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5G基站到底长啥样?和4G有啥区别?

2020-04-17 16:54:56 来源:中国电信云测速网上营业厅

这是普通人眼中的4G和5G基站...

这是通信人眼中的4G和5G基站...

那4G和5G基站到底有啥区别?

先来了解一下基站站点的组成。

一个基站站点包括了基站设备和配套设备。其中,基站设备包括基带单元、无线射频单元和天线;配套设备包括传输设备、电源、备用电池、空调、监控系统和铁塔(抱杆)等。

基站设备负责通过无线电波连接手机,并通过传输设备连接到核心网络和互联网,而电源、备用电池、空调和监控系统负责保障基站设备稳定运行。

5G站点与4G站点一样,都少不了配套设备。通常4G和5G基站是共站的,即在原有的4G站点上叠加5G设备。由于叠加5G设备后,基站设备的功耗和传输容量增加,站点配套设备还需进行相应的升级扩容。

但4G基站设备和5G基站设备是有差别的。

如上图所示,4G基站设备由BBU(基带单元)和RRU(射频拉远单元)组成,RRU通常会拉远至接近天线的地方,BBU与RRU之间通过光纤连接,而RRU与天线之间通过馈线连接。

而5G基站设备将BBU分割为CU(中央单元)和DU(分布式单元),并通过光纤与AAU(有源天线单元)连接。AAU包含了RRU和天线功能,即有源射频部分与无源天线基于一体。

要了解具体的差别,得从RAN(无线接入网)的协议栈说起。

先来简单了解一下协议栈各层的功能:

• RRC,无线资源控制层,负责连接配置、策略相关的信令或控制面,不负责在用户面上处理数据包。

• PDCP,分组数据汇聚协议层,负责对数据包压缩和解压缩IP报头,加密和完整性保护等。

在NSA组网的双连接模式下,PDCP层还负责4G基站和5G基站之间的数据分流和聚合。同时,在5G专网部署中,为了数据不出园区以保护本地数据的安全,PDCP层还是实现公网数据流与专网数据流隔离转发,实现本地数据流卸载的关键节点。

• RLC,无线链路控制层,负责对数据包进行分段/重组、ARQ纠错、重复包检测等。

• MAC,媒体访问控制层,负责实时资源调度决策、复用/解复用、缓冲等功能。

MAC层也负责载波聚合调度。由于需实时调度无线资源,MAC层对时延要求极高。

• PHY,物理层,负责编码、调制、FEC等。

数据经过以上层层处理后传送到射频单元转换为模拟高频信号,再通过无线载波传送到手机。

如上图, 4G基站由BBU和RRU组成,其中RRC、 PDCP、 RLC、MAC和 PHY各层功能集于BBU。

但到了5G时代,考虑RAN虚拟化、云化和集中化趋势以及为了减少前传容量和时延,5G基站进行了重构,主要分拆为三部分:

• CU,中央单元,主要包括RRC、SDAP和PDCP协议层,主要负责非实时的RRC、PDCP协议栈功能。

CU可采用云化部署方式,支持核心网UPF下沉与边缘计算融合部署。CU与DU之间通过F1接口连接。一个CU可管理一个或多个DU。

• DU,分布式单元,主要包括RLC、MAC和PHY层的节点,主要负责处理实时性需求的MAC层功能和部分物理层功能。

一个DU可支持一个或多个小区。由于MAC层负责实时调度无线资源,对时延要求极高,DU需与AAU就近部署(1ms以内)。一种典型的部署方式是DU和AAU共站部署,也可针对校园、工厂、商城等场景,一个DU可连接多个分布式的AAU。

经过这么一拆分,4G无线接入网的前传和回传也随之拆分为三部分:前传、中传和回传。AAU和 DU之间是前传,DU和CU之间是中传,CU到核心网是回传。

讲完基站的基带部分,我们再来聊聊基站的射频部分。

为什么到了5G时代要从RRU+天线进化为有源射频部分和天线集成的AAU呢?

主要原因是5G采用了Massive MIMO技术。

Massive MIMO主要有两大技术优势:

1)通过波束赋形(Beamforming)提升覆盖范围和减少干扰

波束赋形就是通过调整多天线的幅度和相位,赋予天线辐射图特定的形状和方向,使无线信号能量集中于更窄的波束上,从而可增强覆盖范围和减少干扰。

有了波束赋形,可形成精确的用户级超窄波束,并随用户位置而移动,将能量定向投放到用户位置,相对传统宽波束天线可提升信号覆盖,同时降低小区间用户干扰。

同时,还能通过3D波束赋形在垂直维度增加一个可以利用的维度,从而可更灵活的调整小区的垂直覆盖范围,改变传统二维的无线设计方式。

2)通过空间多路复用提升小区容量

Massive MIMO可通过MU-MIMO,将在空间上复用的多个数据流同时发送给多个用户,从而可成倍提升小区容量。

如果把无线网络比喻为高速公路,这相当于在不用增加频谱带宽的前提下,将道路扩多几条。

但问题是,要实现Massive MIMO,采用多天线是前提。波束赋形技术的性能潜力会随着天线数量的增加而增加,为此, 5G Massive MIMO采用了几十甚至过百个天线单元。

正是因为Massive MIMO采用了这么多天线,才需要射频单元和天线单元基于一体的AAU设备。

要理解这个问题,得从基站射频单元和天线的基本组成原理说起。

先来看看4G时代的RRU+天线模式(如下图),RRU主要负责基带到空口的发射/接收信号处理,完成数字信号和射频信号的转换,主要包括数字系统、射频收发系统(TRX)、功放、滤波器等,再通过馈线连接天线。

而5G AAU将多个天线单元和射频单元集于一体,大致组成结构是这样的...

想象一下,如果AAU不将多个天线单元和射频单元集于一体,会发生什么情况?

这会带来如下问题:

1)要在多个射频和天线单元之间连接那么多馈线,根本是无法完成的任务。

回顾4G时代,随着MIMO不断升级,RRU连接天线的馈线通道越来越多,铁塔上已经生出了一大串胡子,而Massive MIMO要连接过百个天线单元需要多少馈线?

2)铁塔上已经没有那么多空间支持这么多馈线连接了,且RRU也占空间。

3)工程安装和维护会越来越复杂。

4)馈线会增加RF损耗,影响信号覆盖。

显然,要支持Massive MIMO需要射频单元和天线单元基于一体的AAU。

还有一个关键原因是,只有射频单元和天线单元基于一体,才能对多天线单元进行更细粒度的数字控制,从而实现波束赋形。

这些就是4G基站和5G基站的不同之处。

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