無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 課件 第6章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站系統(tǒng)

第5章

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站系統(tǒng)1

§6.1

5G基站系統(tǒng)概述2第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱5G）是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。與前幾代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的性能具有飛躍性發(fā)展。其下行峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Gbps，而上行峰值數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)10Gbps。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延被大大降低，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也得到簡(jiǎn)化，從而使得端到端延遲小于5毫秒。5G將為用戶帶來(lái)超越光纖的傳輸速度（MobileBeyondGiga）、超越工業(yè)總線的實(shí)時(shí)能力（Real-TimeWorld）以及全空間的連接（All-OnlineEverywhere），進(jìn)而有力促進(jìn)社會(huì)信息化的發(fā)展。圖6.15G系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

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5G基站系統(tǒng)概述

6.1.15G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3圖6.25G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括5G接入網(wǎng)（NG-RAN）和5G核心網(wǎng)（5GC），如圖2.2所示。其中NG屬于無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)的接口，而Xn屬于無(wú)線網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的接口。

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5G基站系統(tǒng)概述

6.1.25G接入網(wǎng)組網(wǎng)方式45G接入網(wǎng)中包含獨(dú)立部署組網(wǎng)(SA)和非獨(dú)立部署組網(wǎng)(NSA)兩種組網(wǎng)方式。1.SA組網(wǎng)SA組網(wǎng)獨(dú)立部署包括Option2和Option4/4a等幾種接入網(wǎng)組網(wǎng)方案，如圖6.3所示。其中虛線表示控制面，實(shí)線表示用戶面。Option2為NR基站獨(dú)立于LTE，直接連接5GC。Option4/4a采用NR基站作為控制面錨點(diǎn)，而LTE基站僅承擔(dān)用戶面轉(zhuǎn)發(fā)功能，適用于NR頻段低于LTE的場(chǎng)景。Option2逐漸被接受為SA組網(wǎng)優(yōu)選方案。

圖6.3SA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

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5G基站系統(tǒng)概述

6.1.25G接入網(wǎng)組網(wǎng)方式52.NSA組網(wǎng)非獨(dú)立部署包括Option3/3a/3x，Option7/7a/7x，Option3/3a/3x和Option7/7a/7x等幾種接入網(wǎng)組網(wǎng)方案，如圖6.4所示，均采用LIE作為控制面錨點(diǎn)，用戶通過(guò)LTE基站接入EPC或5GC，而NR基站僅承擔(dān)用戶面轉(zhuǎn)發(fā)功能，適用于LTE頻段低、覆蓋大于NR的場(chǎng)景。NSAOption3x逐漸被接受為NSA組網(wǎng)優(yōu)選方案。圖6.4NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

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5G基站系統(tǒng)概述

6.1.25G接入網(wǎng)組網(wǎng)方式62.NSA組網(wǎng)非獨(dú)立部署包括Option3/3a/3x，Option7/7a/7x，Option3/3a/3x和Option7/7a/7x等幾種接入網(wǎng)組網(wǎng)方案，如圖6.4所示，均采用LIE作為控制面錨點(diǎn)，用戶通過(guò)LTE基站接入EPC或5GC，而NR基站僅承擔(dān)用戶面轉(zhuǎn)發(fā)功能，適用于LTE頻段低、覆蓋大于NR的場(chǎng)景。NSAOption3x逐漸被接受為NSA組網(wǎng)優(yōu)選方案。圖6.4NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

§6.2

基站主設(shè)備7無(wú)線基站的主設(shè)備主要由基帶單元（BBU）、射頻模塊及配套設(shè)備組成，如表6.2所示?；局髟O(shè)備功能說(shuō)明功能模塊BBU基帶處理單元射頻模塊RRU與AAU等配套設(shè)備DCDU4G直流配電單元EPU5G直流配電單元交流轉(zhuǎn)直流AC/DC轉(zhuǎn)換模塊機(jī)柜/機(jī)框室內(nèi)宏機(jī)柜室內(nèi)小容量機(jī)柜室內(nèi)機(jī)柜其他類室外/室內(nèi)電源模塊交流防雷盒表6.2無(wú)線基站主設(shè)備基本組成模塊

§6.2

基站主設(shè)備

6.2.1射頻模塊8目前5G射頻模塊主要包括射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）與有源天線系統(tǒng)（AAU）兩種設(shè)備。RRU是傳統(tǒng)的中射頻模塊，包括調(diào)制/解調(diào)、數(shù)據(jù)壓縮、射頻信號(hào)與基帶信號(hào)的放大等功能，在4G通信基站中具有重要地位?？紤]到射頻前端的小型化和高效率設(shè)計(jì)需求，在RRU與基站天線的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了AAU這種新型一體化有源天線系統(tǒng)。AAU將部分物理層處理功能、射頻模塊與無(wú)源天線結(jié)合成為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，并架設(shè)于塔頂，其端口與基帶處理單元通過(guò)光纜等方式直接連接。AAU設(shè)備在5G通信系統(tǒng)中的微基站和室內(nèi)基站中得到了廣泛的應(yīng)用和部署。

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基站主設(shè)備

6.2.1射頻模塊9表6.3RRU功能模塊模塊名稱主要功能CPRI接口接收BBU發(fā)送的下行基帶數(shù)據(jù)，并向BBU發(fā)送上行基帶數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)RRU與BBU的通信供電處理將輸入的48V電源轉(zhuǎn)換為RRU各模塊需要的電源電壓TRX接收通道將接收信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，并進(jìn)行放大處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)；發(fā)射通道完成下行信號(hào)濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)射頻信號(hào)上變頻至發(fā)射頻段；反饋通道協(xié)助完成下行功率控制、數(shù)字預(yù)失真DPD及駐波測(cè)量PA對(duì)來(lái)自TRx的小功率射頻信號(hào)進(jìn)行放大LNA對(duì)來(lái)自天線的接收信號(hào)進(jìn)行放大濾波器使射頻通道接收與發(fā)射信號(hào)復(fù)用，并對(duì)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波圖6.5RRU邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

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基站主設(shè)備

6.2.1射頻模塊106.6

AAU功能模塊示意圖AAU主要功能包括:（1）向BBU接收并發(fā)送下行/上行基帶數(shù)據(jù)，與BBU進(jìn)行通信。（2）與天饋系統(tǒng)連接，接收通道將來(lái)自天線的上行射頻信號(hào)下變頻至中頻，然后進(jìn)行放大處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；發(fā)射通道對(duì)下行信號(hào)進(jìn)行濾波與數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后上變頻至發(fā)射頻段。（3）射頻通道對(duì)發(fā)射與接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)復(fù)用，使得接收與發(fā)射信號(hào)公用天線通道，并對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。（4）根據(jù)通信制式要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束賦形處理。

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基站主設(shè)備

6.2.2基帶處理單元11在當(dāng)前的5G系統(tǒng)中，對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行了重構(gòu)，將原來(lái)LTE系統(tǒng)中BBU的部分物理層處理模塊轉(zhuǎn)移至RRU，然后又將RRU與天饋系統(tǒng)融合為AAU。另一方面，將BBU拆分為CU與DU，使得每個(gè)基站擁有獨(dú)立的DU，而多個(gè)站點(diǎn)共用同一個(gè)CU進(jìn)行集中式管理，如圖6.7所示。圖6.7BBU架構(gòu)的演進(jìn)

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基站主設(shè)備

6.2.2基帶處理單元121.BBU邏輯結(jié)構(gòu)下面以華為公司產(chǎn)品BBU5900為例介紹BBU的邏輯結(jié)構(gòu)。該BBU5900采用模塊化設(shè)計(jì)，由基帶子系統(tǒng)、主控傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、鐘子系統(tǒng)、風(fēng)扇模塊和電源模塊組成，如圖6.8所示。圖6.8典型BBU產(chǎn)品的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

§6.2基站主設(shè)備

6.2.2基帶處理單元131.BBU安裝BBU安裝需要考慮站址的具體環(huán)境，確保BBU性能的穩(wěn)定正常。具體的安裝場(chǎng)景如下。圖6.9BBU室內(nèi)安裝場(chǎng)景圖6.10BBU安裝于機(jī)房?jī)?nèi)部場(chǎng)景

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天饋系統(tǒng)14天饋系統(tǒng)是無(wú)線基站的重要組成部分，作為無(wú)線信號(hào)的收發(fā)前端，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能具有重要影響，同時(shí)也是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的主要內(nèi)容之一?；咎祓佅到y(tǒng)主要包括天線、饋線、支撐結(jié)構(gòu)，以及一些連接器和保護(hù)裝備，如圖6.11所示。天饋系統(tǒng)的主要模塊和器件的功能見(jiàn)表6.4。

圖6.11無(wú)線基站天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖15

6.3.1基站天線基本參數(shù)表6.5典型基站天線電氣性能參數(shù)表作為移動(dòng)通信系統(tǒng)中的射頻核心組件，天線具有輻射和接收電磁波的重要功能，其性能的優(yōu)劣直接決定著整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳播質(zhì)量。常規(guī)雙極化基站天線的主要性能參數(shù)包括電路參數(shù)和輻射參數(shù)。電路參數(shù)主要考慮輸入阻抗、電壓駐波比和端口隔離度等；輻射參數(shù)主要考慮輻射方向圖、增益、交叉極化比等。

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天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結(jié)構(gòu)1.基站天線單元與其他種類天線產(chǎn)品不同，基站天線單元根據(jù)加工方式與原理主要可以分為微帶天線、印刷電路板振子、壓鑄振子及鈑金沖壓振子，如表6.8所示。綜合考慮性能與成本，目前4G與5G網(wǎng)絡(luò)中常用的基站天線單元形式為壓鑄振子和鈑金沖壓振子，而印刷電路板振子也在部分場(chǎng)合投入使用。表6.8各類基站天線單元比較方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)質(zhì)量控制點(diǎn)微帶天線（1）成本較低（2）振子形式簡(jiǎn)單（3）易與微帶饋電網(wǎng)絡(luò)一體化（1）帶寬較窄（2）輻射參數(shù)優(yōu)化較困難（3）裝配精度難以保證（4）功率容量較?。?）基板的強(qiáng)度（2）塑料支撐的穩(wěn)定性和耐久性印刷電路板振子（1）尺寸精度高（2）頻段較寬（3）設(shè)計(jì)周期短（1）無(wú)源互調(diào)性能較差（2）在低頻段面積較大（1）基板互調(diào)特性（2）銅皮處理工藝壓鑄振子（1）設(shè)計(jì)自由度大（2）結(jié)構(gòu)一致性好（3）生產(chǎn)效率高（4）成品可靠性高（1）設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，模具費(fèi)用高，初期投入大（2）結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)要求高（3）成本相對(duì)較高（1）力學(xué)設(shè)計(jì)（2）合金工藝（3）表面毛刺和涂覆鈑金沖壓振子（1）連續(xù)模一次沖壓成型（2）低頻段成本較高（1）振子輻射口徑面過(guò)大（2）對(duì)焊接工藝要求高（3）設(shè)計(jì)自由度相對(duì)較?。?）板材厚度（2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（3）不同金屬的鉚接控制

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天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結(jié)構(gòu)2.基站天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)為了得到較高的增益以及波束賦形性能，基站天線必須采用陣列天線形式。常見(jiàn)無(wú)源基站天線由若干個(gè)直線陣列組成，而每個(gè)直線陣列均包含若干天線單元。表6.9各類饋電網(wǎng)絡(luò)方案的對(duì)比方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)質(zhì)量控制點(diǎn)空氣微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)（1）成本低（2）插損小（3）設(shè)計(jì)自由度較大（1）穩(wěn)定性和一致性差（2）寄生輻射較大（3）多個(gè)輻射指標(biāo)相互矛盾（1）底板強(qiáng)度（2）天線防水設(shè)計(jì)（3）塑料支撐的耐久性印刷電路板微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)（1）精度高，穩(wěn)定性好，指標(biāo)一致性好（2）便于大批量生產(chǎn)（3）設(shè)計(jì)自由度大（1）成本高、損耗大（2）無(wú)源互調(diào)性能較差同印刷電路板振子同軸電纜饋電網(wǎng)絡(luò)（1）穩(wěn)定性好（2）無(wú)寄生輻射（3）布線自由度較大（1）成本較高，焊點(diǎn)多（2）設(shè)計(jì)自由度?。?）電纜質(zhì)量（2）布線（3）焊接

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天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結(jié)構(gòu)3.電調(diào)下傾天線的饋電網(wǎng)絡(luò)電調(diào)天線下傾角的調(diào)整與掃描需要通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用移相器來(lái)代替固定的饋電結(jié)構(gòu)，如圖6.15所示。連續(xù)電調(diào)天線通過(guò)移相器控制輸入天線內(nèi)不同振子單元的信號(hào)相位的辦法來(lái)控制天線主輻射方向，其原理如圖6.16所示。圖6.15移相器控制波束下傾角原理示意圖圖6.16移相器原理示意圖

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天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結(jié)構(gòu)4.多頻基站天線多工作頻率相近的小頻率比天線：由高頻輻射單元和低頻單元分別組成線陣，然后再進(jìn)行SidebySide排布；高低頻輻射單元采用共軸嵌套的方式，將尺寸較小的高頻單元嵌套于尺寸較大的低頻單元內(nèi)。工作頻帶相距很遠(yuǎn)的大頻率比天線：可應(yīng)用于Sub-6G頻段和毫米波頻段集成設(shè)備上，是未來(lái)無(wú)線通信的必然發(fā)展趨勢(shì)。這種天線的實(shí)現(xiàn)方式主要包括高階模式的組合、高低頻天線共口徑設(shè)計(jì)及多模復(fù)合傳輸線等方法。

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天饋系統(tǒng)20

6.3.3有源基站天線系統(tǒng)1.移動(dòng)通信有源天線結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的有源TRx與基站天線分離的架構(gòu)方式，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的有源天線是指系統(tǒng)級(jí)有源收發(fā)陣列和無(wú)源天線陣列的集成，如圖6.19所示。有源天線包括三大子模塊：收發(fā)單元陣列、無(wú)源合分路網(wǎng)絡(luò)無(wú)源天線陣列。圖6.17移動(dòng)通信有源天線結(jié)構(gòu)示意圖

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天饋系統(tǒng)21

6.3.3有源基站天線系統(tǒng)2.有源基站天線的特點(diǎn)

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天饋系統(tǒng)22

6.3.3有源基站天線系統(tǒng)3.有源天線的典型應(yīng)用有源基站天線與3D-MIMO、3DMU-MIMO以及3D小區(qū)間多點(diǎn)協(xié)作傳輸（3D-CoMP)等無(wú)線通信技術(shù)的充分融合，將有力推動(dòng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展。

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天饋系統(tǒng)23

6.3.4基站天線選型與架設(shè)1.基站天線選擇原則（1）市區(qū)環(huán)境市區(qū)環(huán)境中，站址密集，要求單站覆蓋范圍較小，盡量減小覆蓋交疊區(qū)域，從而提升頻率復(fù)用率。表6.10市區(qū)環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標(biāo)具體要求極化方式雙極化水平半功率波束寬度60°～65°增益15~18dBi或10～12dBi下傾角3°～15°零點(diǎn)填充不作要求

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天饋系統(tǒng)24

6.3.4基站天線選型與架設(shè)1.基站天線選擇原則（2）農(nóng)村環(huán)境農(nóng)村環(huán)境中基站分布稀疏，話務(wù)量較小，但是要求實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋。表6.11農(nóng)村環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標(biāo)具體要求極化方式垂直極化或雙極化水平半功率波束寬度90°或120°部分區(qū)域可以采用全向天線增益16~18dBi（定向天線）11dBi（全向天線）下傾角預(yù)置3°或5°零點(diǎn)填充大于15%

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天饋系統(tǒng)25

6.3.4基站天線選型與架設(shè)1.基站天線選擇原則（3）公路環(huán)境公路環(huán)境中用戶高速移動(dòng)，話務(wù)量較低，需要重點(diǎn)考慮帶狀覆蓋問(wèn)題。由于公路環(huán)境差別很大，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行基站建設(shè)。表6.12公路環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標(biāo)具體要求極化方式垂直極化方向圖特征高增益定向天線覆蓋公路沿線全向天線覆蓋公路及附近村莊增益17~22dBi（定向天線）11dBi（全向天線）前后比定向天線的前后比不宜太高

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6.3.4基站天線選型與架設(shè)1.基站天線選擇原則（4）山區(qū)環(huán)境在山區(qū)環(huán)境中，山體和植被對(duì)電磁波傳播的遮擋較為嚴(yán)重，覆蓋難度大。因此需要對(duì)該環(huán)境進(jìn)行廣域覆蓋，將基站設(shè)置在山頂上、山腰間、山腳下或山區(qū)里的合適位置。表6.13山區(qū)環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標(biāo)具體要求極化方式垂直極化或雙極化方向圖特征盆地和地形起伏較小區(qū)域用全向天線山腰采用定向天線增益15～18dBi（定向天線）9~11dBi（全向天線）預(yù)置下傾角與零點(diǎn)填充山頂建站時(shí)，需要進(jìn)行零點(diǎn)填充和預(yù)置下傾角

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天饋系統(tǒng)27

6.3.4基站天線選型與架設(shè)2.基站天線的架設(shè)與安裝（1）天線支架安裝在室外宏站場(chǎng)景下，天線需要安裝于支架上，在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：天線支架安裝平面和抱桿必須嚴(yán)格垂直于水平面。做好防雷擊措施，天線支架應(yīng)處于避雷針保護(hù)范圍。支架與鐵塔平臺(tái)應(yīng)牢固地固定，同時(shí)要允許后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)天線調(diào)節(jié)。支架結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮承重與風(fēng)阻性能，并且不能影響天線的電氣性能。

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6.3.4基站天線選型與架設(shè)2.基站天線的架設(shè)與安裝（2）天線安裝5G系統(tǒng)中定向板狀基站天線是宏基站設(shè)備的主流產(chǎn)品，安裝流程如