【科普】5G基站到底长啥样？和4G有啥区别？

周三, 29 四月 2020 - 13:43

这是普通人眼中的4G和5G基站...
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这是通信人眼中的4G和5G基站...
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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。
<img alt="基站站点的组成" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b1d3b387-7d94-472d-8a30-58f812f5bda4" height="465" src="/sites/default/files/inline-images/03_30.png" width="708" />
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。
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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？
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主要原因是5G采用了Massive MIMO技术。
<img alt="Massive MIMO技术" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="967ebfc5-24f9-4940-af7b-aa6a7f38e3d0" height="345" src="/sites/default/files/inline-images/06_20.png" width="637" />
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
<img alt="Massive MIMO技术" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="93f242ca-9dcd-4269-af01-639fc31ffef9" height="267" src="/sites/default/files/inline-images/07_12.png" width="661" />
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。
<img alt="无线设计方式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b2efbc89-43de-4fa5-a398-fc0f827acbde" height="272" src="/sites/default/files/inline-images/08_12.png" width="481" />
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。
<img alt="带宽" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="bcdb7877-884f-4be2-bf2e-11f878dadfaf" height="339" src="/sites/default/files/inline-images/09_10.png" width="744" />
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。
<img alt="4G时代的RRU+天线模式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="216e11e4-9782-4b4f-98bf-f9d5249ac4f5" height="500" src="/sites/default/files/inline-images/10_23.png" width="660" />
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...
<img alt="5G AAU将多个天线单元和射频单元集于一体" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="21643549-5e2d-4b46-879c-a9af473ac416" height="498" src="/sites/default/files/inline-images/11_29.png" width="637" />
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？
<img alt="12" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9e79ee2f-9c8f-442b-9965-73a858c3282d" height="394" src="/sites/default/files/inline-images/12_23.png" width="686" />
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。
<img alt="波束赋形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="fb729e28-b9f9-4961-8601-bcd73e7a33a0" height="375" src="/sites/default/files/inline-images/13_18.png" width="655" />
这些就是4G基站和5G基站的不同之处。

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