面向5G基带单元与射频单元的硬件架构

摘要

移动通信网络的发展驱动基站架构持续演进，介绍了基站架构及形态的发展历程并分析了基带单元与射频单元的硬件架构，探讨了基站架构的未来演进趋势，重点阐述了面向5G的基站新架构及面临的挑战。

前言

在无线业务宽带化、多样化发展的驱动下，移动通信网络经历了从2G、3G到4G的发展历程，网络的容量与性能持续提升。基站作为无线侧核心设备，其硬件架构也在随着网络技术的发展不断演进。

基站设备由基带单元与射频单元组成，基带单元提供基带协议处理及基站系统管理等功能，射频单元负责射频信号的收发处理。随着网络制式的演进，基站架构经历了从基带射频集中、基带射频分离到多模一体化这样一条演变路径。其中，基带单元从GSM时代的系统机柜化发展到系统机框化、板卡化再到多系统板卡化，集成度不断提高，基带单元所支持的载波数、吞吐量、信令规格等基带处理能力也逐步增强。射频单元的演变体现为性能更优、体积更小、通道数更多，从早期GSM的窄带单密度、双密度系统发展到宽频系统，单模块可支持大带宽、多扇区、多制式，射频通道数也由1T2R、2T2R发展为4T4R，并向着Massive MIMO演进。

基站架构分析

1.1 基站形态的演变

随着基站架构的演变，基站设备形态也经历了机柜式宏基站、分布式基站、多模基站这几个发展阶段。在GSM时代，基站的形态主要以机柜式宏基站为主，采用基带射频一体化架构，射频单元和基带单元共同放置在机柜内，射频馈线从机房拉到天面，其特点为集成度低、功耗高、施工复杂、部署灵活性差。

为了提高组网灵活度，降低工程复杂度，基于基带射频分离架构的分布式基站逐步成熟，基站设备分化为BBU与RRU，BBU放置在机房，RRU上塔，BBU和RRU之间通过光纤连接。基带射频分离使得机房占地面积减小，射频馈线损耗降低，提升了射频覆盖效率。

随着LTE的引入，运营商面临着多制式网络共存的情况，同一站址存在2G、3G、4G多种无线技术，为了避免重复投资、降低网络部署及维护成本，出现了多模基站，改变了一个制式一套基站设备的模式。多模基站采用多模BBU与多模RRU的分布式架构，多模BBU在同一套硬件平台上同时支持多种接入技术，支持多制式共机框或共板卡，多模RRU则可在连续的瞬时工作带宽内通过软件配置同时支持多制式，完成对多制式射频信号的收发处理。

1.2 基带单元的硬件架构

基带单元（BBU）负责集中控制与管理整个基站系统，完成上下行基带处理功能，并提供与射频单元、传输网络的物理接口，完成信息交互。按照逻辑功能的不同，BBU内部可划分为基带处理单元、主控单元、传输接口单元等，如图1所示。其中，主控单元主要实现基带单元的控制管理、信令处理、数据交换、系统时钟提供等功能；基带处理单元用于完成信号编码调制、资源调度、数据封装等基带协议处理，提供基带单元和射频单元间的接口；传输接口单元负责提供与核心网连接的传输接口。BBU采用机框结构，框内划分为多个槽位，每个槽位可插入一块板卡。板卡分为不同类型，分别用于实现BBU内各逻辑功能。上述各逻辑功能单元可分布在不同的物理板卡上，也可以集成在同一块板卡上。BBU的物理形态分为2类：基带主控集成式、基带主控分离式。对于基带主控集成式BBU，主控、传输、基带一体化设计，即基带处理单元与主控单元、传输接口单元集成在一块物理板卡上，该架构具有更高的可靠性、更低的低延、更高的资源共享及调度效率，同时功耗更低。对于基带主控分离式BBU，基带处理单元与主控单元分布在不同的板卡上，对应于基带板、主控板，分离式架构支持板卡间自由组合、便于基带灵活扩容。

图1 基带单元的逻辑架构

BBU支持多制式共平台时，按照多制式资源共享模式的不同，可分为共机框、共主控板、共基带板3类。共机框情况下，不同制式的系统使用独立的基带板与主控板，混插在同一机框内，共享电源、传输、同步等。共主控和共基带是在共机框的基础上，不同制式的系统共享相同的主控板、基带板。

1.3 射频单元的硬件架构

射频单元（RRU）通过基带射频接口与BBU通信，完成基带信号与射频信号的转换。RRU的硬件架构如图2所示，主要包括接口单元、下行信号处理单元、上行信号处理单元、功放单元、低噪放单元、双工器单元等，构成下行信号处理链路与上行信号处理链路。其中，接口单元提供与BBU之间的前传接口，接收和发送基带IQ信号，采用CPRI协议或OBSAI协议；下行信号处理单元完成信号上变频、数模转换、射频调制等信号处理功能；上行信号处理单元主要完成信号滤波、混频、模数转换、下变频等功能；功放及低噪放单元分别对下行及上行信号进行放大；双工器支持收发信号复用并对收发信号进行滤波。

图2 射频单元的逻辑架构

对于多通道RRU，比如2T2R RRU，内部存在2条相同的信号处理链路，完成对2路信号的上下行信号处理及收发。对于多模RRU，要求接口单元、上下行信号处理单元可支持对多制式信号的处理，功放、双工器、低噪放等模拟器件要求支持更大的瞬时工作带宽。

面向5G的基站架构演进