5G基站

2020/7/1 17:39:47 来源:生活奇事网
      5G基站是5G网络的核心设备,提供无线覆盖,实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。基站的架构、形态直接影响5G网络如何部署。在技术标准中,5G的频段远高于2G、3G和4G网络,5G网络现阶段主要工作在3000-5000MHz频段。由于频率越高,信号传播过程中的衰减也越大,所以5G网络的基站密度将更高。
2020年5月17日,工业和信息化部副部长陈肇雄表示,我国5G商用加快推进,目前已开通5G基站超过20万个。 [1] 
中文名5G基站外文名5G Base Station特    点密度高关键技术MR技术、Massive MIMO等测试方法OTA测试等所属领域通信技术

目录

  1. 发展历程
  2. 架构分析
  3. ▪ 逻辑架构
  4. ▪ 设备体系
  5. 关键技术
  1. ▪ MR技术
  2. ▪ 64QAM技术
  3. ▪ 抗干扰技术
  4. ▪ 大规模MIMO技术
  5. 测试方案
  1. 基站电源
  2. ▪ 问题
  3. ▪ 解决方案
  4. 难点分析

发展历程

2018年3月30日,中国移动天津公司在中国移动5G联合创新中心天津开放实验室开通,这是中国第一批5G应用示范城市之一天津的首个5G基站。截至2018年3月30日,中国移动、中国电信正在中国多地建设5G基站,包括雄安新区、苏州、上海、成都、兰州、深圳、广州等 [2]  。5月,湖北移动公司5G项目建设办公室项目经理介绍,武汉2018年初被列入中国移动首批5G试点城市,计划2018年完成超100座5G基站建设。主要分布在光谷、汉口江滩、汉口火车站三大区域,其中光谷是最大的5G基站分布区 [3]  。8月13日,北京联通正式发布了“5G NEXT”计划,北京市首批5G站点同步正式启动 [4]  。
2019年1月27日,中国移动通信集团青海有限公司宣布,青海省西宁市已建成并开通了首个5G基站 [5]  。10月31日,在2019中国国际信息通信展览会开幕式上,工信部与中国电信、中国联通、中国移动、中国铁塔共同宣布启动5G商用 [6]  。
2020年1月20日,工信部负责人在国新办举行的2019年工业通信业发展情况新闻发布会上表示,2019年中国5G基础设施建设和应用力度加大,2019年底全国共建成5G基站超13万个 [7]  。
截至2020年2月底,全国建设开通5G基站已达16.4万个。 [8] 
截至2020年3月底,全国已建成5G基站达19.8万个,预计全年新建5G基站超过50万个。 [9] 
2020年4月30日16时左右,全球海拔最高的5G基站正式投入使用,5G信号首次“登顶”世界之巅 [10]  。
2020年5月17日,工业和信息化部副部长陈肇雄表示,我国5G商用加快推进,目前已开通5G基站超过20万个。 [1] 

架构分析

逻辑架构

5G基站主要用于提供5G空口协议功能,支持与用户设备、核心网之间的通信。按照逻辑功能划分,5G基站可分为5G基带单元与5G射频单元,二者之间可通过CPRI或eCPRI接口连接。
5G基带单元负责NR基带协议处理,包括整个用户面(UP)及控制面(CP)协议处理功能,并提供与核心网之间的回传接口(NG接口)以及基站间互连接口(Xn接口)。
5G射频单元主要完成NR基带信号与射频信号的转换及NR射频信号的收发处理功能。在下行方向,接收从5G基带单元传来的基带信号,经过上变频数模转换以及射频调制、滤波、信号放大等发射链路(TX)处理后,经由开关、天线单元发射出去。在上行方向,5G射频单元通过天线单元接收上行射频信号,经过低噪放、滤波、解调等接收链路(RX)处理后,再进行模数转换下变频,转换为基带信号并发送给5G基带单元。 [11] 

设备体系

为了支持灵活的组网架构,适配不同的应用场景,5G无线接入网将存在多种不同架构、不同形态的基站设备。从设备架构角度划分,5G基站可分为BBU-AAU、CU-DU-AAU、BBU-RRU-Antenna、CU-DU-RRU-Antenna、一体化gNB等不同的架构。从设备形态角度划分,5G基站可分为基带设备、射频设备、一体化gNB设备以及其他形态的设备。 [11] 

关键技术

5G基站建设组网多采用混合分层网络,这样就可以保证5G网络的易管理、可扩展、高可靠性,能够满足5G基站的高速数据传输业务。同时由于5G主要是实现数据业务传输,因此5G基站需要适应高楼大厦、河流湖泊、山区峡谷的复杂应用环境,为了保证5G基站建设的良好性和完整性,下文简要介绍5G基站建设的关键技术。 [12] 

MR技术

MR是一种无线通信环境评估技术,其可以将采集到的信息发送给网络管理员,由网络管理员评判报告的价值,以便能够优化无线网络通信性能。MR技术应用包括覆盖评估、网络质量分析、越区覆盖分析、网络干扰分析、话务热点区域分析和载频隐性故障分析。MR可以渲染移动通信上下行信号强度,发现网络覆盖弱盲区,不但客观准确,还可以节省大量的时间、资源,能够及时发现网络覆盖问题,为网络覆盖优化提供进一步的依据。MR可以实现24小时×7天实时数据采集,完成上下行无线网络质量分析,反映全网通话质量的真实情况,提高全网通话后续数据支持。无线网络建设时,如果越区覆盖范围过大,将会干扰其他小区通信质量,MR可以直观地发现小区覆盖边界,判断是否存在越区覆盖,调整无线网络结构。话务热点区域分析可以实现话务密度、分布和资源利用率指标分析,实现关联性综合分析,制定容量站点、扩容站点的精确规划。 [12] 

64QAM技术

64QAM能够合理的提升SINR,针对5G网络进行科学规划和设计,降低5G网络部署的复杂度,可以降低重叠覆盖引起的同频干扰及弱覆盖问题,在满足5G网络广覆盖的要求下,增加覆盖的深度,提升5G网络的综合覆盖率,从而实现热点区域连续覆盖、无缝覆盖,不仅能够让更多的用户接入到5G网络,同时还可以享受到高质量的通信服务。64QAM在5G网络通信中的应用分为两个步骤,分别是调制和解调。64QAM调制过程如下:64QAM能够将输入的6比特数据组成一个映射;多电平正交幅度调制生成一个64QAM中频信号;并串转换,将两路并行码流改变为一路串行码流,可以增加一倍速率,码流从2进制改变为8进制,接着可以输出调制而成的RF信号。64QAM解调过程如下:5G网络传输信号时,由于受到自然环境或载波自身限制,信号传输难免受到噪声干扰导致信号发生畸变,如果畸变很小则可以直接判断为0或1,如果畸变比较严重,无法直接判断信号,就可以采用硬判决和软判断方法,准确、快速的识别信号。 [12] 

抗干扰技术

5G网络基站建设时需要部署大量的无线设备,这些无线设备的数量非常多,安装部署地点也非常复杂,彼此之间就会产生相互干扰问题,造成干扰的原因主要包括设备本身存在故障,5G网络运行时频道经常发射错误的信号,影响自身信号质量;5G网络设备安装与配置严重不规范,影响5G信号发射的灵敏度。5G网络干扰主要是指无线电干扰,这些干扰包括互调干扰、带外干扰。因此5G基站建设时,设计、施工人员需要从源头上解决信号存在干扰的问题,既可以保障信号的稳定性,也可以大大地提高控制管理效率。具体地,首先对基站无线电发射设备进行全电磁检测,将可能的将设备自身造成的干扰降到最低;其次是定期加强对发电设备的检查,一旦发现问题就及时进行处理,进而减少信号存在的干扰。 [12] 

大规模MIMO技术

多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术,亦称为多天线技术,通过在通信链路的收发两端设置多个天线而充分利用空间资源,能提供分集增益以提升系统的可靠性,提供复用增益以增加系统的频谱效率,提供阵列增益以提高系统的功率效率,近20年来一直是无线通信领域的主流技术之一。MIMO技术已被第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project,3GPP)的LTE/LTE-Advanced与电气电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)的WiMAX等4G标准采纳。但是,现有4G系统基站配置天线数较少(一般不超过8),MIMO性能增益受到极大限制。针对传统MIMO技术的不足,美国贝尔实验室的Marzetta于2010年提出了大规模MIMO(Massive MIMO或Very Large MIMO)概念。在大规模MIMO系统中,基站配置数十至数百个天线,较传统MIMO系统天线数增加1~2个数量级;基站充分利用系统的空间自由度,在同一时频资源服务若干用户。
传统MIMO到大规模MIMO的演变是一个从量变到质变的过程。由于大规模MIMO的基站天线数和空分用户数较传统MIMO有数量级增加,两者在无线通信基本原理与具体方法上既有相同之处也存在较大差异。近几年,在大规模MIMO的基础理论、信道测量与建模、信道信息获取、无线传输、实验和测试等方面已取得了丰硕成果。大规模MIMO已通过了较为理想的实验室验证和更接近实际的外场测试,并获得了符合预期的巨大性能增益。今后,各研发机构还会进一步开展组网验证,为大规模MIMO未来在5G系统的商用奠定良好基础。 [13] 

测试方案

5G移动通信技术能够满足人们对于高速、大容量、高可靠、低时延等快速增长的移动通信业务的需求。而大规模MIMO有源天线技术作为5G移动通信的关键技术之一,它可以通过空间复用大幅度提升频谱利用效率,结合新型编码技术可以大幅度提升通信系统容量和通信速率。因此,大规模MIMO有源天线技术是5G移动通信基站所普遍采用的技术,但随之而来的便是5G基站天线如何进行测试的问题。
对于传统基站而言,天线与RRU(Radio Remote Unite,射频远程单元)是相互分离的,他们之间通过射频线缆连接,相对独立,性能互不影响,其各自的性能可以分别通过独立测试进行检验。天线的辐射性能测试可以在微波暗室通过远场或近场方式完成,无源天线的远场或近场测试均是测试天线性能所广泛采用的成熟的测试方法。RRU的射频指标可以在实验室通过传导方式测量。
参考传统基站测试方式,很容易提出把有源天线系统拆分成无源天线阵列和RRU两部分分别进行天线辐射性能测试和射频传导测试的方案。事实上,根据实验室测试经验,“无源天线阵列+功分网络+信号源”所测得的波束赋形方向图与5G基站有源天线一体化OTA(Over the Air,空口辐射)测试的结果并不一致。“RRU+耦合板”的射频性能传导测试结果与一体化OTA测得的射频辐射指标也存在差别。原因在于对于5G基站天线而言,天线与RRU集成在一起,一方面电磁耦合、有源驻波等干扰因素不能完全消除;另一方面,有源天线的校准及幅相加权是通过各个射频通道上的一系列有源器件配合完成的,与无源天线阵列通过无源的功分网络来进行幅相加权的方式差别很大。所以对于采用了大规模MIMO有源天线技术的5G基站而言,一体化OTA测试方式才能有效反映其性能指标。尤其到了毫米波频段,频段更高,设备尺寸更小,电磁干扰问题更加突出,拆分测试将会非常困难,只能采用一体化OTA测试方案。
2017年12月冻结的3GPP 5G新空口协议中已经写入了关于5G基站的所有射频性能指标的OTA测试规范,这意味着5G基站天线一体化OTA测试将会成为5G基站硬件性能测试的主要方案。然而射频指标的OTA测试却仍面临着诸多困难。 [14] 
5G标准中定义的1-H,1-O和2-O的站型,均规定了相应的OTA射频测试项。尤其是1-O和2-O的站型,没有了传统的传导测试的天线接口,所有的射频测试项都需要在OTA环境下进行测试,测试项包含有发射功率,调制质量,占用带宽,邻道泄漏功率比,杂散,互调,灵敏度,阻塞,等等。所以用于OTA测试的全电波暗室例如:远场,紧缩场,中场,带有平面波产生器的小场等等成为必要的环境选择。3GPP标准中建议了远场,紧缩场,一维紧缩场,近场四种选择,并给出不同场的MU(Measurement Uncertainty)和相关测试项的校准和测试方法建议。对于一维紧缩场,已有机构根据类似的原理研发了平面波产生器,也进行了大量的系统测试和验证工作。 [15] 

基站电源

问题

5G基站AAU采用Massive MIMO(大规模多输入多输出)技术,造成设备功率增大,5G基站功率约为4G基站的3~4倍;同时5G基站和现有基站大量共站建设,为基站的配套电力带来了较大的困难。如果直接共用原有开关电源,会带来开关电源容量不足,蓄电池后备时长不足的问题;如果需要新建或替换开关电源,则会浪费大量的投资。运营商对5G基站和原有基站电源后备时长需求不同,应如何配置开关电源及蓄电池;5G如何才能降低电能损耗,以上都是5G基站建设时需要解决的问题。 [16] 

解决方案

传统开关电源
采用传统开关电源为5G供电是最常用的5G电源建设方案。传统开关电源供电:当开关电源总容量充足时,可直接利旧原有开关电源,扩容整流模块及蓄电池,当开关电源总容量不足时,可替换或新建一套开关电源。 [16] 
优点:利用原有基站开关电源,只需扩容整流模块,可节省大量投资,缩短工期,可快速交付项目。采用传统开关电源供电时,交流电能通过开关电源一次转换后就可为设备供电,电能转换次数少,转换效率高。 [16] 
缺点:AAU(有源天线单元)采用48V供电,供电距离较短,损耗大。采用同一套开关电源为原有设备及5G设备供电时,5G设备与其他原有设备备电时长相同。若原有蓄电池容量不足,新建蓄电池需要采用电池切换系统(也称电池共用管理器)进行并联,会增加建设成本。 [16] 
DC/DC转换器
DC/DC(直流/直流)转换器为5G供电,是在传统供电方案的基础上,增加DC/DC设备。 [16] 
优点:增加设备较少,供电距离较远。 [16] 
缺点:电能转换次数多,转换过程中能量损耗大。 [16] 
高压直流远供
高压直流远供,此方案是在传统开关电源的基础上,增加直流远供设备,用于为5G设备供电。 [16] 
优点:供电距离远,5G应用场景基本没限制,适合远距离、大功率的供电场景,如果两站之间需要新建光缆,可采用光电复合缆,降低光缆电缆的施工费用,减少成本。 [16] 
缺点:需增加的设备较多,短距离内电能因转换次数多,损耗大,相比传统开关电源投资大。 [16] 
分布式电源
分布式电源为5G供电常用于存量基站和新建基站。 [16] 
分布式电源+刀片电池
分布式电源+刀片电池为5G供电常用于存量基站和新建基站。 [16] 

难点分析

5G网络全面云化,在带来功能灵活性的同时,也带来很多技术和工程难题:
(1)网络云化使跨层故障定界定位困难,后期升级过程也更加复杂而低效。
(2)边缘计算的引入使网元数目倍增,问题定位难度增大等问题。
(3)微服务化,用户更多的定制业务,也给业务编排能力提出了极高的要求。
(4)传输方面,海量隧道动态变化,人工规划和分析调整无法满足业务需求;高精度时钟的建设和维护要求高、难度大,需要新的支撑手段。大宽度传输,一旦出现故障,需要更快恢复的技术手段,否则将导致更大影响和损失。
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