張英輝，喬國繁，楊春亮，陳 舒，莊 鵬，張 波

（中移物聯(lián)網有限公司成都分公司，四川 成都 610041）

0 引言

在4G 網絡全面和深度覆蓋下，移動互聯(lián)網得到了空前繁榮的發(fā)展，而移動互聯(lián)網的豐富應用又反過來增加了網絡容量需求，為5G 網絡的發(fā)展和建設提供了現(xiàn)實需求。工信部數(shù)據(jù)顯示，截至2021年2 月底，國內累計建設5G 基站超過70 萬個，其中北京、上海、廣州以及杭州等城市已經實現(xiàn)了5G網絡城區(qū)連片覆蓋。2019 年12 月，單月5G 用戶DoU（Dataflow of Usage，DoU）接近17 GB[1]。2020年12 月底，移動用戶手機上網DoU 達到9.4 GB。這些流量有70%以上的業(yè)務需求來源于室內[2]，因此室內深度覆蓋將成為下一階段5G 網絡建設的重點。5G 小基站在解決5G 網絡室內深度覆蓋和垂直行業(yè)網絡需求方面具有高性能、低成本、部署靈活、運維可視化以及升級方便等特點，具有極大潛力和廣闊的應用前景。因此，本文在介紹5G 小基站概念和架構的基礎上，系統(tǒng)對比分析了5G 小基站與宏基站、傳統(tǒng)分布式天線系統(tǒng)的特點，從公網和行業(yè)專網方面詳細研究了5G 小基站的應用場景，分析了5G 小基站技術發(fā)展趨勢，為5G 小基站的發(fā)展和應用提供了有價值的參考。

1 5G 小基站概念和架構

根據(jù)3GPP 規(guī)范定義，移動通信基站按照功率分為3 大類，分別為廣域基站（宏基站）、中等覆蓋范圍基站（微基站）和局域基站（皮基站和飛基站），如表1 所示，其中微基站、皮基站和飛基站統(tǒng)稱為小基站。本文中所稱的小基站特指擴展型皮基站。

表1 移動通信基站分類

5G 小基站由3 級架構組成，包含基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）、交換機HUB 和射頻處理單 元（Remote Radio Unit，RRU）[3]。BBU 實現(xiàn)5G 通信的基帶處理，包含層1/層2/層3 的協(xié)議棧功能、同步、前傳、回傳、操作維護、綜合管理等功能[3-4]。BBU 也可以進一步分解為分布單元（Distributed Unit，DU）和集中單元（Centralized Unit，CU）。CU 主要負責非實時的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業(yè)務的部署。DU 主要負責物理層功能和具有實時性需求的層2 功能。HUB 作為連接BBU 和RRU的橋梁，實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)分發(fā)、上行數(shù)據(jù)匯聚以及供電遠端單元等功能。RRU 實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)功能，包括上行信號的低噪聲放大、濾波、采樣，下行信號的濾波、放大，中頻處理，前傳接口等。BBU與HUB 之間通過光纖連接，HUB 與RRU 之間通過網線或光電復合纜連接。在室內應用中，BBU 部署于建筑物中心機房，交換機HUB 部署于建筑物各層弱電井，遠端單元RRU 部署于用戶的各個房間實現(xiàn)用戶覆蓋。在BBU 側可以通過小區(qū)合并和分裂，動態(tài)滿足不同的場景容量需求，也可實現(xiàn)精準定位、故障監(jiān)控等傳統(tǒng)室內分布系統(tǒng)無法處理的新功能。

2 5G 小基站與宏基站、DAS 對比分析

宏基站和傳統(tǒng)分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DAS）是5G 無線網絡建設的重要組成部分，與小基站具有功能相似性。5G 宏基站由CU、DU 和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）組成。AAU 通常支持32T32R 或64T64R。宏基站通常安裝于室外，用于室外廣覆蓋和多用戶接入，因此宏基站發(fā)射功率大、收發(fā)通道多、體積大、功耗大，需要專門的站址、供電系統(tǒng)等。DAS 主要由功分器、合路器、耦合器、饋線和天線等無源設備組成。收發(fā)通道為單路或雙路。DAS 通常安裝于室內，用于室內深度覆蓋和小區(qū)域覆蓋，因此DAS發(fā)射功率小、收發(fā)通道少、成本低，不需要專門的站址。5G 小基站與宏基站、DAS 的詳細對比分析如表2 所示。

表2 5G 小基站與宏基站、DAS 對比分析

從表2 可以看出，5G 小基站在收發(fā)通道、擴容升級、室內外協(xié)同、網絡演進、部署施工、可管可控等諸多方面優(yōu)于DAS，在功耗、質量、體積、建設成本、不要專門站址和機房等方面優(yōu)于宏基站，因此特別適用于室外建設成本過高的熱點地區(qū)和盲區(qū)以及室內覆蓋區(qū)域。

3 5G 小基站應用場景

根據(jù)5G 小基站容量、覆蓋范圍、成本等特點，5G 小基站應用場景可分為兩大類：第一類為5G 公共移動通信網絡；第二類為5G 行業(yè)專用網絡。

3.1 5G 公共移動通信網絡

針對5G 公共移動通信網絡，在宏基站提供基礎網絡覆蓋的基礎上，5G 小基站在室外和室內都具有現(xiàn)實的應用場景需求。

在室外，5G 小基站的功能主要是實現(xiàn)“吸熱”和“補盲”。在流量需求大的高熱點地區(qū)如體育場館、交通樞紐、會展中心和高校園區(qū)等，由于高密度建設宏基站的成本太高，可以高密度建設成本較低的5G 小基站來滿足容量需求，提高覆蓋的同時節(jié)省投資。在室外覆蓋盲區(qū)（需要覆蓋的區(qū)域遠遠小于宏基站的覆蓋區(qū)域）建設宏基站會造成投資浪費，但通過建設5G 小基站可滿足覆蓋需求，同時節(jié)約成本投入。

在室內，5G 小基站的功能主要是實現(xiàn)深度覆蓋和大容量。室內覆蓋的特點是覆蓋區(qū)域小，且有多種不同類型的墻等隔檔物將覆蓋區(qū)域分割為多塊。在4G 時代，室內覆蓋的主要解決方案有兩種，一是室外覆蓋室內（即用室外宏基站的信號穿透建筑物到室內），二是DAS 室內覆蓋[1]。進入5G 時代，國內運營商的主力覆蓋頻段由1.8～2.3 GHz 提升至2.6～4.9 GHz，信號覆蓋能力大幅下降。4G 時代的室內覆蓋方案存在諸多局限性，具體表現(xiàn)如下。針對室外覆蓋室內方案，由于5G 工作頻段的上移，室外到室內的穿損增大6～10 dB，導致室外覆蓋室內的能力大幅降低，只能做淺層室內覆蓋，導致室內的5G 信號質量遠遠達不到用戶覆蓋和容量需求。針對DAS 室內覆蓋方案，運營商為了充分保護以前的投資，采取利舊方案實現(xiàn)5G 覆蓋。但是，DAS 主要存在以下局限。第一，DAS 的無源器件和饋線的頻率響應性能無法滿足2.7 GHz 以上系統(tǒng)建設要求，即3.5 GHz 及4.9 GHz 頻段無法采用DAS方案。第二，對于2.6 GHz，現(xiàn)網4G 已部署的DAS超過90%為單路，導致通信容量難以達到5G 用戶的需求（5G 用戶終端常規(guī)配置2T4R）。為了支持5G 頻段和多路特性，需對DAS 進行改造，但改造過程一方面存在器件成本，另一方面施工較為復雜，且靈活性差，同時存在新老支路一致性問題。因此，4G 時代室內覆蓋的主要解決方案只能作為5G 建設初期實現(xiàn)快速覆蓋的方案，不能解決5G 特有的大容量問題，不能體現(xiàn)5G 網絡相對于4G 網絡的優(yōu)勢，使后續(xù)5G 殺手級特有業(yè)務挖掘和發(fā)展受到了極大限制。

5G 小基站的應用可以從技術源頭解決信號覆蓋和容量問題，克服傳統(tǒng)室內覆蓋方案的局限性。5G 小基站具有收發(fā)通道多、網絡容量大、部署施工難度小、擴容靈活以及運維可視化等優(yōu)點，在5G 室內覆蓋應用中具有廣闊的前景。但是，應用于5G 公共移動通信網絡的小基站在滿足性能和覆蓋等無線網絡指標基礎上應盡量實現(xiàn)成本最優(yōu)化，對性能、功耗、體積和可靠性的要求都比較高，對成本較為敏感[3]。

3.2 5G 行業(yè)專用網絡

5G 具有大帶寬、低時延和大連接特性，匹配了智慧工廠、智慧醫(yī)院、智慧礦山、智慧園區(qū)以及智慧港口等垂直行業(yè)的信息通信需求。因此，這些垂直行業(yè)期望能充分利用這些特性實現(xiàn)行業(yè)的數(shù)智化轉型，降低生產制造成本，提升產業(yè)效率。

由于垂直行業(yè)眾多，其需求碎片化、復雜化，很難用統(tǒng)一的網絡部署方式滿足所有差異化的客戶需求。例如，智慧工廠的關鍵需求是數(shù)據(jù)不出廠的安全需求、確定性大帶寬低時延需求以及泛在網絡融合的需求；智慧醫(yī)院的關鍵需求是醫(yī)療數(shù)據(jù)不出院的安全需求、均衡上下行的大帶寬需求以及穩(wěn)定的低時延需求；智慧礦山的關鍵需求是井下遠程高清視頻、危險作業(yè)面的穩(wěn)定可靠的無人挖礦、礦井設備運行狀態(tài)監(jiān)控、井下人員資產信息的實時定位以及自動化巡檢等。不同行業(yè)應用的關鍵需求點的多樣性，造成了對設備的成本、性能、功耗、體積以及認證的差異化需求。例如，醫(yī)療設備除了常規(guī)的電子產品3C 認證外，還需要做醫(yī)療器械認證；礦井下設備除了入網認證，還需要做防爆認證、煤安認證等[4]。

面對碎片化、差異化的行業(yè)需求，需真正高效、全面、經濟地滿足其應用場景的所有需求，達到提高生產效率、降低成本的目標。由于宏基站在建設成本和站址靈活性方面不及小基站，而垂直行業(yè)應用多在封閉或局部區(qū)域環(huán)境中，因此小基站將成為5G 行業(yè)專用網絡建設的主要解決方案，具有經濟、快速、靈活的優(yōu)勢。

4 5G 小基站行業(yè)發(fā)展趨勢

5G 小基站雖然有豐富的應用場景，但產業(yè)鏈發(fā)展還不均衡。主設備廠商的5G 小基站具備商用能力，但架構和能力較為封閉，架構不夠開放，使得產業(yè)鏈非常集中競爭不夠充分。能力不夠開放，使得垂直行業(yè)在應用中業(yè)務定制開發(fā)不夠靈活。因此，行業(yè)對5G 小基站的開放需求強烈。開放平臺5G 小基站具有接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化以及網絡管理智能化等特征，使得產業(yè)鏈更加豐富、分工更加明確、設備成本更加合理，可構建開放、敏捷、智能、靈活的端到端網絡，通過高效快速的產品創(chuàng)新，滿足新時期垂直行業(yè)客戶廣泛的數(shù)字化應用需求。但是，目前開放平臺5G 小基站產業(yè)在開放計算平臺、加速器芯片、覆蓋場景、功能切分以及軟硬件解耦等方面還存在諸多問題和挑戰(zhàn)，需要全行業(yè)產業(yè)鏈各方共同推進才能實現(xiàn)行業(yè)繁榮發(fā)展，助力社會數(shù)字化轉型[5]。

5 結語

在5G 時代，隨著個人用戶和行業(yè)用戶對大容量、低時延、大連接移動通信需求的增加，單位面積的通信容量、時延和連接要求越來越高。由于傳統(tǒng)覆蓋方案的局限性，同時綜合考慮建設、運營和維護成本，移動運營商只有增加基站密度才能滿足需求。小基站在性能、成本、運營和維護等方面為運營商提供了靈活的選擇，在室內、室外場景中都具有廣闊的應用前景。但是，目前小基站尤其是開放平臺小基站產業(yè)發(fā)展還不均衡，產業(yè)多集中在系統(tǒng)集成和整機研發(fā)，基礎芯片、基礎軟件可選擇的余地較小，導致軟硬件架構較單一。同時，小基站在架構、能力、接口等方面的封閉性不利于5G 技術在垂直行業(yè)的廣泛應用。因此，需要全行業(yè)開放合作，共同打造開放、豐富、共贏的產業(yè)新生態(tài)。