科普带你认识5G基站

　　随着5G时代的到来，为了信号的稳定传输，为了覆盖面更广，5G基站作为5G规模组网的＂先行军＂，其建设至关重要。
　　那么，5G时代的基站是如何建设的呢？下面就来给大家介绍一下。
　　截至2022年末，我国移动通信基站总数达1072万个，比上年末净增75.4万个。其中，5G基站总数达222万个，比上年末净增79.5万个，占移动基站总数的20.7%，占比较上年末提升6.4个百分点。另外，移动电话用户规模稳中有增，5G用户占比超三成。截至9月末，三家基础电信企业的移动电话用户总数达16.82亿户。其中，5G移动电话用户达5.1亿户，比上年末净增1.55亿户，占移动电话用户的30.3%。
　　第五代移动通信技术 （5th Generation Mobile Communication Technology，简称5G ） 是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术 ，5G通讯设施是实现人机物互联的网络基础设施。为满足5G多样化的应用场景需求，5G的关键性能指标更加多元化。ITU定义了5G八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/平方公里。
　　5G基站是5G网络的核心设备 ， 提供无线覆盖，实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输 。基站的架构、形态直接影响5G网络如何部署。由于频率越高，信号传播过程中的衰减也越大，5G网络的基站密度将更高。
　　一个完整的5G基站系统，是由主设备、动力配套设备设施、铁塔、机房 这些组成。主设备有BBU（基带处理单元）、AAU（有源天线处理单元），配套设施有传输、电源、空调、铁塔、天馈线、接地系统等。
　　其中BBU （Base band Unite，基带处理单元 ），是基站中最为核心的设备，一般放置在比较隐蔽的机房里，普通居民是看不到的。BBU负责处理核心网、用户的信令与数据 ，移动通信中最复杂的协议、算法均是在BBU中实现的，甚至可以说基站就是BBU。
　　从外型上来看，BBU很像是一台式计算机的主机箱，而实际上，BBU类似一个专用（而不像是电脑主机那样的通用）的服务器，其主要功能的实现，是靠两类关键的板卡：主控板与基带板 来实现的。
　　一个BBU机框，可以很清楚的看到，BBU机框里面还有8个像抽屉一样的槽位，而这些槽位中可以插入的就是主控板与基带板，一个BBU机框需要插入几块主控板与基带板，主要看要开通基站的容量需求 ，板卡插的越多，基站的容量越多，能同时服务的用户越多。
　　其中主控板 负责处理来自核心网、用户手机的信令（RRC信令），负责与核心网的互联互通，负责接收GPS的同步信息与定位信息 。而基带板 负责进行数据的编码、调制等基带处理 ，并将处理过待发射的数据传输给RRU。
　　RRU（Remote Radio Unit） 原本也是放在BBU机框里的，以前被叫做RFU（Radio Frequency Unit，射频单元），用来将基带板通过光纤传来的基带信号，转化成运营商所拥有频段上的高频信号，并通过馈线传输给天线 。后来由于发现馈线传输的损耗太大了，如果RFU嵌在BBU机框里放在机房里，而天线挂在遥远的铁塔上，馈线传输距离太远，损耗太大，于是干脆把RFU拿出来，用光纤（光纤传输损耗比较小）拉远和天线一起挂在铁塔上 ，于是变成了RRU，也就是射频拉远单元 。
　　基站设备工作方式 5G基站设备的工作方式与4G原理相同，硬件区别在于4G的RRU+天线在5G中变成了AAU。此外，SA模式的5G基站用DU+CU取代NSA模式的BBU。其他外部连接是一样的。BBU(或DU+CU)、AAU工作需要供电，电源从基站的直流配电单元经DCDU获取(上图中的红色箭头线表示直流供电线路和供电方向)。BBU要正常工作，需要接入GPS时钟同步信号，GPS信号在接入BBU前要串接防雷器。BBU的信号源，从基站的传输设备PTN通过光纤接入。所有设备都要接地，设备接地就近接到接地排上。
　　5G组网模式分为NSA和SA 两种。NSA 是指非独立组网模式，它通过整合5G基站和4G基站的方式组网，是目前主流的组网模式。SA 是指独立组网模式，它通过建设独立的5G基站实现组网，目前部署的5G几乎都是NSA先行，在此基础上逐步过渡到双模组网，最终实现SA。
　　5G基站设备连接图（NSA）
　　5G基站设备连接图(SA模式)
　　5G基站主要分为宏基站和小基站。宏基站通常架设在铁塔上，体型大、承载用户数量多、覆盖面极广。但由于5G高频段工作的原因，宏基站所能覆盖的信号范围有限，还需要大量的小基站协同宏基站进行连续覆盖和室内浅层覆盖。小基站根据覆盖范围大小分为微基站、皮基站和飞基站。
　　原本以为，未来的网络2/3/4/5G共存，联通现网有GUL三制式和900M/1800M/2100M三频段，再引入5G新频谱和新模块，基站站点将更加复杂，也会增加站点能耗成本和铁塔租金成本。
　　但实际情况并非如此。
　　在实际部署中， 5G设备支持全制式大容量BBU产品方案、N in 1多制式融合射频和全频段天线，可实现站点极简，降低能耗和铁塔租金。结构如下：
　　1+1极简天面 ： 1P（Passive，无源）多端口天面收编现网Sub 3G存量天面，1A（Active，有源） 5G 3D MIMO独立天面。
　　多频合一模块 ： 通过1.8G+2.1G双频4T4R等多频模块以1当2，精简塔上射频模块，支撑1+1极简天面收编；
　　全制式基带 ： 大容量全制式BBU，单BBU支持六模合一；
　　一站一柜 ： 通过智能室外机柜，实现一站一柜0机房，节省机房资源投资。
　　全制式全频段设备和1+1极简天面，大大简化了2/3/4/5G共站带来的复杂性，可在5G时代实现不增加或少增加铁塔租金，降低运营商运营成本。
　　逻辑架构 5G基站主要用于提供5G空口协议功能，支持与用户设备、核心网之间的通信。按照逻辑功能划分，5G基站可分为5G基带单元与5G射频单元，二者之间可通过CPRI或eCPRI接口连接。5G基带单元负责NR基带协议处理，包括整个用户面（UP）及控制面（CP）协议处理功能，并提供与核心网之间的回传接口（NG接口）以及基站间互连接口（Xn接口）。5G射频单元主要完成NR基带信号与射频信号的转换及NR射频信号的收发处理功能。在下行方向，接收从5G基带单元传来的基带信号，经过上变频、数模转换以及射频调制、滤波、信号放大等发射链路（TX）处理后，经由开关、天线单元发射出去。在上行方向，5G射频单元通过天线单元接收上行射频信号，经过低噪放、滤波、解调等接收链路（RX）处理后，再进行模数转换、下变频，转换为基带信号并发送给5G基带单元。
　　设备体系
　　为了支持灵活的组网架构，适配不同的应用场景，5G无线接入网将存在多种不同架构、不同形态的基站设备。从设备架构角度划分，5G基站可分为BBU-AAU、CU-DU-AAU、BBU-RRU-Antenna、CU-DU-RRU-Antenna、一体化gNB等不同的架构 。从设备形态角度划分，5G基站可分为基带设备、射频设备、一体化gNB设备以及其他形态的设备。
　　5G基站建设组网多采用混合分层网络，这样就可以保证5G网络的易管理、可扩展、高可靠性，能够满足5G基站的高速数据传输业务。同时由于5G主要是实现数据业务传输，因此5G基站需要适应高楼大厦、河流湖泊、山区峡谷的复杂应用环境，为了保证5G基站建设的良好性和完整性，下文简要介绍5G基站建设的关键技术。
　　MR技术
　　MR是一种无线通信环境评估技术 ，其可以将采集到的信息发送给网络管理员，由网络管理员评判报告的价值，以便能够优化无线网络通信性能。MR技术应用包括覆盖评估、网络质量分析、越区覆盖分析、网络干扰分析、话务热点区域分析和载频隐性故障分析 。MR可以渲染移动通信上下行信号强度，发现网络覆盖弱盲区，不但客观准确，还可以节省大量的时间、资源，能够及时发现网络覆盖问题，为网络覆盖优化提供进一步的依据。
　　MR可以实现24小时×7天实时数据采集，完成上下行无线网络质量分析，反映全网通话质量的真实情况，提高全网通话后续数据支持。无线网络建设时，如果越区覆盖范围过大，将会干扰其他小区通信质量，MR可以直观地发现小区覆盖边界，判断是否存在越区覆盖，调整无线网络结构。话务热点区域分析可以实现话务密度、分布和资源利用率指标分析，实现关联性综合分析，制定容量站点、扩容站点的精确规划。
　　64QAM技术
　　64QAM能够合理的提升SINR ，针对5G网络进行科学规划和设计，降低5G网络部署的复杂度，可以降低重叠覆盖引起的同频干扰及弱覆盖问题，在满足5G网络广覆盖的要求下，增加覆盖的深度，提升5G网络的综合覆盖率，从而实现热点区域连续覆盖、无缝覆盖，不仅能够让更多的用户接入到5G网络，同时还可以享受到高质量的通信服务。64QAM在5G网络通信中的应用分为两个步骤 ，分别是调制和解调 。
　　64QAM调制过程如下：64QAM能够将输入的6比特数据组成一个映射；多电平正交幅度调制生成一个64QAM中频信号；并串转换，将两路并行码流改变为一路串行码流，可以增加一倍速率，码流从2进制改变为8进制，接着可以输出调制而成的RF信号。
　　64QAM解调过程如下：5G网络传输信号时，由于受到自然环境或载波自身限制，信号传输难免受到噪声干扰导致信号发生畸变，如果畸变很小则可以直接判断为0或1，如果畸变比较严重，无法直接判断信号，就可以采用硬判决和软判断方法，准确、快速的识别信号。
　　抗干扰技术
　　5G网络基站建设时需要部署大量的无线设备，这些无线设备的数量非常多，安装部署地点也非常复杂，彼此之间就会产生相互干扰问题，造成干扰的原因主要包括设备本身存在故障，5G网络运行时频道经常发射错误的信号，影响自身信号质量；5G网络设备安装与配置严重不规范，影响5G信号发射的灵敏度。
　　5G网络干扰主要是指无线电干扰 ，这些干扰包括互调干扰、带外干扰。因此5G基站建设时，设计、施工人员需要从源头上解决信号存在干扰的问题，既可以保障信号的稳定性，也可以大大地提高控制管理效率。具体地，首先对基站无线电发射设备进行全电磁检测，将可能的将设备自身造成的干扰降到最低；其次是定期加强对发电设备的检查，一旦发现问题就及时进行处理，进而减少信号存在的干扰。
　　大规模MIMO技术
　　多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术 ，亦称为多天线技术，通过在通信链路的收发两端设置多个天线而充分利用空间资源，能提供分集增益以提升系统的可靠性，提供复用增益以增加系统的频谱效率，提供阵列增益以提高系统的功率效率，近20年来一直是无线通信领域的主流技术之一。
　　MIMO技术已被第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）的LTE/LTE-Advanced与电气电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）的WiMAX等4G标准采纳。但是，现有4G系统基站配置天线数较少（一般不超过8），MIMO性能增益受到极大限制。针对传统MIMO技术的不足，美国贝尔实验室的Marzetta于2010年提出了大规模MIMO（Massive MIMO或Very Large MIMO）概念。在大规模MIMO系统中，基站配置数十至数百个天线，较传统MIMO系统天线数增加1～2个数量级；基站充分利用系统的空间自由度，在同一时频资源服务若干用户。
　　传统MIMO到大规模MIMO的演变是一个从量变到质变的过程。由于大规模MIMO的基站天线数和空分用户数较传统MIMO有数量级增加，两者在无线通信基本原理与具体方法上既有相同之处也存在较大差异，在大规模MIMO的基础理论、信道测量与建模、信道信息获取、无线传输、实验和测试等方面已取得了丰硕成果。大规模MIMO已通过了较为理想的实验室验证和更接近实际的外场测试，并获得了符合预期的巨大性能增益。今后，各研发机构还会进一步开展组网验证，为大规模MIMO未来在5G系统的商用奠定良好基础。
　　CU ： 原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。
　　DU ： BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。
　　AAU ： BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。
　　5G里提出了将BBU的功能分开，其中分为CU和DU两部分。分布式单元（DU)将主要负责层1的物理层功能、以及层2的实时性功能。集中式单元（DU），主要负责层2的非实时功能、层3的信令控制。
　　AAU是5G中出现的一个新的设备，它可以认为是原来的基站天线加上RRU的组合部分。AAU现在可能有16T16R、32T32R、64T64R几种，城市部分现在部署更多的是64T64R。
　　简单来说，AAU=RRU+天线。也并不是全部的5G基站都只有AAU，在5G基站之中，也有RRU+天线的配置。
　　5G里提出了将BBU的功能分开，其中分为CU和DU两部分。分布式单元（DU) 将主要负责层1的物理层功能、以及层2的实时性功能。集中式单元（CU） ，主要负责层2的非实时功能、层3的信令控制。
　　而其中，AAU到DU被称为前传、DU到CU被称为中传，CU到核心网被称为回传 。
　　依据5G提出的标准，CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式，所以，会出现多种网络部署形态：
　　回传、中传、前传，是不同实体之间的连接，网络部署形态，依次为：
　　① 与传统4G宏站一致，CU与DU共硬件部署，构成BBU单元。
　　② DU部署在4G BBU机房，CU集中部署。
　　③ DU集中部署，CU更高层次集中。
　　④ CU与DU共站集中部署，类似4G的C-RAN方式。
　　这些部署方式的选择，需要同时综合考虑多种因素，包括业务的传输需求（如带宽，时延等因素）、建设成本投入、维护难度等。
　　结 语
　　快速响应型5G智能基站是一种新型建站方式，建站施工过程非常便捷。采用配重式基础拼装，基站现场无需开挖，施工安全快捷。彻底解决了常规现浇基础建设周期长，建站速度缓慢的问题。更为关键的是，该基站产品可重复利用，节能环保。能够在未来5G基站建设过程中实现快速组网建站需求，为5G实现大规模商用提供必要的硬件基础设施。
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