5G基站到底長啥樣？和4G有啥區別？

這是普通人眼中的4G和5G基站...

這是通訊人眼中的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(抱杆)等。

基站設備負責經過無線電波鏈接手機，並經過傳輸設備鏈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站點同樣，都少不了配套設備。一般4G和5G基站是共站的，即在原有的4G站點上疊加5G設備。因爲疊加5G設備後，基站設備的功耗和傳輸容量增長，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基站設備是有差異的。

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一般會拉遠至接近天線的地方，BBU與RRU之間經過光纖鏈接，而RRU與天線之間經過饋線鏈接。

而5G基站設備將BBU分割爲CU(中央單元)和DU(分佈式單元)，並經過光纖與AAU(有源天線單元)鏈接。AAU包含了RRU和天線功能，即有源射頻部分與無源天線基於一體。

要了解具體的差異，得從RAN(無線接入網)的協議棧提及。

先來簡單瞭解一下協議棧各層的功能：

• RRC，無線資源控制層，負責鏈接配置、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組網的雙鏈接模式下，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，爲了數據不出園區以保護本地數據的安全，PDCP層仍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、重複包檢測等。

• MAC，媒體訪問控制層，負責實時資源調度決策、複用/解複用、緩衝等功能。

MAC層也負責載波聚合調度。因爲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、調製、FEC等。

數據通過以上層層處理後傳送到射頻單元轉換爲模擬高頻信號，再經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各層功能集於BBU。

但到了5G時代，考慮RAN虛擬化、雲化和集中化趨勢以及爲了減小前傳容量和時延，5G基站進行了重構，主要分拆爲三部分：

• 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可採用雲化部署方式，支持核心網UPF下沉與邊緣計算融合部署。CU與DU之間經過F1接口鏈接。一個CU可管理一個或多個DU。

• DU，分佈式單元，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。因爲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之內)。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可鏈接多個分佈式的AAU。

通過這麼一拆分，4G無線接入網的前傳和回傳也隨之拆分爲三部分：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，咱們再來聊聊基站的射頻部分。

爲何到了5G時代要從RRU+天線進化爲有源射頻部分和天線集成的AAU呢?

主要緣由是5G採用了Massive MIMO技術。

Massive MIMO主要有兩大技術優點：

1)經過波束賦形(Beamforming)提高覆蓋範圍和減小干擾

波束賦形就是經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於更窄的波束上，從而可加強覆蓋範圍和減小干擾。

有了波束賦形，可造成精確的用戶級超窄波束，並隨用戶位置而移動，將能量定向投放到用戶位置，相對傳統寬波束天線可提高信號覆蓋，同時下降小區間用戶干擾。

同時，還能經過3D波束賦形在垂直維度增長一個能夠利用的維度，從而可更靈活的調整小區的垂直覆蓋範圍，改變傳統二維的無線設計方式。

2)經過空間多路複用提高小區容量

Massive MIMO可經過MU-MIMO，將在空間上覆用的多個數據流同時發送給多個用戶，從而可成倍提高小區容量。

若是把無線網絡比喻爲高速公路，這至關於在不用增長頻譜帶寬的前提下，將道路擴多幾條。

但問題是，要實現Massive MIMO，採用多天線是前提。波束賦形技術的性能潛力會隨着天線數量的增長而增長，爲此， 5G Massive MIMO採用了幾十甚至過百個天線單元。

正是由於Massive MIMO採用了這麼多天線，才須要射頻單元和天線單元基於一體的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提及。

先來看看4G時代的RRU+天線模式(以下圖)，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，再經過饋線鏈接天線。

而5G AAU將多個天線單元和射頻單元集於一體，大體組成結構是這樣的...

想象一下，若是AAU不將多個天線單元和射頻單元集於一體，會發生什麼狀況?

這會帶來以下問題：

1)要在多個射頻和天線單元之間鏈接那麼多饋線，根本是沒法完成的任務。

回顧4G時代，隨着MIMO不斷升級，RRU鏈接天線的饋線通道愈來愈多，鐵塔上已經生出了一大串鬍子，而Massive MIMO要鏈接過百個天線單元須要多少饋線?

2)鐵塔上已經沒有那麼多空間支持這麼多饋線鏈接了，且RRU也佔空間。

3)工程安裝和維護會愈來愈複雜。

4)饋線會增長RF損耗，影響信號覆蓋。

顯然，要支持Massive MIMO須要射頻單元和天線單元基於一體的AAU。

還有一個關鍵緣由是，只有射頻單元和天線單元基於一體，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基站的不一樣之處。