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3GPP國際標準組織于2018年12月底宣布基本完成非獨立組網(wǎng)（NSA——Non-Standalone）Option3系列架構和獨立組網(wǎng)（SA ——Standalone）Option2架構的標準規(guī)范的制定工作[1]。全球5G設備廠商加快商用設備研發(fā)進度，5G網(wǎng)絡建設全面駛入快車道。韓國、美國、英國等電信運營商相繼宣布5G商用網(wǎng)絡開通。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)應用試驗[2]。
隨著5G標準逐步成熟，運營商需要考慮5G基站設備的商用部署規(guī)劃、5G頻段、組網(wǎng)場景等實際需求，本文主要從設備分類、設備功能、設備能力等幾方面綜合規(guī)劃5G基站設備能力要求。
1 5G基站設備分類及要求
5G基站要完成與終端、核心網(wǎng)之間的全部通信功能。5G基站設備可以按照專用硬件平臺和通用硬件平臺分為兩大類。專用硬件平臺經過多年發(fā)展，基站設計方案比較成熟。5G 基站設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標準相關協(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。隨著相關技術發(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。
下面分別從基站設備分類、設備架構及模塊、設備重要性能指標等幾方面介紹基站設備分類及要求。
1.1 5G基站類型分類
5G基站按照設備物理形態(tài)和功能，可以分為宏基站設備和微站設備兩大類。宏基站主要用于室外廣覆蓋場景，一般設備容量大，發(fā)射功率高；微站設備主要用于室內場景、室外覆蓋盲區(qū)或室外熱點等區(qū)域，設備容量較小，發(fā)射功率相對較低。
3GPP R15標準定義了CU/DU分離架構，CU和DU設備為邏輯單元，其中，CU設備可基于通用設備（如X86服務器）或專有設備實現(xiàn)。而DU設備可劃分為BBU和AAU設備或者BBU、RRU和天線等設備。
CU/DU分離架構下，5G基站一般由1個CU設備和若干DU設備組成，CU和DU設備之間通過F1接口連接。CU設備支持RRC、SDAP和PDCP協(xié)議棧功能（如Option2架構，此時連接5G核心網(wǎng)）或者RRC和PDCP協(xié)議棧功能（如Option3x架構，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設備，或射頻部分為RRU設備，天饋部分為獨立天線設備。AAU設備通道數(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和天線獨立的設備形態(tài)。
對于CU/DU一體化設備類型，由于5G BBU設備集成CU和DU功能，其設備形態(tài)與3G、4G基站設備形態(tài)基本相同。AAU、RRU和天線設備與CU/DU分離架構的設備相同。目前，CU/DU分離架構設備還不成熟，不能滿足商用要求。商用宏基站設備為CU/DU一體化設備。
微站設備一般分為一體化基站（gNB）和分布式微站2類，如圖1“微站設備”所示。一體化gNB主要用于室外或室內場景，完成單點覆蓋。分布式微站由基帶部分（BBU設備提供信源）、匯聚單元（HUB設備）和射頻單元組成，一般用于室內場景，其射頻單元功率較低，覆蓋范圍較小。
5G基站設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部接口相連。
在CU/DU分離架構下， CU設備與DU設備之間通過中傳接口相連（F1接口[4-8]），CU設備與5G核心網(wǎng)之間通過NG接口[9-14]相連。CU設備若采用通用硬件平臺，除通用硬件處理模塊以外，為了便于用戶數(shù)據(jù)處理，會配置硬件加速卡，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設備）負責完成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功能，接口功能包括基站設備與核心網(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設備）主要完成數(shù)字信號與射頻模擬信號之間轉換，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一體化基站設備如圖3所示，BBU設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。
BBU設備形態(tài)可分為基帶主控一體型、基帶主控分離型2種產品形態(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基帶板和主控板，分離式架構支持板卡間靈活組合，便于硬件靈活擴容。
1.3 5G基站設備關鍵器件
基站設備廣泛采用模塊化設計方案，關鍵器件定制開發(fā)，集成度高，完成專有功能效率高。5G基站BBU設備關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設備關鍵器件包括基帶芯片、數(shù)字中頻芯片、數(shù)模轉換芯片、功放器件、低噪放器件、雙工器等。上述關鍵器件決定基站設備最大處理能力、設備重量、尺寸、功耗等關鍵指標。
核心芯片隨著工藝提高，芯片集成度及能力都有顯著提高，這對于減少設備尺寸、放松散熱要求、降低設備功耗等都有重要意義。當然，核心器件自主研發(fā)及供應鏈能力，也是確保產業(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基站設備重要指標
5G基站設備的指標是衡量設備能力是否滿足商用網(wǎng)絡建設要求的重要標準。由于CU設備暫不成熟，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，后續(xù)應根據(jù)商用產品完善CU設備衡量指標。目前，應重點考慮CU/DU一體化架構的設備重要指標，其中，按照設備類型可以劃分為BBU設備指標和AAU設備指標。
1.4.1? BBU設備指標
BBU設備指標包括最大小區(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。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)調度用戶數(shù)等核心指標。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、調度用戶數(shù)等密切相關，綜合體現(xiàn)設備硬件能力與軟件處理能力。由于5G采用Massive?MIMO技術，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。目前，64T64R AAU設備已支持下行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信令處理能力指標包含RRC連接數(shù)、BHCA等，BBU設備信令處理能力不受限于硬件資源，目前，BBU信令處理能力遠高于單站移動互聯(lián)網(wǎng)（eMBB）業(yè)務對信令處理能力的要求（例如RRC連接數(shù)等指標），后續(xù)應考慮支持mMTC等垂直行業(yè)用戶的大連接密度需求。
1.4.2? AAU設備指標
AAU設備指標包括工作頻段、工作帶寬、最大發(fā)射功率、設備通道數(shù)、天線陣子數(shù)、峰值速率等基本指標，還包括接收機、發(fā)射機等射頻指標以及方向圖等天線指標。
AAU設備通道處的天線陣子數(shù)等指標主要影響AAU設備的外觀尺寸和重量，而其它指標對設備性能影響較大。
目前，AAU設備必須支持3.5工作頻段，工作帶寬應滿足100 MHz載波帶寬。若考慮共建共享場景，AAU設備應具備支持150~200 MHz帶寬的能力。比較成熟的AAU商用設備主要是64T64R 最大發(fā)射功率為200 W的設備，可滿足5G建設初期密集城區(qū)的部署需求。若支持共建共享200 MHz帶寬，則輸出功率應滿足400 W的要求。
另外，5G AAU通過大規(guī)模天線陣技術和波束賦形技術，既可以支持靈活的廣播信道波束配置方案，也支持業(yè)務信道的多種配置方案。對于64T64R AAU，天線陣子數(shù)已達到192個，通過波束賦型可靈活改變AAU下行覆蓋能力。
2 5G基站設備演進需求
2.1 5G無線網(wǎng)絡架構選擇
3GPP R15標準規(guī)范了Option3、Option2、Option4和Option7等多種網(wǎng)絡架構，為運營商網(wǎng)絡演進提供多種技術演進路線。目前，全球主要運營商重點關注Option3x和Option2 2種主要架構，分別對應NSA組網(wǎng)方案和SA組網(wǎng)方案。對于國內運營商而言，5G頻譜資源稀缺，基站設備投資成本高，為了提高設備利用率同時兼顧不同組網(wǎng)架構的商用網(wǎng)絡部署需求，需要推動NSA/SA雙棧能力研究。
2.2 中國聯(lián)通5G基站設備部署的思考
中國聯(lián)通5G基站設備演進應綜合考慮頻譜需求、組網(wǎng)場景、設備類型及成熟度等因素。
2.2.1? 頻譜情況
中國聯(lián)通已分配3.4~3.5 GHz頻段，共計100 MHz用于部署5G網(wǎng)絡。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。未來聯(lián)通可考慮重耕現(xiàn)網(wǎng)2.1 GHz、1.8GHz等頻段，從而解決網(wǎng)絡覆蓋問題。
2.2.2? 組網(wǎng)場景
5G基站應優(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)再逐漸擴大到一般城區(qū)。隨著基于NSA架構的5G基站網(wǎng)絡建設完成和SA架構的技術方案逐漸成熟，運營商也將考慮在剩余區(qū)域部署SA架構或者NSA/SA雙棧架構。
對于64T64R AAU設備和BBU等成熟商用設備，也將從密集城區(qū)向一般城區(qū)擴大規(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設備同時外接高增益天線的組網(wǎng)方案。
2.2.3? 設備成熟度
現(xiàn)有的5G基站設備基帶能力比較低，未來隨著相關工藝技術不斷改進，基帶能力也會有所提升。但是不同類型的AAU/RRU設備在收發(fā)通道數(shù)、總發(fā)射功率、工作帶寬指標方面等差異比較大。在5G網(wǎng)絡部署中，需要結合具體場景，綜合考慮設備能力、綜合成本等因素，選擇最合適的設備類型。
3 結論
隨著5G商用進展加快，運營商對5G商用基站設備關注度日益提高。5G基站設備從設備類型、部署適用場景、設備能力等方面全方位滿足網(wǎng)絡建設近期、中遠期的需求。本文總結了現(xiàn)階段研究成果和產業(yè)界發(fā)展情況，對后續(xù)5G基站設備規(guī)劃提出一些建議與思考，為5G商用網(wǎng)絡建設提供技術參考。
來源；c114
工商網(wǎng)監(jiān)
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