漫话5G与5G基站（4）
胡经国
㈧、基站维护
小灵通用户的主要感知从原先的对覆盖范围的要求转移到对信号稳定的要求。在从2007年第一季度的PHS信号类申告图中可以看出，除了需优化部分占5%以外，其余95%主要是由于设备故障尤其是小灵通基站故障而引发的用户感知下降。
⑴、各地对于基站故障处理及时率始终停留在一般的“现场看、现场查”的水平，对故障基站的必备相关参数知之甚少（如是否要带梯子、和谁联系上楼等等），不能做到“先了解、后查修”，造成故障基站查修时间过长；对于同时多发基站故障，不能够采用集中资源优先处理、针对性处理等措施来保障话务高的基站恢复运营，造成该重要基站维修时间较长而影响了该基站覆盖区域下的很多用户的感知。在对2006年最后一个季度的故障处理调查中显示，基站故障处理及时率最高仅为98.76%。
⑵、对于基站基础维护工作周期、项目一概而论、不分等级，无差异化、针对性的维护，造成重要基站的巡检周期过长、巡检内容过于简单，为重要基站日后出现告警而影响大批客户埋下了故障隐患。
⑶、加强并完善基站基础维护，从维护周期和维护项目上做到分等级基站维护的针对性和差异性，尽可能排除基站故障隐患。
⑷、创新维护办法，改善生产力，提高基站故障处理效率，有效降低因基站故障造成的用户感知的比例。
㈨、基站辐射
移动通信事业的发展日新月异，用户规模飞速扩张。为了保障移动通信的顺畅和实现无缝隙覆盖，电信运营商有时需要在通话需求量较大的写字楼、居民区增建移动通信基站。
移动通信基站是否会带来辐射污染？是否会对人体的健康造成危害？为帮助广大读者更深入地了解移动通信基站的辐射问题，需要说明作为高科技的产物之一，移动通信技术对于普通大众来说是陌生的。而对于移动通信的认知的匮乏，正是基站辐射恐惧产生的根源。再加上在学术界不可避免地存在一些争议，国内外媒体又有一些耸人听闻的报道，以致在民众中引起了一些莫名的恐惧和抵触心理。
我们每时每刻都生活在电磁辐射中，但是只有电磁辐射超过一定的频率和功率造成“电磁污染”，才会对人体产生危害。电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或汇聚的现象称为电磁辐射。
其实，人类每时每刻都生活在电磁辐射环境中。这是因为，地球本身就是一个大磁场。它表面的热辐射和雷电都可以产生电磁辐射。太阳及其他星球也从外层空间源源不断地产生电磁辐射。电磁辐射虽然普遍存在，但是在绝大多数情况下并不可怕。当电磁辐射能量（其大小用场强度表示）被控制在一定限度内时，它对人体、有机体及其他生物体是有益的；它可以加速生物体的微循环、防止炎症的发生，还可促进植物的生长和发育。
电磁辐射是否对人体有害，主要取决于以下两个因素：一是看电磁辐射频率的高低；二是看电磁辐射功率的大小。只有当这两个因素超过一定的允许值而造成电磁辐射污染时，才有可能会对人体带来负面影响。因此，电磁辐射还不能直接等同于电磁污染，更不能直接与人体健康挂钩。
基站的电磁辐射频率约为900兆赫兹，与电视的电磁辐射频率基本相当。其发出和接收的功率只有十几二十毫瓦。因此，基站不足以构成电磁辐射污染。
那么，在我们生活和工作的环境中，哪些地方的电磁辐射比较大呢？这主要有：①、电脑0.6～1.5米的距离内；②、居室中电视机、音响等家电比较集中的地方；③工、科、医电气设备及VDT周围；④、高压输变电线路及设备周围。
移动通信基站虽然也是通过电磁波传递信息的，但是与电脑、家电和专业电气设备等相比，它并不属于较强辐射源之一。特别是基于数字技术运用，现代移动通信辐射强度得到了进一步的控制。
中国的移动通信基站标准主要参照国家环保局和卫生部颁发的《电磁辐射防护规定》与《环境电磁波卫生标准》。具体而言，中国国家标准要求电场强度小于12伏/米，或者说功率密度每平方厘米小于40微瓦。与欧美发达国家相关标准相比，中国国家标准要严格得多。
移动通信基站的电磁辐射频率约为900兆赫兹，与电视的电磁辐射频率基本相当。移动通信采取的是微蜂窝技术，无论是发出还是接收的功率都是非常低的，只有十几毫瓦、二十几毫瓦的能量级，完全不足以造成电磁辐射污染。
㈩、基站发展方向简介
1、软件定义无线设备
传统模拟无线电系统的基带处理、上/下变频等功能，全部采用模拟方式实现。而随着SDR（SoftwareDefinedRadio，软件定义无线设备）的发展，基站的许多功能都采用软件来实现。SDR的发展促使了基站的基带模块和射频模块也开始采用通用的硬件结构，即基带单元BBU和远端射频单元RRU通过运行不同版本的软件来实现对各种无线制式的支持。
2、其他诸多发展方向
基站作为无线通信中的核心设备，正在向着更小的体积、更多的频段支持、全IP化的网络架构、更绿色环保的发射功率等方向不断发展。
在不久的将来，基站可能会变成更加普通的一个单元融入我们的生活，而不再引起人们对其电磁辐射的担心。
三、5G基站及其性能特点
㈠、5G基站概述
5G基站（5GBaseStation）是5G网络的核心设备，用以提供无线覆盖，实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。5G基站的架构和形态直接影响5G网络如何部署。在相关技术标准中，5G网络的频段远高于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，信号在传播过程中的衰减也越大，因而5G网络的基站密度将更高。
2020年4月30日，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。截至2020年5月，中国已开通5G基站超过20万个。
㈡、5G基站性能特点
5G基站基于多天线MassiveMIMO（大规模输入输出）、新型编码LDPC/Polar等5G先进新技术，具备超大带宽，体验速率可达1Gbps，相当于4G的100倍，峰值速率更是可达20Gbps，相当于4G的200倍。
除了高速度以外，5G基站还具备高可靠低时延、低功耗大连接两个重要特性，可以大大推动远程医疗、工业控制、远程驾驶、智慧城市、智慧家居等应用的普及。
四、5G基站架构分析
㈠、5G基站架构
为了支持增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠与低延迟（uRLLC）、大规模机器类通信（mMTC）等多种业务应用，5G网络将引入NR新空口和新的网络架构，以提升峰值速率、时延、容量等网络性能指标，并且具备更大的组网灵活性和可扩展性，以满足多样化的业务需求。
目前，3GPPR15标准已经定义了5G无线网络的整体架构，5G无线接入网（NG-RAN）由多个5G基站（gNB）组成。gNB向UE提供NR空口协议的终结，并且通过NG接口连接到AMF/UPF等5G核心网（5GC）网元，gNB之间通过Xn接口实现相互连接。
㈡、5G基站逻辑架构
5G基站主要用于提供5G空口协议功能，支持与UE（UserExperience，用户体念）或用户设备、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。
1、5G基带单元
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，并且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）。
链接：5GNR
5GNR是5GNewRadio（5G新空口）的缩写。在3GPP的R15规范中，首次出现了NR这个缩写，其全称为NewRadio，因此也被称为“新空口”。所谓“新空口”，包含了两个词：“新”和“空口”。由此引出了两个问题：什么是“空口”？它新在哪里？
移动通信系统主要由终端，基站，核心网这三部分组成了两个子系统。其中，终端和基站组成了基站子系统；核心网内部由很多复杂的网元组成了网络子系统。
终端一般就是我们最常用的手机。基站就是那个具有高塔能发射信号的系统。核心网的位置最靠后，本质上就是个路由器，把各个基站连接起来，这样才能相互通信。
其中，手机和基站之间的接口，由于是基站和手机之间通过电磁波在空气中传播的，因而就叫做“空口”。由此可见，空口这套东西专用于基站子系统内部，跟核心网没有直接联系（见下图，图源：网络）。
到了5G时代，基站与核心网这两个子系统的独立性都增强了。因此，5G网络是非常灵活的，可以独立组网，也可以跟4G一起非独立组网。当独立组网时，5G基站连接的是5G核心网；当非独立组网时，5G基站和4G基站可以连接4G核心网，也可以连接5G核心网。
这一切比2G、3G和4G时代复杂多了。5G的基站子系统包含了4G和5G基站两类，网络子系统也包含了4G核心网和5G核心网两类，并且，5G基站可以连4G核心网，4G基站也可以连5G核心网……这看起来似乎混乱极了。因此，无线与核心网就此分开，各自独立演进（见下图，图源：网络）。
那么，5G“新空口”又新在哪里呢？既然有“新空口”，那么相对应地就有“旧”空口。下图（图源：网络）是一张非独立组网选项3和选项7的架构图。其中，4G基站和5G基站都连接到了同一套核心网，共同组成了5G非独立组网体系。
这样一来，不论连接的核心网是4G的EPC还是5G的5GC，同一部手机拥有两路空口连接；跟4G基站之间的链路就是“旧空口”，跟5G基站之间的连接就是“新空口”。5G新空口是基于4G空口技术设计的，也使用了OFDM的调制方式，在帧结构上修正了4G的一些不合理之处，增加了对大连接和低时延的支持，因此更加灵活，频谱效率也更高了。
2、5G射频单元
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，在经过上变频、数模转换以及射频调制、滤波、信号放大等发射链路（TX）处理以后，再经由开关、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，在经过低噪放、滤波、解调等接收链路（RX）处理以后，再进行模数转换、下变频，转换为基带信号并且发送给5G基带单元。
㈢、5G基站设备体系
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。
1、5G基站架构类型
从设备架构角度划分，5G基站可分为BBU-AAU、CU-DU-AAU、BBU-RRU-Antenna（Antenna，天线）、CU-DU-RRU-Antenna、一体化gNB等不同的架构。
在BBU-AAU架构中，基带单元映射为单独的一个物理设备BBU，AAU集成了射频单元与天线单元，若采用eCPRI接口，AAU内部还包含部分物理层底层处理功能。
在CU-DU-AAU架构中，基带功能分布到CU、DU两个物理设备上，二者共同完成构成5G基带单元，CU与DU间的F1接口为中传接口。
在BBU-RRU-Antenna架构中，RRU功能与AAU相同，区别在于RRU无内置天线单元，需要外接天线使用，主要用于郊区等低容量需求或室内覆盖场景。
一体化gNB架构集成了5G基带单元、射频单元以及天线单元，属于高集成度、紧凑型设备，可用于局部区域补盲或室内覆盖等特殊场景。
⑴、BBU
BBU（BuildingBasebandUnit，基带处理单元），又叫做室内基带处理单元。其机构属于分布式基站架构；用于3G、4G、5G网络。
BBU负责数据处理与储存；其主要组件为数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）、内存（SRAM、Flash）等单元。
RRU（RadioRemoteUnit，射频拉远单元）和BBU之间需要用光纤连接。一个BBU可以支持多个RRU。采用BBU+RRU多通道方案，可以很好地解决大型场馆的室内覆盖。
⑵、AAU
AAU（ActiveAntennaUnit，有源天线单元），是5G网络框架引入的新型设备，和RRU（射频拉远单元）有一定的功能区别。
与4G时代RRU与天线分离方案不同，AAU将天线与RRU融合,是5G的关键设备。早期5G基站建设就是在原有4G站点上叠加AAU等新设备。AAU可大幅提升小区频谱效率，提升容量和覆盖。
⑶、RRU
RRU（RadioRemoteUnit，射频拉远单元），是将数字基带信号转换成高频（射频）信号，并且将高频（射频）信号送到天线辐射出去。
⑷、CU、DU
5G基站架构之所以一定要采用CU和DU，是因为：
①、为了无线网的云化
这是实现Cloud-RAN（云无线接入网）的关键，而Cloud-RAN又是5G网络切片的关键。CU是可云化的通用设备，处理非实时业务；DU是不可云化的专用设备，处理实时业务。
②、实现协作通信
控制功能在CU，以实现协作通信。而协作通信在5G的干扰管理和切换管理中具有重要意义。
③、实现更加灵活的集中部署
当传输资源不足时，可以实现CU的集中部署。而CU集中部署又是实现云化和协作的必然。
2、5G基站设备类型
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。其中，5G基带设备又包含了BBU、CU、DU不同类型的物理设备，5G射频设备包含了AAU和RRU设备。
2021年10月12日编写于重庆
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