018年12月底宣布基本完成非獨立組網(wǎng)（NSA——Non-Standalone）Option3系列架構(gòu)和獨立組網(wǎng)（SA——Standalone）Option2架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定工作［1］。全球5G設(shè)備廠商加快商用設(shè)備研發(fā)進(jìn)度，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全面駛?cè)肟燔嚨?。韓國、美國、英國等電信運營商相繼宣布5G商用網(wǎng)絡(luò)開通。中國聯(lián)通于2019年4月上海合作伙伴大會上發(fā)布“7+33+n”5G網(wǎng)絡(luò)部署計劃，在北京、上海、廣州、雄安等7個城市正式開通5G試驗網(wǎng)，其他33個城市實現(xiàn)熱點區(qū)域覆蓋，同時選擇n個城市開展5G行業(yè)應(yīng)用試驗［2］。

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)逐步成熟，運營商需要考慮5G基站設(shè)備的商用部署規(guī)劃、5G頻段、組網(wǎng)場景等實際需求，本文主要從設(shè)備分類、設(shè)備功能、設(shè)備能力等幾方面綜合規(guī)劃5G基站設(shè)備能力要求。

1 5G基站設(shè)備分類及要求

5G基站要完成與終端、核心網(wǎng)之間的全部通信功能。5G基站設(shè)備可以分為專用硬件平臺和通用硬件平臺兩大類。專用硬件平臺經(jīng)過多年發(fā)展，基站設(shè)計方案比較成熟。5G基站設(shè)備主要采用專用硬件平臺，通過定制化芯片、器件、配套軟件等實現(xiàn)方案，可以高效地實現(xiàn)3GPP標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)協(xié)議的功能。但是，基于通用硬件平臺（例如X86平臺）也可以實現(xiàn)某些協(xié)議功能，例如RRC、SDAP和PDCP等協(xié)議功能。隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟，通信系統(tǒng)的硬件與軟件功能將逐漸實現(xiàn)分層解耦，通用硬件平臺將會支持更多軟件功能。

下面分別從基站設(shè)備分類、設(shè)備架構(gòu)及模塊、設(shè)備重要性能指標(biāo)等幾方面介紹基站設(shè)備分類及要求。

1.1 5G基站類型分類

5G基站按照設(shè)備物理形態(tài)和功能，可以分為宏基站設(shè)備和微站設(shè)備兩大類。宏基站主要用于室外廣覆蓋場景，一般設(shè)備容量大，發(fā)射功率高；微站設(shè)備主要用于室內(nèi)場景、室外覆蓋盲區(qū)或室外熱點等區(qū)域，設(shè)備容量較小，發(fā)射功率相對較低。

3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)定義了CU/DU分離架構(gòu)，CU和DU設(shè)備為邏輯單元，其中，CU設(shè)備可基于通用設(shè)備（如X86服務(wù)器）或?qū)Ｓ性O(shè)備實現(xiàn)。而DU設(shè)備可劃分為BBU和AAU設(shè)備或者BBU、RRU和天線等設(shè)備。

CU/DU分離架構(gòu)下，5G基站一般由1個CU設(shè)備和若干DU設(shè)備組成，CU和DU設(shè)備之間通過F1接口連接。CU設(shè)備支持RRC、SDAP和PDCP協(xié)議棧功能（如Option2架構(gòu)，此時連接5G核心網(wǎng)）或者RRC和PDCP協(xié)議棧功能（如Option3x架構(gòu)，此時用于EPC場景）。DU具備RLC、MAC和PHY協(xié)議棧功能［3］。如圖1所示，宏基站射頻部分和天饋部分集成為AAU設(shè)備，或射頻部分為RRU設(shè)備，天饋部分為獨立天線設(shè)備。AAU設(shè)備通道數(shù)一般大于或等于16通道，同時為了減少饋線損耗，將射頻天饋2部分集成在一起。在通道數(shù)較少的場景，采用RRU和天線獨立的設(shè)備形態(tài)。

圖1 5G基站設(shè)備分類

對于CU/DU一體化設(shè)備類型，由于5G BBU設(shè)備集成CU和DU功能，其設(shè)備形態(tài)與3G、4G基站設(shè)備形態(tài)基本相同。AAU、RRU和天線設(shè)備與CU/DU分離架構(gòu)的設(shè)備相同。目前，CU/DU分離架構(gòu)設(shè)備還不成熟，不能滿足商用要求。商用宏基站設(shè)備為CU/DU一體化設(shè)備。

微站設(shè)備一般分為一體化基站（gNB）和分布式微站2類，如圖1“微站設(shè)備”所示。一體化gNB主要用于室外或室內(nèi)場景，完成單點覆蓋。分布式微站由基帶部分（BBU設(shè)備提供信源）、匯聚單元（HUB設(shè)備）和射頻單元組成，一般用于室內(nèi)場景，其射頻單元功率較低，覆蓋范圍較小。

1.2 5G基站設(shè)備架構(gòu)

如圖2所示，5G基站設(shè)備按功能可劃分為基帶單元、射頻單元、天饋單元等幾個主要模塊，各模塊之間通過外部接口或內(nèi)部接口相連。

圖2 5G基站設(shè)備分類（以CU/DU分離架構(gòu)為例）

在CU/DU分離架構(gòu)下，CU設(shè)備與DU設(shè)備之間通過中傳接口相連（F1接口［4-8］），CU設(shè)備與5G核心網(wǎng)之間通過NG接口［9-14］相連。CU設(shè)備若采用通用硬件平臺，為了便于用戶數(shù)據(jù)處理，除通用硬件處理模塊以外，還配置硬件加速卡，主要完成加密/解密、數(shù)據(jù)包分段/組合等功能。同時，也需要考慮電源、同步等模塊要求。

5G基帶單元（主要指BBU設(shè)備）負(fù)責(zé)完成5G PHY層（部分功能）、MAC層、RLC層等協(xié)議基本功能以及接口功能，其中包括用戶面及控制面相關(guān)功能，接口功能包括基站設(shè)備與核心網(wǎng)之間的回傳接口、基帶模塊與射頻模塊之間前傳接口（例如eCPRI接口［15］）、時鐘同步等物理接口。

5G射頻單元（例如AAU設(shè)備）主要完成數(shù)字信號與射頻模擬信號之間轉(zhuǎn)換，以及射頻信號的收發(fā)處理功能，同時還需要支持上移到射頻模塊中的部分物理層功能。

CU/DU一體化基站設(shè)備如圖3所示，BBU設(shè)備增加了回傳模塊替換中傳模塊，基帶模塊具備PDCP/SDAP、RLC、MAC、PHY層（部分PHY層）功能。

圖3 5G基站設(shè)備分類（以CU/DU一體化架構(gòu)為例）

BBU設(shè)備形態(tài)可分為基帶主控一體型、基帶主控分離型2種產(chǎn)品形態(tài)。對于基帶主控一體式BBU，基帶處理單元、主控單元、傳輸接口單元集成在一塊物理板卡上，該架構(gòu)具有集成度高、功耗低等特點。對于基帶主控分離型BBU，基帶處理單元與主控單元分別對應(yīng)基帶板和主控板，分離式架構(gòu)支持板卡間靈活組合，便于硬件靈活擴(kuò)容。

1.3 5G基站設(shè)備關(guān)鍵器件

基站設(shè)備廣泛采用模塊化設(shè)計方案，關(guān)鍵器件定制開發(fā)，集成度高，完成專有功能效率高。5G基站BBU設(shè)備關(guān)鍵器件主要包括多核處理器、基帶芯片，接口模塊，存儲、電源等模塊。AAU設(shè)備關(guān)鍵器件包括基帶芯片、數(shù)字中頻芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、功放器件、低噪放器件、雙工器等。上述關(guān)鍵器件決定基站設(shè)備最大處理能力、設(shè)備重量、尺寸、功耗等指標(biāo)。

核心芯片隨著工藝提高，芯片集成度及能力都有顯著提高，這對于減少設(shè)備尺寸、放松散熱要求、降低設(shè)備功耗等都有重要意義。當(dāng)然，核心器件自主研發(fā)及供應(yīng)鏈能力，也是確保產(chǎn)業(yè)鏈供貨穩(wěn)定、企業(yè)長久發(fā)展的核心能力要求。

1.4 5G基站設(shè)備重要指標(biāo)

5G基站設(shè)備的指標(biāo)是衡量設(shè)備能力是否滿足商用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于CU設(shè)備暫不成熟，目前重點考慮支持小區(qū)數(shù)、最大用戶數(shù)以及用戶數(shù)據(jù)處理能力等指標(biāo)，后續(xù)應(yīng)根據(jù)商用產(chǎn)品完善CU設(shè)備衡量指標(biāo)。目前，應(yīng)重點考慮CU/DU一體化架構(gòu)的設(shè)備重要指標(biāo)，其中，按照設(shè)備類型可以劃分為BBU設(shè)備指標(biāo)和AAU設(shè)備指標(biāo)。

1.4.1 BBU設(shè)備指標(biāo)

BBU設(shè)備指標(biāo)包括最大小區(qū)數(shù)、載波帶寬、用戶面處理能力、信令處理能力、前傳帶寬及接口數(shù)量、回傳帶寬及接口數(shù)量等指標(biāo)。BBU用戶面處理能力主要包括數(shù)據(jù)處理能力、最大數(shù)據(jù)流數(shù)、激活用戶數(shù)、并發(fā)調(diào)度用戶數(shù)等核心指標(biāo)。數(shù)據(jù)處理能力包括單小區(qū)峰值速率和多小區(qū)最大峰值速率。數(shù)據(jù)處理能力是基帶板、主控板的硬件的核心處理能力，與支持小區(qū)數(shù)、載波帶寬、調(diào)度用戶數(shù)等密切相關(guān)，綜合體現(xiàn)設(shè)備硬件能力與軟件處理能力。由于5G采用Massive MIMO技術(shù)，多流處理能力對提高基站容量有重要意義。多流處理能力與AAU通道數(shù)、天線數(shù)、基帶算法等緊密相關(guān)。目前，64T64R AAU設(shè)備已支持下行16流/上行8流的處理能力。BBU用戶面處理能力相對4G系統(tǒng)有大幅提高。

BBU信令處理能力指標(biāo)包含RRC連接數(shù)、BHCA等，BBU設(shè)備信令處理能力不受限于硬件資源，目前，BBU信令處理能力遠(yuǎn)高于單站移動互聯(lián)網(wǎng)（eMBB）業(yè)務(wù)對信令處理能力的要求（例如RRC連接數(shù)等指標(biāo)），后續(xù)應(yīng)考慮支持mMTC等垂直行業(yè)用戶的大連接密度需求。

1.4.2 AAU設(shè)備指標(biāo)

AAU設(shè)備指標(biāo)包括工作頻段、工作帶寬、最大發(fā)射功率、設(shè)備通道數(shù)、天線陣子數(shù)、峰值速率等基本指標(biāo)，還包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)等射頻指標(biāo)以及方向圖等天線指標(biāo)。

AAU設(shè)備通道處的天線陣子數(shù)等指標(biāo)主要影響AAU設(shè)備的外觀尺寸和重量，而其他指標(biāo)對設(shè)備性能影響較大。

目前，AAU設(shè)備必須支持3.5 GHz工作頻段，工作帶寬應(yīng)滿足100 MHz載波帶寬。若考慮共建共享場景，AAU設(shè)備應(yīng)具備支持150~200 MHz帶寬的能力。比較成熟的AAU商用設(shè)備主要是64T64R最大發(fā)射功率為200 W的設(shè)備，可滿足5G建設(shè)初期密集城區(qū)的部署需求。若支持共建共享200 MHz帶寬，則輸出功率應(yīng)滿足400 W的要求。

另外，5G AAU通過大規(guī)模天線陣技術(shù)和波束賦形技術(shù)，既可以支持靈活的廣播信道波束配置方案，也支持業(yè)務(wù)信道的多種配置方案。對于64T64R AAU，天線陣子數(shù)已達(dá)到192個，通過波束賦型可靈活改變AAU下行覆蓋能力。

2 5G基站設(shè)備演進(jìn)需求

2.1 5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇

3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了 Option3、Option2、Option4和Option7等多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為運營商網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)提供多種技術(shù)演進(jìn)路線。目前，全球主要運營商重點關(guān)注Option3x和Option2 2種架構(gòu)，分別對應(yīng)NSA組網(wǎng)方案和SA組網(wǎng)方案。對于國內(nèi)運營商而言，5G頻譜資源稀缺，基站設(shè)備投資成本高，為了提高設(shè)備利用率同時兼顧不同組網(wǎng)架構(gòu)的商用網(wǎng)絡(luò)部署需求，需要推動NSA/SA雙棧能力研究。

2.2 中國聯(lián)通5G基站設(shè)備部署的思考

中國聯(lián)通5G基站設(shè)備演進(jìn)應(yīng)綜合考慮頻譜需求、組網(wǎng)場景、設(shè)備類型及成熟度等因素。

2.2.1 頻譜情況

中國聯(lián)通已獲得3.4~3.5 GHz頻段，共計100 MHz用于部署5G網(wǎng)絡(luò)。由于該頻段上行和下行覆蓋不平衡，5G小區(qū)覆蓋主要受限上行小區(qū)覆蓋能力。借鑒國外運營商的成熟經(jīng)驗，隨著5G終端滲透率不斷提高，運營商將優(yōu)先重耕現(xiàn)有頻譜。未來中國聯(lián)通可考慮重耕現(xiàn)網(wǎng)2.1 GHz、1.8 GHz等頻段，從而解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。

2.2.2 組網(wǎng)場景

5G基站應(yīng)優(yōu)先考慮部署在城區(qū)數(shù)據(jù)熱點區(qū)域或示范區(qū)域，后續(xù)再逐漸擴(kuò)大到一般城區(qū)。目前看來，5G商用初期，國內(nèi)運營商會選擇以NSA模式部署網(wǎng)絡(luò)，搶占用戶市場，然后再考慮在剩余區(qū)域部署SA架構(gòu)或者NSA/SA雙棧架構(gòu)。

對于64T64R AAU設(shè)備和BBU等成熟商用設(shè)備，也將從密集城區(qū)向一般城區(qū)擴(kuò)大規(guī)模部署。這就要考慮32通道數(shù)等低通道解決方案，從而與64通道數(shù)AAU設(shè)備形成“高配-低配”組合。對于高鐵、隧道等場景，由于站間距等組網(wǎng)要求，需要考慮采用更低通道數(shù)RRU設(shè)備同時外接高增益天線的組網(wǎng)方案。

2.2.3 設(shè)備成熟度

現(xiàn)有的5G基站設(shè)備基帶能力比較低，未來隨著相關(guān)工藝技術(shù)不斷改進(jìn)，基帶能力也會有所提升。但是不同類型的AAU/RRU設(shè)備在收發(fā)通道數(shù)、總發(fā)射功率、工作帶寬指標(biāo)方面等差異比較大。在5G網(wǎng)絡(luò)部署中，需要結(jié)合具體場景，綜合考慮設(shè)備能力、綜合成本等因素，選擇最合適的設(shè)備類型。

3 結(jié)論

隨著5G商用進(jìn)展加快，運營商對5G商用基站設(shè)備關(guān)注度日益提高。5G基站設(shè)備從設(shè)備類型、部署適用場景、設(shè)備能力等方面全方位滿足網(wǎng)絡(luò)建設(shè)近期、中遠(yuǎn)期的需求。本文總結(jié)了現(xiàn)階段研究成果和產(chǎn)業(yè)界發(fā)展情況，對后續(xù)5G基站設(shè)備規(guī)劃提出一些建議與思考，為5G商用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供技術(shù)參考。