基站設備演進趨勢和部署策略研究

楊定楚，李 展，王 森，童 心（.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 00048；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司，北京 000；.華夏郵電咨詢監(jiān)理有限公司，河南鄭州 450007）

0 引言

全球移動通信行業(yè)發(fā)展迅猛，從20 世紀80 年代的第一代移動通信技術發(fā)展至今，已經(jīng)歷了40 余年，到了第五代。移動通信提供的業(yè)務類型也從最基礎的模擬通信的語音通話，發(fā)展到數(shù)字通信的電話、短信，再到低速數(shù)據(jù)業(yè)務、高速移動寬帶業(yè)務和萬物互聯(lián)業(yè)務等。隨著網(wǎng)絡的更新?lián)Q代，基站設備也發(fā)生了翻天覆地的變化，設備形態(tài)、能力都在向著多樣性、高集成、智能化和綠色低碳等方向演進。

1 移動通信發(fā)展歷程回顧

1978 年，美國貝爾實驗室基于蜂窩網(wǎng)絡概念研制出了先進移動電話系統(tǒng)（AMPS），這是第一代移動通信系統(tǒng)。2G 克服了模擬系統(tǒng)的諸多缺點，并能提供低速數(shù)據(jù)、語音信箱、短消息等新業(yè)務。2G 時代的通信協(xié)議主要分為2 種，分別是歐洲的GSM 和美國的CDMA。隨著技術的不斷創(chuàng)新與進步，到2000年左右，第三代移動通信系統(tǒng)（3G）開始商用。中國提出的TD-SCDMA 標準與歐洲的 WCDMA、美國的CDMA2000 成為3G 的3 種主要制式。4G 標準于2004年在3GPP 會議上正式立項并啟動，取名為LTE，引入了正交頻分復用和多天線MIMO 等技術，4G 網(wǎng)絡在2014 年左右得到了迅猛的發(fā)展。ITU-R 于2015 年6月定義了5G的關鍵應用場景：增強型移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務（eMBB）、海量連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務（mMTC）和超高可靠性與超低時延業(yè)務（uRLLC）。5G 技術通過信道編碼技術提高了頻譜利用率、使用更豐富帶寬頻譜資源的頻段，提高數(shù)據(jù)速率，以滿足低時延的需求。2019年6月6 日，工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通和中國廣電發(fā)放5G商用牌照，標志著中國正式進入5G 商用元年。目前，5G 網(wǎng)絡覆蓋率已經(jīng)達到一定水平，未來5G 發(fā)展的關鍵是應用［1］。不同代際的移動通信網(wǎng)絡能力如表1所示。

表1 不同代際的移動通信網(wǎng)絡能力總結

2 基站設備演進趨勢分析

由于不同覆蓋場景具有不同的覆蓋和容量需求，為了減小資源浪費，需要選擇不同頻率組合基站設備；同時，隨著硬件技術的不斷發(fā)展，5G芯片的處理能力需要不斷提高，設備集成度也將不斷提升；無線網(wǎng)絡智能化是未來重要的發(fā)展方向，將智能融入無線網(wǎng)絡業(yè)務、體驗和運維等方面，使無線通信從萬物互聯(lián)走向萬物智聯(lián)；此外，5G 網(wǎng)絡還面臨高建設成本（CAPEX）/運營成本（OPEX）、高功耗等問題，為了實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，基站設備需要不斷降低能耗?；谝陨蠋讉€因素，未來基站設備將沿著形態(tài)多樣、高度集成、無線智能、綠色低碳的方向演進。

2.1 形態(tài)多樣

基站主設備形態(tài)從2G 時代傳統(tǒng)的宏基站，到3G時代RRU 分布式基站（射頻拉遠），再到4G 時代的SDR（軟件定義無線電，多制式合一）基站，逐步進化到當前5G 時代主流的AAU（集成RRU 和天線）形態(tài)。為了能夠適應不同的覆蓋場景和差異化的用戶需求，5G基站設備形態(tài)呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展態(tài)勢，目前已經(jīng)具備了涵蓋3.5 GHz、2.1 GHz、900 MHz多個頻段、不同通道數(shù)、不同功率的AAU/RRU 室外室內(nèi)的宏基站設備。還包括可以整合存量天線的集成無源天線AAU 一體化特色設備。后續(xù)將繼續(xù)向著FDD Massive MIMO AAU 以及多模多頻設備演進?；驹O備的形態(tài)演進依賴于網(wǎng)絡架構和站點形態(tài)的發(fā)展和變化。

a）網(wǎng)絡架構方面。多頻多模大容量是后續(xù)網(wǎng)絡發(fā)展的重要趨勢。宏站和微站結合是提升站點覆蓋和容量的重要方式，接入網(wǎng)的扁平化以及資源處理池等需求都是推動宏基站架構變化的重要動力。同時，基帶處理單元（BBU）也發(fā)生了巨大的變革。在2G 和3G 時代，基站BBU 僅支持單個頻段和單一制式，其擴容能力較弱。然而，進入4G和5G時代后，BBU開始朝著多頻多模大容量方向演進。為了滿足BBU 集中需求，單個BBU需要支持更多小區(qū)的接入。為了滿足2B業(yè)務對上下行差異化的需求，BBU 需要具備不同時隙配比的載波能力。設備不僅要支持7∶3時隙配比的載波，還要滿足1∶3等其他3GPP標準定義的時隙配比類型。

b）站點形態(tài)方面。宏基站逐步支持更多種類的射頻模塊（寬頻、扇區(qū)化、多收多發(fā)等）。站點形態(tài)逐步從相對固定覆蓋范圍的傳統(tǒng)站點向適配不同場景覆蓋和容量特點的“宏、桿、室、微”綜合性解決方案演進。另外，由于節(jié)能減排的要求，直通風和液冷等技術逐步被應用到基站和各組成部件。同時，隨著站點獲取難度日益增加，新建站點的數(shù)量逐步減少，在站點利舊、多頻天面等場景中，新的基站解決方案需符合設備需求不斷變化趨勢，宏基站、小微基站和室內(nèi)分布式基站仍然是未來幾年的無線接入新建或擴容的主流形態(tài)［2-4］。隨著業(yè)務量的不斷增長，現(xiàn)有頻譜容量將出現(xiàn)瓶頸，未來亟需更大容量的新頻譜，新頻譜的應用將催生新形態(tài)的基站設備，比如毫米波和6 GHz 頻段等頻譜。毫米波基站將以超大帶寬（200M、400M 每載波）和超多陣列（單模塊超過1 000 個振子）作為基礎，同時通過軟件方式實現(xiàn)智能波束管理，以達到高頻毫米波基站超高的性能。如圖1 所示，可根據(jù)不同場景特點因地制宜選擇不同的基站形態(tài)。

圖1 根據(jù)不同場景特點因地制宜選擇不同的基站形態(tài)

未來基站設備形態(tài)演進中還會考慮云基站的形態(tài)。云基站采用通用服務器，基于虛擬化和云化技術的網(wǎng)絡架構逐步實現(xiàn)硬件資源云化，實現(xiàn)更加開放、智能化的虛擬化無線基站。擴展型微站是基站設備形態(tài)向云基站演進過程中的過渡階段，采用通用服務器架構但尚未實現(xiàn)虛擬化，僅以通用服務器替代專用硬件實現(xiàn)軟件功能，具備一定的軟件化能力。

2.2 高度集成

首先，5G 基站設備的集成度不斷提高。隨著硬件產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，5G 芯片的處理能力將不斷提高，半導體工藝也需要更新?lián)Q代，通過采用高性能、高集成度的芯片（如AISC大規(guī)模應用），采用更先進的半導體工藝技術（如5 nm 工藝），5G 基站設備的集成度不斷提高，設備體積更小、功耗更低，有利于節(jié)約機房空間，降低能耗和OPEX成本。

其次，5G 基站在服務范疇方面不斷擴展。5G 基站不僅僅服務于2C 人網(wǎng)通信，還兼顧專網(wǎng)與5G 2B 領域的需求。物聯(lián)網(wǎng)需求的持續(xù)爆發(fā)性增長離不開5G的支持，5G 網(wǎng)絡也需要持續(xù)增強更好地支撐物聯(lián)，滿足未來承載千億連接的需求。這要求5G 網(wǎng)絡能支撐不同速率檔位的物聯(lián)類型，匹配行業(yè)差異化需求；此外，當前大量的物聯(lián)應用基于無源連接，如何通過網(wǎng)絡化的技術提升無源物聯(lián)的識別率、覆蓋范圍、定位精度是5G網(wǎng)絡未來的創(chuàng)新方向，需要產(chǎn)業(yè)合作伙伴共同制定標準并推動產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

再次，5G 頻譜資源不斷集成和重構。頻譜是無線網(wǎng)絡的基石，產(chǎn)業(yè)需要共同推進Sub 100G 全頻譜走向NR，促進包括6 GHz、毫米波等NR 新頻譜的研究與開放應用。同時為提高對現(xiàn)有頻譜的商用效率，需對現(xiàn)有頻譜（包括800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz 等）重耕進行研究，通過MB-SC（Multi-Band Serving Cell）技術將現(xiàn)有離散多頻段資源統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)高度集成，使用戶獲得與5G大帶寬相同的業(yè)務體驗［5］。

2.3 無線網(wǎng)絡智能

無線網(wǎng)絡智能化是未來重要的發(fā)展方向，將從網(wǎng)絡運維管理向智能內(nèi)生方向發(fā)展。實現(xiàn)以業(yè)務為中心的時、頻、空、算力等核心資源要素的“端到端”智能化自適應，解決全網(wǎng)“能耗”與業(yè)務負載智能化匹配等多項技術難題。降低網(wǎng)絡運維復雜度，降低人力成本，加快構建智能、綠色、高效的全新通信網(wǎng)絡。

為了解決無線網(wǎng)絡的結構性矛盾，實現(xiàn)流量激增而能耗微增，運維復雜度增加而人力不增，保持網(wǎng)絡動態(tài)變化的同時保障業(yè)務體驗的確定性，本文提出一種智能化解決方案：在基站側引入智能化算法構建分層自治、垂直協(xié)同的無線智能網(wǎng)絡［6］。面向未來業(yè)務需求，在空口、網(wǎng)絡、業(yè)務側需全面推動智能化演進，保障多元化用戶體驗，助力千行百業(yè)的發(fā)展。

小半徑曲線盾構隧道連續(xù)下穿建筑物施工技術研究…………………………………………………… 常富貴（10-207）

2.4 綠色低碳

按照國內(nèi)運營商的“碳達峰、碳中和”行動計劃，到2025 年單位電信業(yè)務總量綜合能耗將降低15%。為了實現(xiàn)這個目標，需要探索空口、設備、站點、網(wǎng)絡等端到端的節(jié)能和增效手段?；臼悄芎淖畲蟮木W(wǎng)絡設備，因此，在基站設備技術演進過程中，降低能耗顯得尤為重要。通過高集成化和算法迭代優(yōu)化，可以不斷提高整機的運行效率；通過“智能化”解決方案，基于業(yè)務量等網(wǎng)絡KPI 變化和用戶業(yè)務體驗的需求，可以實現(xiàn)智能、精準、高效的資源配置，從而進一步提升無線基站設備的節(jié)能效果。在網(wǎng)絡層面，通過不斷深入的共建共享，可以不斷優(yōu)化現(xiàn)有的網(wǎng)絡，從而降低無線網(wǎng)絡的整體能耗。

在降低基站功耗方面，首先廣泛采用設計更加精密、集成度更高的新一代專用基帶芯片和專用中頻芯片；其次采用高效氮化鎵功放，并從功放算法方面不斷進行創(chuàng)新和實踐，同時應用新型材質(zhì)陶瓷濾波器、新技術電源和先進的散熱器等技術，降低基站整體功耗。在節(jié)能軟件功能方面，在保障5G業(yè)務體驗不下降的前提下，根據(jù)基站覆蓋的不同場景和業(yè)務負荷情況，采用符號關斷、射頻通道智能關斷、LTE/NR智能載波關斷、深度休眠等分層分級節(jié)能功能，進一步降低基站整體功耗，實現(xiàn)綠色低碳的節(jié)能目標。

3 未來網(wǎng)絡及設備演進展望

3.1 5G-A（5G-Advanced）網(wǎng)絡演進

5G-A 是5G的增強和演進，在5G基礎上擴展了三大新場景，包括上行超寬帶（UCBC）、實時寬帶交互（RTBC）和通信感知融合（HCS），通過萬兆體驗、千億連接和內(nèi)生智能，從支撐萬物互聯(lián)到使能萬物智聯(lián)，為人聯(lián)、物聯(lián)、車聯(lián)、智造產(chǎn)業(yè)等場景帶來商業(yè)新價值。

a）UCBC。在5G 上行能力基線峰值帶寬250 Mbit/s基礎上，實現(xiàn)40倍以上的提升，使上行帶寬達到10 Gbit/s 以上，可滿足企業(yè)生產(chǎn)制造等場景下的機器視覺、海量寬帶物聯(lián)等業(yè)務的上傳需求。

b）RTBC。實時寬帶交互技術需要支持大帶寬和低交互延遲，其目標是在一定的時延限制下將帶寬提升10 倍，以打造人與虛擬世界交互時的沉浸式體驗，例如XR Pro和全息應用等。

c）HCS。通感融合指的是在通信系統(tǒng)中將感知能力進行融合，通過空口及協(xié)議的聯(lián)合設計以及軟硬件設備的共享，使用相同的頻譜資源，利用無線信號的直射、反射、散射等方式，對目標對象或環(huán)境信息進行實時的感知，從而構建一個低成本、高精度且無縫泛在的通信感知一體化網(wǎng)絡。通感融合將開啟一個超越傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡聯(lián)接的應用領域。

3.2 6G網(wǎng)絡展望

6G 網(wǎng)絡架構將延續(xù)5G 網(wǎng)絡架構演進，制定“三層四面”的架構，其中，“三層”包括云網(wǎng)資源層、網(wǎng)絡功能層和應用使能層；“四面”，在傳統(tǒng)的控制面和用戶面基礎上，增加智能面和數(shù)據(jù)面，同時進一步增強云網(wǎng)一體運營能力，基于云網(wǎng)融合操作系統(tǒng)實現(xiàn)自治網(wǎng)絡端到端全業(yè)務按需服務的能力。在網(wǎng)元演進方面，將網(wǎng)元能力進行聚合，形成至簡的架構、接口和端到端業(yè)務流程。在原生智能方面，面向6G提供分布式網(wǎng)絡AI能力，實現(xiàn)分域和跨域自治，具備跨層跨域自治、即插即用的自動控制、用戶按需服務等能力，并關注網(wǎng)絡安全。通感算一體方面，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的感知和控制，實現(xiàn)移動計算和QoS保障，達到支撐不同網(wǎng)絡服務的目的。網(wǎng)絡自身也實現(xiàn)實時的網(wǎng)絡性能監(jiān)控。6G 通信技術不再是簡單的網(wǎng)絡容量和傳輸速率的突破，它更是為了縮小數(shù)字鴻溝，實現(xiàn)萬物互聯(lián)這一“終極目標”。6G 的數(shù)據(jù)傳輸速率可能達到5G 的數(shù)十倍，時延縮短到5G 的1/10，在峰值速率、時延、流量密度、連接數(shù)密度、移動性、頻譜效率、定位能力等方面遠優(yōu)于5G。

未來6G 網(wǎng)絡設備形態(tài)將由3 部分組成：各種軌道衛(wèi)星構成的天基網(wǎng)絡、飛行器構成的空基網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的地基網(wǎng)絡，其中傳統(tǒng)的地基網(wǎng)絡包括蜂窩無線網(wǎng)絡、衛(wèi)星地面站和移動衛(wèi)星終端以及地面的數(shù)據(jù)與處理中心等。

4 基站部署策略探索

國內(nèi)運營商持續(xù)推進新型數(shù)字信息基礎設施建設，全面加速數(shù)字化轉型，以客戶為本，構筑網(wǎng)絡差異化競爭優(yōu)勢。在5G網(wǎng)絡建設和頻譜規(guī)劃方面，全面深化共建共享，采用“低頻打底+中頻做優(yōu)”的網(wǎng)絡架構，以最經(jīng)濟、最高效、最快捷的手段，打造熱點厚、室內(nèi)深、農(nóng)村廣、網(wǎng)絡簡、體驗優(yōu)的5G/4G 精品網(wǎng)。充分發(fā)揮共建共享優(yōu)勢，建設5G 打底網(wǎng)，網(wǎng)絡廣度及淺層覆蓋與行業(yè)相當，實現(xiàn)重點區(qū)域體驗領先。

根據(jù)5G/4G 精品網(wǎng)建設要求，需對不同覆蓋場景的覆蓋和容量需求制定最優(yōu)的設備選型方案。

4.1 室外場景

a）市區(qū)場景。市區(qū)分為密集城區(qū)、一般城區(qū)和郊區(qū)。市區(qū)場景采用3.5 GHz 作為主力承載，重點區(qū)域及口碑場景部署200M 網(wǎng)絡。密集城區(qū)優(yōu)先采用3.5 GHz 64TR 大容量設備，一般城區(qū)和郊區(qū)主要采用3.5 GHz 32TR設備。城區(qū)場景需充分利用大數(shù)據(jù)手段，結合網(wǎng)絡測試和運營數(shù)據(jù)，深入分析，精準定位網(wǎng)絡問題點，重點滿足5G 用戶密集且無5G 覆蓋、中頻4G 超忙且無5G 覆蓋等場景的網(wǎng)絡覆蓋需求，以期達到快速、高效、精準建設的目的。

b）縣城場景?？h城按經(jīng)濟發(fā)展程度可分為發(fā)達縣城和一般縣城。發(fā)達縣城以3.5 GHz 32TR 為主，普通縣城可選擇3.5 GHz 8TR 設備，實現(xiàn)分區(qū)域協(xié)同組網(wǎng)。

c）鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村場景。在東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)及行政村，優(yōu)先采用低頻網(wǎng)進行覆蓋；在西部低流量農(nóng)村區(qū)域，優(yōu)先爭取700 MHz漫游和800 MHz低頻共享。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村場景，逐步推進中國電信和中國聯(lián)通低頻一張網(wǎng)，以解決覆蓋有無和基礎業(yè)務（語音、低速數(shù)據(jù)）兜底的問題。

4.2 室內(nèi)場景

根據(jù)樓宇價值，因地制宜、分類施策，制定場景化解決方案，精準、快速提升樓宇深度覆蓋水平。

重點場景5G 網(wǎng)絡全覆蓋，口碑場景高配，打造差異化競爭優(yōu)勢。高校校園、高鐵車站、機場、三甲醫(yī)院、地鐵、商務辦公區(qū)、3A 以上景區(qū)、五星級及以上酒店、大型商業(yè)購物區(qū)、政府部門（四套班子+服務窗口）等重點場景，采取名單制管理，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡全覆蓋。其中口碑場景以3.5 GHz 數(shù)字化室分為主，室內(nèi)具備300M 網(wǎng)絡能力，覆蓋和感知雙優(yōu)，打造差異化競爭優(yōu)勢。

中價值場景兼顧覆蓋、性能和成本。對于中價值樓宇可采用3.5 GHz DAS、2.1 GHz合路、擴展型微站等建設手段；對于低價值樓宇可以選擇2.1 GHz 合路、擴展型微站、直放站、室內(nèi)外協(xié)同等低成本手段進行覆蓋。

住宅場景室內(nèi)外協(xié)同提升覆蓋。采用室外綜合覆蓋、小區(qū)滴灌等多種技術手段，充分發(fā)揮2.1 GHz 室外打室內(nèi)覆蓋效果，提升覆蓋、降低成本。

實現(xiàn)名單制地下停車場移網(wǎng)全覆蓋。移動支付、充電樁應用、多媒體應用、OTA 升級、智能駕駛等地下停車場內(nèi)觸發(fā)的新業(yè)務場景不斷涌現(xiàn)，對網(wǎng)絡覆蓋提出了更高要求。應根據(jù)場景價值及業(yè)務需求，并充分考慮數(shù)字化室分融合組網(wǎng)方案、直放站等低成本建設手段，快速實現(xiàn)移網(wǎng)覆蓋。

5 結束語

5G 技術已經(jīng)改變了人們的生活方式，大大加速了整個社會的信息化和數(shù)字化進程，推動社會逐步走向“數(shù)字孿生和智慧泛在”的時代。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，未來的無線基站設備將向更加高度集成、智能內(nèi)生、高效節(jié)能、管理便捷高效的方向演進。因此，通信運營商和技術服務產(chǎn)業(yè)鏈都需要持續(xù)跟蹤和研究無線基站設備的演進和網(wǎng)絡部署策略，以便更好地指導網(wǎng)絡規(guī)劃和建設實施。