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(fù)責(zé)通過無線電波連接手機(jī)，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(fù)責(zé)保障基站設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)行相應(yīng)的升級擴(kuò)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(yuǎn)單元)組成，RRU通常會拉遠(yuǎn)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(fù)責(zé)連接配置、策略相關(guān)的信令或控制面，不負(fù)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(fù)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(hù)等。

在NSA組網(wǎng)的雙連接模式下，PDCP層還負(fù)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(hù)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(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段/重組、ARQ糾錯、重復(fù)包檢測等。

• MAC，媒體訪問控制層，負(fù)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(fù)責(zé)載波聚合調(diào)度。由于需實時調(diào)度無線資源，MAC層對時延要求極高。

• PHY，物理層，負(fù)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(jī)。

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時代，考慮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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)責(zé)實時調(diào)度無線資源，對時延要求極高，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時代要從RRU+天線進(jìn)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(qiáng)覆蓋范圍和減少干擾。

有了波束賦形，可形成精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。

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(kuò)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時代的RRU+天線模式(如下圖)，RRU主要負(fù)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時代，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(hù)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(jìn)行更細(xì)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。