面向5G基帶單元與射頻單元的硬件架構(gòu)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)基站架構(gòu)持續(xù)演進(jìn)，介紹了基站架構(gòu)及形態(tài)的發(fā)展歷程并分析了基帶單元與射頻單元的硬件架構(gòu)，探討了基站架構(gòu)的未來(lái)演進(jìn)趨勢(shì)，重點(diǎn)闡述了面向5G的基站新架構(gòu)及面臨的挑戰(zhàn)。

前言

在無(wú)線業(yè)務(wù)寬帶化、多樣化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從2G、3G到4G的發(fā)展歷程，網(wǎng)絡(luò)的容量與性能持續(xù)提升?；咀鳛闊o(wú)線側(cè)核心設(shè)備，其硬件架構(gòu)也在隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展不斷演進(jìn)。

基站設(shè)備由基帶單元與射頻單元組成，基帶單元提供基帶協(xié)議處理及基站系統(tǒng)管理等功能，射頻單元負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的收發(fā)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)制式的演進(jìn)，基站架構(gòu)經(jīng)歷了從基帶射頻集中、基帶射頻分離到多模一體化這樣一條演變路徑。其中，基帶單元從GSM時(shí)代的系統(tǒng)機(jī)柜化發(fā)展到系統(tǒng)機(jī)框化、板卡化再到多系統(tǒng)板卡化，集成度不斷提高，基帶單元所支持的載波數(shù)、吞吐量、信令規(guī)格等基帶處理能力也逐步增強(qiáng)。射頻單元的演變體現(xiàn)為性能更優(yōu)、體積更小、通道數(shù)更多，從早期GSM的窄帶單密度、雙密度系統(tǒng)發(fā)展到寬頻系統(tǒng)，單模塊可支持大帶寬、多扇區(qū)、多制式，射頻通道數(shù)也由1T2R、2T2R發(fā)展為4T4R，并向著Massive MIMO演進(jìn)。

基站架構(gòu)分析

1.1 基站形態(tài)的演變

隨著基站架構(gòu)的演變，基站設(shè)備形態(tài)也經(jīng)歷了機(jī)柜式宏基站、分布式基站、多?；具@幾個(gè)發(fā)展階段。在GSM時(shí)代，基站的形態(tài)主要以機(jī)柜式宏基站為主，采用基帶射頻一體化架構(gòu)，射頻單元和基帶單元共同放置在機(jī)柜內(nèi)，射頻饋線從機(jī)房拉到天面，其特點(diǎn)為集成度低、功耗高、施工復(fù)雜、部署靈活性差。

為了提高組網(wǎng)靈活度，降低工程復(fù)雜度，基于基帶射頻分離架構(gòu)的分布式基站逐步成熟，基站設(shè)備分化為BBU與RRU，BBU放置在機(jī)房，RRU上塔，BBU和RRU之間通過(guò)光纖連接。基帶射頻分離使得機(jī)房占地面積減小，射頻饋線損耗降低，提升了射頻覆蓋效率。

隨著LTE的引入，運(yùn)營(yíng)商面臨著多制式網(wǎng)絡(luò)共存的情況，同一站址存在2G、3G、4G多種無(wú)線技術(shù)，為了避免重復(fù)投資、降低網(wǎng)絡(luò)部署及維護(hù)成本，出現(xiàn)了多?；荆淖兞艘粋€(gè)制式一套基站設(shè)備的模式。多模基站采用多模BBU與多模RRU的分布式架構(gòu)，多模BBU在同一套硬件平臺(tái)上同時(shí)支持多種接入技術(shù)，支持多制式共機(jī)框或共板卡，多模RRU則可在連續(xù)的瞬時(shí)工作帶寬內(nèi)通過(guò)軟件配置同時(shí)支持多制式，完成對(duì)多制式射頻信號(hào)的收發(fā)處理。

1.2 基帶單元的硬件架構(gòu)

基帶單元（BBU）負(fù)責(zé)集中控制與管理整個(gè)基站系統(tǒng)，完成上下行基帶處理功能，并提供與射頻單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成信息交互。按照邏輯功能的不同，BBU內(nèi)部可劃分為基帶處理單元、主控單元、傳輸接口單元等，如圖1所示。其中，主控單元主要實(shí)現(xiàn)基帶單元的控制管理、信令處理、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)時(shí)鐘提供等功能；基帶處理單元用于完成信號(hào)編碼調(diào)制、資源調(diào)度、數(shù)據(jù)封裝等基帶協(xié)議處理，提供基帶單元和射頻單元間的接口；傳輸接口單元負(fù)責(zé)提供與核心網(wǎng)連接的傳輸接口。BBU采用機(jī)框結(jié)構(gòu)，框內(nèi)劃分為多個(gè)槽位，每個(gè)槽位可插入一塊板卡。板卡分為不同類(lèi)型，分別用于實(shí)現(xiàn)BBU內(nèi)各邏輯功能。上述各邏輯功能單元可分布在不同的物理板卡上，也可以集成在同一塊板卡上。BBU的物理形態(tài)分為2類(lèi)：基帶主控集成式、基帶主控分離式。對(duì)于基帶主控集成式BBU，主控、傳輸、基帶一體化設(shè)計(jì)，即基帶處理單元與主控單元、傳輸接口單元集成在一塊物理板卡上，該架構(gòu)具有更高的可靠性、更低的低延、更高的資源共享及調(diào)度效率，同時(shí)功耗更低。對(duì)于基帶主控分離式BBU，基帶處理單元與主控單元分布在不同的板卡上，對(duì)應(yīng)于基帶板、主控板，分離式架構(gòu)支持板卡間自由組合、便于基帶靈活擴(kuò)容。

圖1 基帶單元的邏輯架構(gòu)

BBU支持多制式共平臺(tái)時(shí)，按照多制式資源共享模式的不同，可分為共機(jī)框、共主控板、共基帶板3類(lèi)。共機(jī)框情況下，不同制式的系統(tǒng)使用獨(dú)立的基帶板與主控板，混插在同一機(jī)框內(nèi)，共享電源、傳輸、同步等。共主控和共基帶是在共機(jī)框的基礎(chǔ)上，不同制式的系統(tǒng)共享相同的主控板、基帶板。

1.3 射頻單元的硬件架構(gòu)

射頻單元（RRU）通過(guò)基帶射頻接口與BBU通信，完成基帶信號(hào)與射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。RRU的硬件架構(gòu)如圖2所示，主要包括接口單元、下行信號(hào)處理單元、上行信號(hào)處理單元、功放單元、低噪放單元、雙工器單元等，構(gòu)成下行信號(hào)處理鏈路與上行信號(hào)處理鏈路。其中，接口單元提供與BBU之間的前傳接口，接收和發(fā)送基帶IQ信號(hào)，采用CPRI協(xié)議或OBSAI協(xié)議；下行信號(hào)處理單元完成信號(hào)上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換、射頻調(diào)制等信號(hào)處理功能；上行信號(hào)處理單元主要完成信號(hào)濾波、混頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻等功能；功放及低噪放單元分別對(duì)下行及上行信號(hào)進(jìn)行放大；雙工器支持收發(fā)信號(hào)復(fù)用并對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行濾波。

圖2 射頻單元的邏輯架構(gòu)

對(duì)于多通道RRU，比如2T2R RRU，內(nèi)部存在2條相同的信號(hào)處理鏈路，完成對(duì)2路信號(hào)的上下行信號(hào)處理及收發(fā)。對(duì)于多模RRU，要求接口單元、上下行信號(hào)處理單元可支持對(duì)多制式信號(hào)的處理，功放、雙工器、低噪放等模擬器件要求支持更大的瞬時(shí)工作帶寬。

面向5G的基站架構(gòu)演進(jìn)