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技術
2019/9/16 08:01

中國聯通5G基站設備架構及演進要求

《郵電設計技術》  曹亙,呂婷,張濤,李福昌,馮毅

曹亙,呂婷,張濤,李福昌,馮毅

中國聯通網絡技術研究院,北京,100048

本文版權為《郵電設計技術》所有,如需轉載請聯系《郵電設計技術》編輯部

摘 要:

摘要:介紹了5G基站設備的分類方法和基站設備類型、基站設備產品硬件架構及設備中采用的關鍵器件。總結了5G基站設備中衡量不同類型設備能力差異的關鍵指標。為滿足5G商用部署要求,5G基站設備需要綜合考慮頻譜、組網場景、設備成熟度等因素,規劃相關基站設備路標及能力要求。

0 前言

3GPP國際標準組織于2018年12月底宣布基本完成非獨立組網(NSA——Non-Standalone)Option3系列架構和獨立組網(SA ——Standalone)Option2架構的標準規范的制定工作[1]。全球5G設備廠商加快商用設備研發進度,5G網絡建設全面駛入快車道。韓國、美國、英國等電信運營商相繼宣布5G商用網絡開通。中國聯通于2019年4月上海合作伙伴大會上發布“7+33+n”5G網絡部署計劃,在北京、上海、廣州、雄安等7個城市正式開通5G試驗網,其他33個城市實現熱點區域覆蓋,同時選擇n個城市開展5G行業應用試驗[2]。

隨著5G標準逐步成熟,運營商需要考慮5G基站設備的商用部署規劃、5G頻段、組網場景等實際需求,本文主要從設備分類、設備功能、設備能力等幾方面綜合規劃5G基站設備能力要求。

1 5G基站設備分類及要求

5G基站要完成與終端、核心網之間的全部通信功能。5G基站設備可以按照專用硬件平臺和通用硬件平臺分為兩大類。專用硬件平臺經過多年發展,基站設計方案比較成熟。5G 基站設備主要采用專用硬件平臺,通過定制化芯片、器件、配套軟件等實現方案,可以高效地實現3GPP標準相關協議的功能。但是,基于通用硬件平臺(例如X86平臺)也可以實現某些協議功能,例如RRC、SDAP和PDCP等協議功能。隨著相關技術發展成熟,通信系統的硬件與軟件功能將逐漸實現分層解耦,通用硬件平臺將會支持更多軟件功能。

下面分別從基站設備分類、設備架構及模塊、設備重要性能指標等幾方面介紹基站設備分類及要求。

1.1 5G基站類型分類

5G基站按照設備物理形態和功能,可以分為宏基站設備和微站設備兩大類。宏基站主要用于室外廣覆蓋場景,一般設備容量大,發射功率高;微站設備主要用于室內場景、室外覆蓋盲區或室外熱點等區域,設備容量較小,發射功率相對較低。

3GPP R15標準定義了CU/DU分離架構,CU和DU設備為邏輯單元,其中,CU設備可基于通用設備(如X86服務器)或專有設備實現。而DU設備可劃分為BBU和AAU設備或者BBU、RRU和天線等設備。

CU/DU分離架構下,5G基站一般由1個CU設備和若干DU設備組成,CU和DU設備之間通過F1接口連接。CU設備支持RRC、SDAP和PDCP協議棧功能(如Option2架構,此時連接5G核心網)或者RRC和PDCP協議棧功能(如Option3x架構,此時用于EPC場景)。DU具備RLC、MAC和PHY協議棧功能[3]。如圖1所示,宏基站射頻部分和天饋部分集成為AAU設備,或射頻部分為RRU設備,天饋部分為獨立天線設備。AAU設備通道數一般大于或等于16通道,同時為了減少饋線損耗,將射頻天饋2部分集成在一起。在通道數較少的場景,采用RRU和天線獨立的設備形態。

對于CU/DU一體化設備類型,由于5G BBU設備集成CU和DU功能,其設備形態與3G4G基站設備形態基本相同。AAU、RRU和天線設備與CU/DU分離架構的設備相同。目前,CU/DU分離架構設備還不成熟,不能滿足商用要求。商用宏基站設備為CU/DU一體化設備。

微站設備一般分為一體化基站(gNB)和分布式微站2類,如圖1“微站設備”所示。一體化gNB主要用于室外或室內場景,完成單點覆蓋。分布式微站由基帶部分(BBU設備提供信源)、匯聚單元(HUB設備)和射頻單元組成,一般用于室內場景,其射頻單元功率較低,覆蓋范圍較小。

圖1  5G基站設備分類

1.2 5G基站設備架構

圖2  5G基站設備分類(以CU/DU分離架構為例)

如圖2所示,5G基站設備按功能可劃分為基帶單元、射頻單元、天饋單元等幾個主要模塊,各模塊之間通過外部接口或內部接口相連。

在CU/DU分離架構下, CU設備與DU設備之間通過中傳接口相連(F1接口[4-8]),CU設備與5G核心網之間通過NG接口[9-14]相連。CU設備若采用通用硬件平臺,除通用硬件處理模塊以外,為了便于用戶數據處理,會配置硬件加速卡,主要完成加密/解密、數據包分段/組合等功能。同時,也需要考慮電源、同步等模塊要求。

5G基帶單元(主要指BBU設備)負責完成5G PHY層(部分功能)、MAC層、RLC層等協議基本功能以及接口功能,其中包括用戶面及控制面相關功能,接口功能包括基站設備與核心網之間的回傳接口、基帶模塊與射頻模塊之間前傳接口(例如eCPRI接口[15])、時鐘同步等物理接口。

5G射頻單元(例如AAU設備)主要完成數字信號與射頻模擬信號之間轉換,以及射頻信號的收發處理功能,同時還需要支持上移到射頻模塊中的部分物理層功能。

CU/DU一體化基站設備如圖3所示,BBU設備增加了回傳模塊替換中傳模塊,基帶模塊具備PDCP/SDAP、RLC、MAC、PHY層(部分PHY層)功能。

BBU設備形態可分為基帶主控一體型、基帶主控分離型2種產品形態。對于基帶主控一體式BBU,基帶處理單元、主控單元、傳輸接口單元集成在一塊物理板卡上,該架構具有集成度高、功耗低等特點。對于基帶主控分離型BBU,基帶處理單元與主控單元分別對應基帶板和主控板,分離式架構支持板卡間靈活組合,便于硬件靈活擴容。

圖3  5G基站設備分類(以CU/DU一體化架構為例)

1.3 5G基站設備關鍵器件

基站設備廣泛采用模塊化設計方案,關鍵器件定制開發,集成度高,完成專有功能效率高。5G基站BBU設備關鍵器件主要包括多核處理器、基帶芯片,接口模塊,存儲、電源等模塊。AAU設備關鍵器件包括基帶芯片、數字中頻芯片、數模轉換芯片、功放器件、低噪放器件、雙工器等。上述關鍵器件決定基站設備最大處理能力、設備重量、尺寸、功耗等關鍵指標。

核心芯片隨著工藝提高,芯片集成度及能力都有顯著提高,這對于減少設備尺寸、放松散熱要求、降低設備功耗等都有重要意義。當然,核心器件自主研發及供應鏈能力,也是確保產業鏈供貨穩定、企業長久發展的核心能力要求。

1.4 5G基站設備重要指標

5G基站設備的指標是衡量設備能力是否滿足商用網絡建設要求的重要標準。由于CU設備暫不成熟,目前重點考慮支持小區數、最大用戶數以及用戶數據處理能力等指標,后續應根據商用產品完善CU設備衡量指標。目前,應重點考慮CU/DU一體化架構的設備重要指標,其中,按照設備類型可以劃分為BBU設備指標和AAU設備指標。

1.4.1  BBU設備指標

BBU設備指標包括最大小區數、載波帶寬、用戶面處理能力、信令處理能力、前傳帶寬及接口數量、回傳帶寬及接口數量等指標。BBU用戶面處理能力主要包括數據處理能力、最大數據流數、激活用戶數、并發調度用戶數等核心指標。數據處理能力包括單小區峰值速率和多小區最大峰值速率。數據處理能力是基帶板、主控板的硬件的核心處理能力,與支持小區數、載波帶寬、調度用戶數等密切相關,綜合體現設備硬件能力與軟件處理能力。由于5G采用Massive MIMO技術,多流處理能力對提高基站容量有重要意義。多流處理能力與AAU通道數、天線數、基帶算法等緊密相關。目前,64T64R AAU設備已支持下行16流/上行8流的處理能力。BBU用戶面處理能力相對4G系統有大幅提高。

BBU信令處理能力指標包含RRC連接數、BHCA等,BBU設備信令處理能力不受限于硬件資源,目前,BBU信令處理能力遠高于單站移動互聯網(eMBB)業務對信令處理能力的要求(例如RRC連接數等指標),后續應考慮支持mMTC等垂直行業用戶的大連接密度需求。

1.4.2  AAU設備指標

AAU設備指標包括工作頻段、工作帶寬、最大發射功率、設備通道數、天線陣子數、峰值速率等基本指標,還包括接收機、發射機等射頻指標以及方向圖等天線指標。

AAU設備通道處的天線陣子數等指標主要影響AAU設備的外觀尺寸和重量,而其它指標對設備性能影響較大。

目前,AAU設備必須支持3.5工作頻段,工作帶寬應滿足100 MHz載波帶寬。若考慮共建共享場景,AAU設備應具備支持150~200 MHz帶寬的能力。比較成熟的AAU商用設備主要是64T64R 最大發射功率為200 W的設備,可滿足5G建設初期密集城區的部署需求。若支持共建共享200 MHz帶寬,則輸出功率應滿足400 W的要求。

另外,5G AAU通過大規模天線陣技術和波束賦形技術,既可以支持靈活的廣播信道波束配置方案,也支持業務信道的多種配置方案。對于64T64R AAU,天線陣子數已達到192個,通過波束賦型可靈活改變AAU下行覆蓋能力。

2 5G基站設備演進需求

2.1 5G無線網絡架構選擇

3GPP R15標準規范了Option3、Option2、Option4和Option7等多種網絡架構,為運營商網絡演進提供多種技術演進路線。目前,全球主要運營商重點關注Option3x和Option2 2種主要架構,分別對應NSA組網方案和SA組網方案。對于國內運營商而言,5G頻譜資源稀缺,基站設備投資成本高,為了提高設備利用率同時兼顧不同組網架構的商用網絡部署需求,需要推動NSA/SA雙棧能力研究。

2.2 中國聯通5G基站設備部署的思考

中國聯通5G基站設備演進應綜合考慮頻譜需求、組網場景、設備類型及成熟度等因素。

2.2.1  頻譜情況

中國聯通已分配3.4~3.5 GHz頻段,共計100 MHz用于部署5G網絡。由于該頻段上行和下行覆蓋不平衡, 5G小區覆蓋主要受限上行小區覆蓋能力。借鑒國外運營商的成熟經驗,隨著5G終端滲透率不斷提高,運營商將優先重耕現有頻譜。未來聯通可考慮重耕現網2.1 GHz、1.8GHz等頻段,從而解決網絡覆蓋問題。

2.2.2  組網場景

5G基站應優先考慮部署在城區數據熱點區域或示范區域,后續再逐漸擴大到一般城區。隨著基于NSA架構的5G基站網絡建設完成和SA架構的技術方案逐漸成熟,運營商也將考慮在剩余區域部署SA架構或者NSA/SA雙棧架構。

對于64T64R AAU設備和BBU等成熟商用設備,也將從密集城區向一般城區擴大規模部署。這就要考慮32通道數等低通道解決方案,從而與64通道數AAU設備形成“高配-低配”組合。對于高鐵、隧道等場景,由于站間距等組網要求,需要考慮采用更低通道數RRU設備同時外接高增益天線的組網方案。

2.2.3  設備成熟度

現有的5G基站設備基帶能力比較低,未來隨著相關工藝技術不斷改進,基帶能力也會有所提升。但是不同類型的AAU/RRU設備在收發通道數、總發射功率、工作帶寬指標方面等差異比較大。在5G網絡部署中,需要結合具體場景,綜合考慮設備能力、綜合成本等因素,選擇最合適的設備類型。

3 結論

隨著5G商用進展加快,運營商對5G商用基站設備關注度日益提高。5G基站設備從設備類型、部署適用場景、設備能力等方面全方位滿足網絡建設近期、中遠期的需求。本文總結了現階段研究成果和產業界發展情況,對后續5G基站設備規劃提出一些建議與思考,為5G商用網絡建設提供技術參考。

▎參考文獻

[1] RAN adjusts schedule for 2nd wave of 5G specifications [R]. 3GPP NEWS, 2018.

https://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/2005-ran_r16_schedule

[2] 中國聯通首發5G品牌“5G?”,釋放多個重要信號 [R]; 通信世界,2019年5月5日. http://www.cww.net.cn/article?id=451580

[3] 3GPP 5G無線網絡架構標準化進展 [R]; 移動通信,2018年01期

https://www.sohu.com/a/223000092_673855

[4] 3GPP TS 38.470, NG-RAN; F1 general aspects and principles [S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.470/38470-f50.zip

[5] 3GPP TS 38.471 NG-RAN; F1 layer 1 [S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.471/38471-f50.zip 

[6] 3GPP TS 38.472 NG-RAN; F1 signalling transport[S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.472/38472-f0.zip  

[7] 3GPP TS 38.473 NG-RAN; F1 Application Protocol (F1AP) [S], Dec 2018

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[8] 3GPP TS 38.474 NG-RAN; F1 data transport[S], Dec 2018

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[9] 3GPP TS 38.410 NG-RAN; NG general aspects and principles [S], Dec 2018

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[10] 3GPP TS 38.411 NG-RAN; NG layer 1 [S], Dec 2018

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[11] 3GPP TS 38.412 NG-RAN; NG signalling transport [S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.412/38412-f20.zip  

[12] 3GPP TS 38.413 NG-RAN; NG Application Protocol (NGAP) [S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.413/38413-f20.zip 

[13] 3GPP TS 38.414 NG-RAN; NG data transport [S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.414/38414-f20.zip  

[14] 3GPP TS 38.415 NG-RAN; PDU Session User Plane protocol [S], Dec 2018

http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.415/38415-f20.zip

[15] eCPRI Specification V2.0 [R], May 2019

http://www.cpri.info/downloads/eCPRI_v_2.0_2019_05_10c.pdf

作者簡介:

曹亙,高級工程師,博士,主要從事無線新技術研究工作。

呂婷,高級工程師,碩士,主要從事5G基站及組網方案研究工作。

張濤,高級工程師,碩士,主要從事無線技術研究及組網方案研究工作。

李福昌,教授級高工,博士,主要從事無線新技術研究、管理工作。

馮毅,教授級高工,博士,主要從事無線新技術研究、5G新業務研究及管理工作。

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寫得不太好

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