基于5G通信時代的開放平臺小基站建設(shè)

金 劍

（中國鐵塔股份有限公司湘潭市分公司，湖南 湘潭 411100）

經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)階段無線通信業(yè)務(wù)中，流量業(yè)務(wù)有80%以上發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境中，但是這部分流量業(yè)務(wù)的75%都是由室外基站來承擔。5G通信的傳輸頻段遠高于現(xiàn)有頻段，其網(wǎng)絡(luò)部署在C-band或者是毫米級波頻段，室外基站的信號覆蓋深度，無法滿足室內(nèi)通信在無線業(yè)務(wù)中容量、覆蓋和網(wǎng)絡(luò)的需求，因此，開放平臺小基站建設(shè)是5G通信時代的必然選擇。

1 現(xiàn)有基站天線分布系統(tǒng)

現(xiàn)有的基站天線系統(tǒng)是由饋線、耦合器、功分器、吸頂天線等組成的無源分布式天線系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)表明，在5G通信環(huán)境下，如果采用無源分布天線進行數(shù)據(jù)傳輸，其信號的損耗在室外達到4 db，在室內(nèi)可以達到3～6 db，其鏈路總損耗差異達到7～10 db。因此，無源分布式天線不能滿足5G通信的頻段，對現(xiàn)有基站系統(tǒng)的5G改造也面臨著成本高、損耗大、實施難、技術(shù)可行性低的囧境；同時，無源分布式系統(tǒng)的管理無法實現(xiàn)可視化，在面對系統(tǒng)故障的時候，只能采用人工排查手段對線路進行問題查找，使其運行維護成本居高不下，工作效率也比較低。

5G通信基站如果采用現(xiàn)有基站的模式，啟用大規(guī)模MIMO，其建設(shè)成本投入相當巨大。64TR的基站建設(shè)成本是現(xiàn)有通信基站的5倍，采用4T4R分布式基站，成本是也是現(xiàn)有基站建設(shè)的2倍以上，并且5G通信基站的功耗也是現(xiàn)有基站功耗的5倍以上。這就要求基站蓄電池、機柜以及供電線路等相關(guān)設(shè)施都要改造和加大投入，導(dǎo)致5G通信的全面部署面臨極大的資金投入，后期電力成本也急劇攀升。

2 開放平臺小基站建設(shè)

5G通信具有時延低、速率高、連接網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的特點并且5G通信網(wǎng)絡(luò)可以支持高精度的定位和邊緣化計算等新能力，5G時代將是實現(xiàn)萬物互聯(lián)新時代。這也使得支撐5G通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求面臨著新的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施及其技術(shù)已經(jīng)無法滿足5G通信新時代的要求。

隨著5G通信投入運營所面對的技術(shù)問題，新的理論也不斷地被提出。其中，開放和解耦的新入網(wǎng)方式便是其中的一種，其理論是以接口開放化、軟硬件同時解耦合接入網(wǎng)絡(luò)智能化為理念，利用現(xiàn)有AI技術(shù)，進一步提升5G通信網(wǎng)絡(luò)的智能化水平，為通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了全新的機會，從而催生了基于5G通信時代的開放平臺小基站技術(shù)。

2.1 5G通信開放平臺小基站的組成及功能

開放平臺小基站的主機是基于X86開放平臺設(shè)計，設(shè)備接入容量大，兼容性高，可以滿足不同環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與覆蓋，運用軟硬件解耦方式，可以深度融合通信行業(yè)中的各種應(yīng)用。開放平臺小基站的設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 開放平臺小基站的設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

開放平臺小基站分別由3部分組成：遠端覆蓋單元、擴展單元和接入單元。其中，遠端覆蓋單元具備微功率射頻收發(fā)，用以實現(xiàn)5G通信信號的分布式覆蓋；擴展單元主要是實現(xiàn)頻率可覆蓋區(qū)域內(nèi)的上下行信號交換和通信數(shù)據(jù)的分發(fā)與匯聚，同時為遠端覆蓋單元提供電力支持；接入單元完成基帶部分的信號處理以及上下行信令的交互。

2.2 遠端覆蓋單元

開放平臺小基站的遠端覆蓋單元由4個模塊組成，分別是供電與外圍電路模塊、傳輸接口模塊、CPU控制模塊以及收發(fā)模塊。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 遠端覆蓋單元模塊組成

其中，供電與外圍電路模塊的主要功能是為遠端覆蓋單元提供電力接入以及保障其他系統(tǒng)運行的外圍電路；傳輸接口的主要功能是提供各擴展單元的信號數(shù)據(jù)傳輸以及對所有遠端覆蓋單元的時鐘同步；CPU控制模塊由MCU芯片組成，為遠端覆蓋單元的核心部分，提供系統(tǒng)功能加載、維護操作、完成系統(tǒng)指令等功能；收發(fā)模塊主要功能是完成模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，同時具有5G通信射頻信號的接收和發(fā)送功能，并且能做到對發(fā)射信號進行功率放大，對接收信號進行降噪。

2.3 擴展單元

開放平臺小基站擴展單元由3個模塊組成，分別是供電與外圍電力模塊、信號匯集與分發(fā)模塊以及CPU處理模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 擴展單元模塊組成

其中，外圍電路模塊為擴展單元和遠端覆蓋單元提供電力支持，同時為維持擴展單元運行的其他功能提供外圍電路；匯集與分發(fā)模塊作為中間模塊，主要功能是實現(xiàn)通信信號數(shù)據(jù)的傳輸，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集，并提供單元邏輯控制功能，實現(xiàn)主機與遠端覆蓋單元的邏輯同步以及時鐘同步；CPU控制模塊作為單元核心，為擴展單元提供數(shù)據(jù)流程管理，并為單元系統(tǒng)管理維護提供可操作功能。

2.4 接入單元

開放平臺小基站接入單元由2部分組成，分別是基于X86的服務(wù)器和FPGA板卡；接入單元是開放平臺小基站與5G通信核心網(wǎng)絡(luò)的連接端，其基于X86的服務(wù)器，可以根據(jù)平臺的容量要求完成配置，并且實現(xiàn)通信協(xié)議和部分物理功能，并且可以與管理系統(tǒng)對接，實現(xiàn)遠程系統(tǒng)設(shè)備管理；FPGA板卡可以實現(xiàn)比特級信號加速，同時為整個小基站提供邏輯控制以及時鐘同步。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 接入單元組成

3 開放平臺小基站的功能優(yōu)勢

開放平臺小基站概念的提出，滿足了5G通信時代新技術(shù)的新要求，通過軟硬解耦的方式，提供了高效率、低延時、大帶寬的通信信號傳輸方式，為實現(xiàn)5G時代的萬物互聯(lián)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，其功能的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面：

降低基站建設(shè)成本：采用三級構(gòu)架的靈活配置，根據(jù)應(yīng)用場景需求和業(yè)務(wù)量配置遠端單元數(shù)量，減少系統(tǒng)冗余，降低建設(shè)成本。

基于X86處理器平臺：X86處理器作為核心服務(wù)器的處理器，其平臺必然是開放的，在提供高帶寬，低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，可以通過開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備管理軟件，滿足不同的設(shè)備管理需求。不僅改變現(xiàn)有的基站設(shè)備人工管理模式，同時可以在應(yīng)用端根據(jù)應(yīng)用需求，實現(xiàn)多功能同步服務(wù)。

小型化系統(tǒng)構(gòu)架：遠端覆蓋單元將天線集成，整個設(shè)備小巧輕便，安裝簡易，施工部署方便、美觀、快捷，各系統(tǒng)單元間采用復(fù)合光纖連接供電，既能快速高效完成數(shù)據(jù)傳輸，也減少了普通通信基站過大的電能消耗。

4 結(jié)語

5G通信時代的到來，給通信行業(yè)帶來的不僅是挑戰(zhàn)，同時也帶來了更大的市場和機遇。在5G通信基站的建設(shè)領(lǐng)域，由于其特殊性，現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)布局已不能體現(xiàn)5G通信的優(yōu)勢。無源分布式天線基站不論是從系統(tǒng)功能上還是經(jīng)濟效益上，都不能與5G通信完美結(jié)合。因此，必須將基站建設(shè)的靈活性和前瞻性融入整個基站的建設(shè)考慮當中，面向室內(nèi)的有源基站成為當下最好的選擇。雖然其技術(shù)成熟度并不完善，一部分設(shè)備仍然處于研究階段，但開放平臺小基站概念的提出，對于5G通信的應(yīng)用，依然具有劃時代的意義。