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          5G基站到底長啥樣?和4G有啥區(qū)別?

          閱讀:3394          發(fā)布時間:2020-4-18

          這是普通人眼中的4G和5G基站...

           

           

          這是通信人眼中的4G和5G基站...

           

           

          那4G和5G基站到底有啥區(qū)別?

           

          先來了解一下基站站點的組成。

           

          一個基站站點包括了基站設(shè)備和配套設(shè)備。其中,基站設(shè)備包括基帶單元、無線射頻單元和天線;配套設(shè)備包括傳輸設(shè)備、電源、備用電池、空調(diào)、監(jiān)控系統(tǒng)和鐵塔(抱桿)等。

           

          基站設(shè)備負責(zé)通過無線電波連接手機,并通過傳輸設(shè)備連接到核心網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng),而電源、備用電池、空調(diào)和監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)保障基站設(shè)備穩(wěn)定運行。

           

          5G站點與4G站點一樣,都少不了配套設(shè)備。通常4G和5G基站是共站的,即在原有的4G站點上疊加5G設(shè)備。由于疊加5G設(shè)備后,基站設(shè)備的功耗和傳輸容量增加,站點配套設(shè)備還需進行相應(yīng)的升級擴容。

           

          但4G基站設(shè)備和5G基站設(shè)備是有差別的。

           

          如上圖所示,4G基站設(shè)備由BBU(基帶單元)和RRU(射頻拉遠單元)組成,RRU通常會拉遠至接近天線的地方,BBU與RRU之間通過光纖連接,而RRU與天線之間通過饋線連接。

           

          而5G基站設(shè)備將BBU分割為CU(中央單元)和DU(分布式單元),并通過光纖與AAU(有源天線單元)連接。AAU包含了RRU和天線功能,即有源射頻部分與無源天線基于一體。

           

          要了解具體的差別,得從RAN(無線接入網(wǎng))的協(xié)議棧說起。

           

           

          先來簡單了解一下協(xié)議棧各層的功能:


          • RRC,無線資源控制層,負責(zé)連接配置、策略相關(guān)的信令或控制面,不負責(zé)在用戶面上處理數(shù)據(jù)包。
          • PDCP,分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層,負責(zé)對數(shù)據(jù)包壓縮和解壓縮IP報頭,加密和完整性保護等。
          在NSA組網(wǎng)的雙連接模式下,PDCP層還負責(zé)4G基站和5G基站之間的數(shù)據(jù)分流和聚合。同時,在5G專網(wǎng)部署中,為了數(shù)據(jù)不出園區(qū)以保護本地數(shù)據(jù)的安全,PDCP層還是實現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)流與專網(wǎng)數(shù)據(jù)流隔離轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)流卸載的關(guān)鍵節(jié)點。
          • RLC,無線鏈路控制層,負責(zé)對數(shù)據(jù)包進行分段/重組、ARQ糾錯、重復(fù)包檢測等。
          • MAC,媒體訪問控制層,負責(zé)實時資源調(diào)度決策、復(fù)用/解復(fù)用、緩沖等功能。
          MAC層也負責(zé)載波聚合調(diào)度。由于需實時調(diào)度無線資源,MAC層對時延要求*。
          • PHY,物理層,負責(zé)編碼、調(diào)制、FEC等。

          數(shù)據(jù)經(jīng)過以上層層處理后傳送到射頻單元轉(zhuǎn)換為模擬高頻信號,再通過無線載波傳送到手機。

           

          如上圖, 4G基站由BBU和RRU組成,其中RRC、 PDCP、 RLC、MAC和 PHY各層功能集于BBU。

           

          但到了5G,RAN虛擬化、云化和集中化趨勢以及為了減少前傳容量和時延,5G基站進行了重構(gòu),主要分拆為三部分:


          • CU,中央單元,主要包括RRC、SDAP和PDCP協(xié)議層,主要負責(zé)非實時的RRC、PDCP協(xié)議棧功能。
          CU可采用云化部署方式,支持核心網(wǎng)UPF下沉與邊緣計算融合部署。CU與DU之間通過F1接口連接。一個CU可管理一個或多個DU。
          • DU,分布式單元,主要包括RLC、MAC和PHY層的節(jié)點,主要負責(zé)處理實時性需求的MAC層功能和部分物理層功能。

          一個DU可支持一個或多個小區(qū)。由于MAC層負責(zé)實時調(diào)度無線資源,對時延要求*,DU需與AAU就近部署(1ms以內(nèi))。一種典型的部署方式是DU和AAU共站部署,也可針對校園、工廠、商城等場景,一個DU可連接多個分布式的AAU。

           

          經(jīng)過這么一拆分,4G無線接入網(wǎng)的前傳和回傳也隨之拆分為三部分:前傳、中傳和回傳。AAU和 DU之間是前傳,DU和CU之間是中傳,CU到核心網(wǎng)是回傳。

           

          講完基站的基帶部分,我們再來聊聊基站的射頻部分。

           

          為什么到了5G時要從RRU+天線進化為有源射頻部分和天線集成的AAU呢?

           

           

          主要原因是5G采用了Massive MIMO技術(shù)。

           

           

          Massive MIMO主要有兩大技術(shù)優(yōu)勢:

           

          1)通過波束賦形(Beamforming)提升覆蓋范圍和減少干擾

           

          波束賦形就是通過調(diào)整多天線的幅度和相位,賦予天線輻射圖特定的形狀和方向,使無線信號能量集中于更窄的波束上,從而可增強覆蓋范圍和減少干擾。

           

           

          有了波束賦形,可形成準(zhǔn)確的用戶級超窄波束,并隨用戶位置而移動,將能量定向投放到用戶位置,相對傳統(tǒng)寬波束天線可提升信號覆蓋,同時降低小區(qū)間用戶干擾。

           

          同時,還能通過3D波束賦形在垂直維度增加一個可以利用的維度,從而可更靈活的調(diào)整小區(qū)的垂直覆蓋范圍,改變傳統(tǒng)二維的無線設(shè)計方式。

           

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          2)通過空間多路復(fù)用提升小區(qū)容量

           

          Massive MIMO可通過MU-MIMO,將在空間上復(fù)用的多個數(shù)據(jù)流同時發(fā)送給多個用戶,從而可成倍提升小區(qū)容量。

           

          如果把無線網(wǎng)絡(luò)比喻為高速公路,這相當(dāng)于在不用增加頻譜帶寬的前提下,將道路擴多幾條。

          但問題是,要實現(xiàn)Massive MIMO,采用多天線是前提。波束賦形技術(shù)的性能潛力會隨著天線數(shù)量的增加而增加,為此, 5G Massive MIMO采用了幾十甚至過百個天線單元。

           

          正是因為Massive MIMO采用了這么多天線,才需要射頻單元和天線單元基于一體的AAU設(shè)備。

           

          要理解這個問題,得從基站射頻單元和天線的基本組成原理說起。

           

          先來看看4G的RRU+天線模式(如下圖),RRU主要負責(zé)基帶到空口的發(fā)射/接收信號處理,完成數(shù)字信號和射頻信號的轉(zhuǎn)換,主要包括數(shù)字系統(tǒng)、射頻收發(fā)系統(tǒng)(TRX)、功放、濾波器等,再通過饋線連接天線。

           

           

          而5G AAU將多個天線單元和射頻單元集于一體,大致組成結(jié)構(gòu)是這樣的...

           

           

          想象一下,如果AAU不將多個天線單元和射頻單元集于一體,會發(fā)生什么情況?

           

          這會帶來如下問題:

           

          1)要在多個射頻和天線單元之間連接那么多饋線,根本是無法完成的任務(wù)。

           

          回顧4G,隨著MIMO不斷升級,RRU連接天線的饋線通道越來越多,鐵塔上已經(jīng)生出了一大串胡子,而Massive MIMO要連接過百個天線單元需要多少饋線?

           

          2)鐵塔上已經(jīng)沒有那么多空間支持這么多饋線連接了,且RRU也占空間。

           

          3)工程安裝和維護會越來越復(fù)雜。

           

          4)饋線會增加RF損耗,影響信號覆蓋。

           

          顯然,要支持Massive MIMO需要射頻單元和天線單元基于一體的AAU。

           

          還有一個關(guān)鍵原因是,只有射頻單元和天線單元基于一體,才能對多天線單元進行更細粒度的數(shù)字控制,從而實現(xiàn)波束賦形。

           

           

          這些就是4G基站和5G基站的不同之處。

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