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備和配套設備。其中，基站設備包括基帶單元、無線射頻單元和天線;配套設備包括傳輸設備、電源、備用電池、空調、監控系統和鐵塔(抱桿)等。

基站設備負責通過無線電波連接手機，并通過傳輸設備連接到核心網絡和互聯網，而電源、備用電池、空調和監控系統負責保障基站設備穩定運行。

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

但4G基站設備和5G基站設備是有差別的。

如上圖所示，4G基站設備由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)的協議棧說起。

 

先來簡單了解一下協議棧各層的功能：

• RRC，無線資源控制層，負責連接配置、策略相關的信令或控制面，不負責在用戶面上處理數據包。

• PDCP，分組數據匯聚協議層，負責對數據包壓縮和解壓縮IP報頭，加密和完整性保護等。

在NSA組網的雙連接模式下，PDCP層還負責4G基站和5G基站之間的數據分流和聚合。同時，在5G專網部署中，為了數據不出園區以保護本地數據的安全，PDCP層還是實現公網數據流與專網數據流隔離轉發，實現本地數據流卸載的關鍵節點。

• RLC，無線鏈路控制層，負責對數據包進行分段/重組、ARQ糾錯、重復包檢測等。

• MAC，媒體訪問控制層，負責實時資源調度決策、復用/解復用、緩沖等功能。

MAC層也負責載波聚合調度。由于需實時調度無線資源，MAC層對時延要求極高。

• PHY，物理層，負責編碼、調制、FEC等。

數據經過以上層層處理后傳送到射頻單元轉換為模擬高頻信號，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基站進行了重構，主要分拆為三部分：

• CU，中央單元，主要包括RRC、SDAP和PDCP協議層，主要負責非實時的RRC、PDCP協議棧功能。

CU可采用云化部署方式，支持核心網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層的節點，主要負責處理實時性需求的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。由于MAC層負責實時調度無線資源，對時延要求極高，DU需與AAU就近部署(1ms以內)。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。

經過這么一拆分，4G無線接入網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。

 

Massive MIMO主要有兩大技術優勢：

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，相對傳統寬波束天線可提升信號覆蓋，同時降低小區間用戶干擾。

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，從而可更靈活的調整小區的垂直覆蓋范圍，改變傳統二維的無線設計方式。

 

2)通過空間多路復用提升小區容量

Massive MIMO可通過MU-MIMO，將在空間上復用的多個數據流同時發送給多個用戶，從而可成倍提升小區容量。

如果把無線網絡比喻為高速公路，這相當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Massive MIMO，采用多天線是前提。波束賦形技術的性能潛力會隨著天線數量的增加而增加，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主要負責基帶到空口的發射/接收信號處理，完成數字信號和射頻信號的轉換，主要包括數字系統、射頻收發系統(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，大致組成結構是這樣的...

 

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。

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字控制，從而實現波束賦形。

 

這些就是4G基站和5G基站的不同之處。