5G基站硬件架构及演进研究

鲜枣课堂 2022-04-06 18:54

构建AI未来，Arm计算平台无处不在 如何提升高压系统的实时性能?

本文经《邮电设计技术》授权发布

简介：本文介绍了5G基站的硬件架构、核心器件及产业发展状况，分析了基站硬件架构的未来发展趋势。

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5G基站硬件架构

5G基站设备的整体架构可分为2类：

BBU+AAU/RRU 2层架构
CU+DU+AAU/RRU 3层架构

其中，CU、DU为基带设备，共同完成5G基带协议处理的全部功能。

CU负责高层基带协议处理，并提供与核心网之间的回传接口。

DU完成底层基带协议处理，并提供与5G AAU/RRU之间的前传接口。CU与DU之间通过F1接口交互。

BBU集成了CU与DU的全部基带处理功能。

目前，5G基站设备主要采用BBU+AAU/RRU 2层架构。因此，下文主要分析了5G BBU与AAU/RRU的硬件架构。

DU设备架构与BBU类似，主要基于专用硬件平台实现。而CU设备，则一般基于通用硬件平台实现。

1.1 5G BBU硬件架构

5G BBU是基带设备，硬件架构如图1所示，包含基带处理单元、主控传输单元、电源模块以及接口单元等功能模块。

图1 5G BBU硬件架构

其中，基带处理单元主要完成基带协议处理，提供与AAU/RRU通信的接口。主控传输单元负责基站的配置管理、信令处理、资源管理、数据传输，提供传输、时钟、LMT接口。电源模块，主要用于设备内部直流供电的管理。

硬件实现方面，5G BBU内部集成了多种半导体器件与芯片。主控传输单元与基带处理单元内部的核心器件如图2所示。

图2 BBU内部核心器件

处理器（CPU），主要用于高层基带协议以及控制信令处理。基带芯片（ASIC），是BBU的关键芯片，负责底层基带协议处理以及软件算法的实现。FPGA芯片，用于基带协议处理中的硬件加速，实现加密/解密或接口转换等专用功能。光模块，负责完成光电信号转换功能，用于前传接口处理。交换芯片，用于与外部接口之间的数据交换。高精度晶振，用于支持BBU内部各功能模块之间的同步。

1.2 5G AAU/RRU硬件架构

5G AAU/RRU，主要完成基带数字信号与射频模拟信号之间的转换，以及射频信号的收发处理功能。

对于6GHz以下频段，AAU设备主要分为64T64R、32T32R、16T16R 等主流规格，分别支持64、32、16个射频收发通道。

随着通道数的增加，CPRI接口的带宽需求大幅上升。为了降低前传接口的带宽需求，5G AAU采用eCPRI接口，将BBU的部分底层基带协议处理功能上移到AAU。

对于2通道、4通道等低通道数的5G射频设备，仍采用传统的“RRU+天线”的设备形态。设备内部无内置的天线阵列。

5G AAU与RRU的硬件架构基本相同，如图3所示。

图3 5G AAU/RRU硬件架构

设备内部包含了接口、数字基带、数字中频、收发信机、功放、双工器等主要模块与器件。

其中，接口模块主要用于前传接口信号处理。数字基带模块负责底层基带信号处理。数字中频模块实现上下变频、预失真和波峰系数降低等功能。收发信机模块，完成数模/模数转换（ADC/DAC）以及模拟信号的接收与发射信号处理功能。功放/低噪放分别，完成下行与上行信号的放大。滤波器，用于发射及接收信号的选频，以及干扰抑制。双工器，用于接收与发送通道的信号滤波与收发切换。

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5G基站核心器件及产业现状

2.1 5G BBU核心器件

5G BBU主要基于专用硬件实现，内部集成了ASIC、CPU、FPGA等半导体器件。

核心器件的产业发展状况，直接影响BBU设备的性能。

一方面，核心器件的性能与工艺水平，决定了BBU设备整体的硬件处理能力与集成度。另一方面，半导体产业发展，也可推动专用硬件平台代际更替，优化BBU硬件架构，提高设备性能。

5G BBU内部，基带芯片是最关键的器件之一，可以反映不同设备的性能差异。

基带芯片，一般采用设备厂商自研的ASIC架构。业界主要采用14nm或7nm工艺，5nm芯片正在技术导入阶段。

台积电和三星，已具备5nm量产能力。

BBU使用的处理器，主要以ARM架构和X86架构为主，采用高性能的处理器芯片，以提供更强大的运算性能、更低的功耗，支持5G基带的复杂处理功能。

FPGA，即现场可编程门阵列，相比AISC，具有可编辑、更灵活、产品上市时间短等优势。

5G BBU使用FPGA以更好地支持设备软硬件的后向升级。

由于行业技术壁垒高，FPGA核心技术被Xilinx、Intel、Lattice等头部公司垄断，国外三巨头占据全球市场份额的90%。

2.2 5G AAU/RRU核心器件

5G AAU/RRU使用的核心器件主要包括基带芯片、数字中频芯片、收发信机芯片、ADC/DAC、功放、滤波器等。

其中，5G基站使用的功放，主要采用LDMOS和氮化镓2种技术。

在高频、大带宽、高功率的工作条件下，氮化镓功放的性能优于LDMOS。

一般，5G高频段设备使用GaN功放。而低频设备，则2种功放并用。

LDMOS器件工艺比较成熟，主要采用8英寸140nm工艺，主流供应商有NXP、Qorvo等。

氮化镓器件成本较高，制造工艺更加复杂，主要厂商包括住友、Wolfspeed、Qorvo等国外厂商以及能讯、创元达等国内厂商。

高速高精度的ADC/DAC，是5G基站的不可或缺的芯片。

目前，ADC/DAC市场份额分别被ADI、TI、MAXIM、等国外厂商独占。国内厂商在ADC/DAC芯片领域起步晚，能够量产高精度、高速度ADC/DAC的厂商较少，产品线比较单一。

基带与数字中频芯片的能力，需满足100MHz载波带宽、64路射频收发通道以及复杂的波束赋形算法处理的需求。主要采用主设备厂商自研的ASIC芯片，目前采用14nm或7nm工艺，下一代芯片将支持5nm或3nm技术。

收发信机芯片，用于收发链路的信号处理，可集成数字变频、混频、多通道ADC/DAC、放大和滤波等功能。

目前业界主流的芯片供应商为ADI和TI，单芯片支持四路射频通道处理，后续随着制程水平发展，可进一步提高单芯片的处理能力，降低AAU体积与功耗。

4G RRU使用的滤波器，主要以金属腔体滤波器为主，工艺成熟、价格低。但由于金属整体切割，导致体积较大。

5G时代，AAU天线数量大幅增加，对滤波器的尺寸与发热性能也有更高的要求，使得金属腔体滤波器应用受限。

陶瓷介质滤波器体积小、温度稳定性高，成为较好的解决方案。

因此，5G AAU前期采用工艺成熟的小型化金属滤波器，后期将主要采用陶瓷介质滤波器。

目前，规模较大的陶瓷介质滤波器厂商主要有灿勤、国华、凡谷等。

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基站架构的未来演进

3.1 演进方向分析

在多样化业务需求的驱动下，5G网络需要具备更加弹性、灵活的业务提供能力，这就对5G基站设备提出了更高要求，推动设备硬件平台迭代更新、基站架构持续演进。

5G基站架构的演进分，为专用硬件增强与架构通用化2个方向。

a）专用硬件增强。

现阶段5G基站设备主要在专用硬件平台上实现，通过定制化器件与配套软件，高效地实现BBU与AAU/RRU的特定功能。

后续，随着5G产业链的发展，核心半导体器件的性能将不断提升，专用硬件平台的性能也会逐代增强。

对于5G BBU设备，未来可通过升级5nm/3nm工艺、优化ASIC设计、增强基带芯片能力、引入更高性能多核处理器、FPGA等芯片等方式，提升载波与数据流处理能力，支持多模共平台。

对于5G AAU/RRU设备，通过优化架构设计与算法、提高数字与模拟芯片集成度、引入新材料等手段，使设备向着小型化、绿色节能的方向不断增强。

b）架构通用化。

通过将基站软件功能与硬件解耦，结合硬件资源云化、基站功能虚拟化等技术，可逐步实现基站架构通用化。

与专用硬件设备相比，通用化架构的基站设备支持灵活的软件部署与修改，硬件资源完全共享并可以由上层应用按需灵活调用。

同一硬件平台可兼容不同制式系统，支持按需开通，实现通信网络的敏捷部署。

同时，通用硬件平台支持后向平滑演进，可提高设备利用率，延长生命周期，降低网络建设成本。

目前，在移动通信网络中，核心网和数据中心等基础设施已经广泛采用了通用化硬件架构，满足上层应用对于底层基础资源的弹性伸缩需求。

在无线接入网领域，硬件通用化尚处于尝试探索阶段，相关技术及产业还不成熟，通用硬件平台的性能还无法支撑基站设备的全面通用化。

3.2 两种基站架构的对比

基于专用硬件与通用硬件的2种基站架构，存在本质的区别。如图4所示。

图4 基站架构对比

对于专用硬件架构，专用硬件层主要包含CPU、ASIC、FPGA、射频芯片等，通过内部的高速交换接口或专用背板实现互联。上层配套软件系统实现协议栈基本功能以及设备商私有算法。软件系统与底层硬件紧耦合，设备内部接口对外不可见。

对于通用硬件架构，基础硬件层主要由通用计算、存储、网络等硬件资源以及FPGA/ASIC等硬件加速器构成。

其中，硬件加速器主要用于完成基带物理层协议、加/解密或接口交换等功能，卸载通用处理器的负荷。虚拟层提供对底层硬件的抽象、动态重构与管理，完成对硬件资源的灵活调配与控制，为上层应用提供虚拟的计算和转发功能。网元功能层实现了各类虚拟化网元功能，比如BBU、CU、DU等基站功能。

基于虚拟化技术的网元功能可根据业务需求灵活编排，并支持向更高层的应用平台开放底层设备能力。

两种架构在硬件实现、开放性、扩展性、资源调配方式、技术成熟度、产业生态等方面均存在各自的优劣势，如表1所示。

表1 2种基站架构的对比

传统的基站设备基于专用硬件平台实现，从2G发展到5G，专用硬件的集成度与处理能力已经逐代增强，设备体积变小、容量增大。

但是，由于专用设备固有的封闭性，传统基站的软件与硬件完全绑定，采用基站设备厂商定制化的ASIC架构以及配套软件系统，设备内部实现对外不可见。

这种高度固化、集成化的设备在能效、体积方面存在天然的优势。

但另一方面，这种黑盒化的设备存在可扩展性差、资源调配不灵活、资源利用率低等问题。同时，封闭的系统不利于扩大产业生态圈，造成一定的行业壁垒。

通用化的基站设备，基于通用硬件平台与虚拟化技术实现，天然地具备开放、可扩展性强的优势。

支持软硬件解耦、硬件资源按需调度、软件功能灵活定制，进而支持弹性扩容、软件快速升级，同时可根据业务的潮汐变化灵活调配资源，获得资源池化共享增益，提高资源利用率。

此外，通用化设备的开放架构，便于吸引更多厂商参与设备开发，丰富产品形态，繁荣产业生态。

但是，目前通用硬件的处理能力，还不足以完全满足5G基站的性能要求。特别是基带物理层功能与射频处理模块，对于算力、处理实时性、功耗等方面的要求较高。x86或ARM等通用处理器无法完全替代传统的ASIC或FPGA电路。

另外，虚机、容器等虚拟化技术方案，在基站中的应用还不成熟，有待逐步完善，满足电信级应用的需求。

在5G基站演进过程中，两种架构将并存。

对于容量、能效等要求较高的宏基站设备，专用硬件架构还将继续发挥其技术成熟、集成度高的优势。

对于体积、功耗较小的微站设备，则可先行实现通用化架构演进，充分发挥其开放、弹性灵活的优势，以更好应对各类垂直行业的多样化部署需求。

3.3 未来发展趋势展望

基站硬件架构的通用化演进，将给5G产业链带来诸多影响。

不仅会推动原有的基站产业链上下游加强技术创新、加速产品迭代，也会吸引更多的厂商参与产业链的各个环节，包括基础硬件、虚拟化软件、业务平台、系统集成等各个领域，构建更加开放、融合的产业生态，催生新的商业价值。

基站架构的通用化将会是一个分阶段演进的过程。

现阶段，基于通用硬件架构的基站设备，可在CU、DU分离架构的基础上实现。通过将高层基带协议功能部署于CU，将底层基带协议功能部署于DU，进行5G协议栈切分。

在此基础上，基于通用硬件平台，实现CU设备的全面通用化，DU、BBU设备通过进一步功能划分实现部分模块的通用化。

未来，随着硬件性能的提升以及虚拟化技术的发展，逐步实现DU、BBU设备的全面通用化。

由于5G RRC、SDAP、PDCP等高层基带协议对硬件处理实时性的要求相对宽松，易于移植到通用硬件平台来实现。因此，CU设备可完全基于通用硬件平台实现。

而基站物理层协议功能对硬件的运算速度、处理时延等要求较高，现有通用硬件及虚拟化技术还无法满足要求。

此外，与专用的ASIC或FPGA架构相比，通用硬件在集成度、功耗方面也存在不足。

因此，DU/BBU设备，还无法完全基于通用硬件平台实现，还需要经历从部分通用化到全面通用化的发展过程。

现阶段，DU/BBU设备需要在通用硬件平台的基础上进一步增加专用的物理层加速器，通过标准的PCIe接口，支持在通用硬件平台上即插即用。

未来，随着通用硬件性能的提高，DU/BBU设备可完全基于通用硬件平台实现。

在通用化演进的基础上，基站架构还会进一步向着开放、融合、智能等方向发展。

首先，传统基站的架构是封闭的，设备内部接口私有化，网络资源、信息与数据不开放。在通用硬件平台之上，可进一步定义标准化的开放接口，支持不同虚拟化网元之间互通；同时通过微服务化架构将网络能力抽象为服务，以服务的形式对外提供开放的资源，支持网络能力按需定制，打破传统网络的封闭性。

其次，随着网络的发展，目前运营商面临着多频段多制式并存、设备类型繁多、部署维护复杂的问题。随着基站架构的通用化演进，可基于统一的云平台，实现各类虚拟化网元功能，简化在网设备类别。此外，通用架构的基站设备还可与移动边缘计算单元、核心网单元共平台部署，构建一张端到端的融合网络。

另外，网络的智能化演进也是未来的必然趋势。

将人工智能技术引入基站，增强协议实现算法，优化处理流程，提升资源调度效率，实现基站内生的智能，使得设备性能达到最大化，促进网络与业务的协同。

在基站侧引入AI技术，对于设备硬件能力有一定的要求，算法模型越复杂、训练数据量越大，对于算力的要求越高。在基站架构通用化演进后，基础硬件支持池化共享、弹性扩容，硬件资源不会成为瓶颈，可充分发挥出基站内生智能的潜力。

——The End——

为便于阅读，本文略有删减。

▍参考文献：

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▍作者简介：

吕婷，毕业于北京邮电大学，高级工程师，硕士，主要从事5G网络技术及基站设备研究工作；

张涛，高级工程师，硕士，主要从事移动网通信技术标准化、组网应用方案研究工作；

李福昌，教授级高级工程师，博士，国家知识产权局中国专利审查技术专家，主要从事移动通信及固网移动融合等专业的标准制定、测试验证、课题研究等工作；

曹亘，高级工程师，博士，主要从事移动网通信网络新技术、标准化研究工作。