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            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?
            2020-04-22 09:52:37   來源:   評論:0 點擊:

            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。
            這是普通人眼中的4G和5G基站...
            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            這是通信人眼中的4G和5G基站...

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

             5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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?

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?
            主要原因是5G采用了Massive MIMO技術。
            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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...

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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?

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?

            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。

            5G基站到底長啥樣?和4G有啥區別?
            這些就是4G基站和5G基站的不同之處。
             

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