5G基站有机会百家争鸣，机遇和挑战在哪里？

随着国内5G商用牌照的正式发放，5G网络基础设施建设迎来了火热的施工期。北京、上海、成都和深圳等城市都纷纷表示要在年底前建成超过1万台5G基站，预计全国今年5G基站数量将达到15万台。

移动、联通和电信三大运营商今年在5G方面的投入有望超过400亿元。而根据统计，超过70%的5G业务将发生在室内，也就是说室内移动网络覆盖将非常重要，室内信号的好坏将直接决定5G的业务量，这也将是运营商的核心竞争力。

这也意味着4G时代，碎片化，市场规模不大的小基站行业有望得到发展。目前采用“宏站+小基站”的组网模式成为5G时代的共识。

在宏基站方面，基本上被华为、中兴、爱立信和诺基亚四大设备供应商所把持，而在小基站方面，部分天线、射频厂家都有望转型专注于提供小基站解决方案，也就是说除了传统的华为、中兴、爱立信和诺基亚等真正体量化的厂家外，其他中小企业也有望切入，未来5G基站厂家将会是百家争鸣的局面。

虽然都可以做，由于5G将会引入毫米波频段，基站的建设也将面临许多新的挑战，那具体有哪些呢？在8月22日中国（深圳）集成电路峰会上，北京无极芯动科技有限公司董事长兼首席科学家，海南大学刘大可教授分享了5G基站集成电路面临的挑战问题。

基站的分类

基站是接入终端与核心网络之间的接入网，根据3GPP制定的规则，无线基站按照功率划分位四大类：宏基站、微基站、皮基站和飞基站。其中，

宏基站是架设在铁塔之上的基站，这种基站体型很大，承载的用户数量很大，覆盖面积很广，一般都能达到数十公里。铁塔的结构设计本身就考虑到了载荷，分为自立式塔式结构和拉线式结构。

 

表1：基站分类。

微基站就是微型化的基站，通常指在楼宇中或密集区安装的小型基站，这种基站的体积小、覆盖面积小，承载的用户量比较低。由于室外条件恶劣，这种基站的可靠性不如宏基站，维护起来比较困难。

皮基站是比微基站更小型的基站，相较于宏基站和微基站，皮基站的单载波发射功率和覆盖能力进一步减小。

飞基站是四种基站中最为小型的基站，飞基站是为家庭基站使用，由家庭宽带接入。

此外，按照设备形态，基站主要分为一体化基站和分布式基站。一体化基站和分布式基站的主要区别是，一体化基站分为基带处理单元（BBU）、射频处理单元（RRU）和天馈系统三部分，而分布式基站通常指小型RRU，需要连接BBU 才能正常使用。

 

表2：按照设备形态分类的小基站。

就目前来说，宏基站现在还不包括毫米波频段，因为现在宏基站的毫米波还没有定义。而微基站分为室外微基站和室内微基站。

室外的微基站基本上就是宏基站的缩减版，使用的基本也是宏基站的芯片和解决方案。但室内分布式微基站跟宏基站完全不一样，因为它不能使用宏基站的芯片和解决方案。

射频集成电路的挑战

基站其实是将不同的功能分成若干层，在不同层里面就有各种各样的状态机，这些不同的状态机就组成了一个基站系统（见图1）。从这个基站系统中可以看到，集成电路的设计不那么容易，因为它要兼容2、3、4、5G的RRU内的集成电路，包括射频、混合和数字（含前传CPRI/eCPRI、定时）等。还要兼容2、3、4、5G的BBU内的集成电路，包括物理层和协议层。

 

 

图1：刘大可教授在解释基站系统的功能分解。

对于RRU射频集成电路来说，看起来跟手机用的射频集成电路没有区别，架构都基本类似。其实如果是几兆带宽的话，用超外差是很容易实现的，但如果是到了100M带宽以上的话，情况就完全不一样了。如果加上毫米波的话，就会更加困难。因为一般毫米波有一个微波前端，一般来说微波前端是一个超外差机，中频是Sub 6GHz的射频，这样就会有两套中频系统，也就是说会有两套低噪放，两套混合器，一套混合器最少增加3dB噪声两套混合器下里，噪声处理就会是一个非常棘手的问题。

 

 

图2：RRU射频集成电路构成。

具体来说，Sub 6G和毫米波射频收发机的面临的共同挑战有：

超大宽带的带内噪声问题、带内平坦幅度与均衡延迟设计；

带内多天线之间静态和动态幅度相位的一致性问题；

多天线幅度/相位的静态和动态校准问题。因为天线被封装，毫米波器件商无射频测试端子。使用OTA辐射测试方法来进行准确的、EMC的设备特性分析的测试系统，成为5G毫米波测试测量的新希望和新挑战；

Armstrong架构的挑战，（LO与MIX的jitter问题），刘大可教授认为我们目前在追求一个不用超外差的毫米波接收机，因为超外差毫米波接收机目前全世界没有一家做好的，ADI和TI也没有相应的解决方案。

可以说现在大家都在期待一个不需要用超外差的毫米波接收机系统出现，也有人在考虑无线光通信系统，但由于其上行问题没有解决，目前还取代不了微波系统。

混合电路的挑战

在RRU混合电路中，数字预失真（DPD）系统是相当重要的一个存在。数字预失真（DPD）是目前无线通信系统中最基本的构建块之一。其用于提高功率放大器的效率。通过减少功率放大器在其非线性区运行时产生的失真，功率放大器的效率可得到大幅提升。不使用 CFR 或 DPD 算法的无线基站通常效率较低，因此运营和资金设备成本也较高。一个输出 WCDMA 波形的典型 AB 类 LDMOS 功率放大器的效率约为 8%~15%。利用 CFR 和 DPD 算法，效率可提升至 30%~40%，从而大幅降低网络运营商的资本支出和运营支出。

 

 

图3：RRU混合集成电路趋势。

在RRU数字集成电路部分，不论是宏基站还是微基站都面临着同样的挑战。

首先是宏站还是微站都有各自的低功耗和低延迟需求问题。就应用场景来说，有122.88Msps，option8、option7-1和Option7-2；运算量方面，宏站要做到16天线，8TOPS的运算量；微站也要做到4天线，2TOPS的运算量；在数据搬移量方面，宏站要做到16天线，160gbps的数据搬移量；微站也要做到4天线，40gbps的数据搬移量。

另外，还要支持多带宽多速率适配、支持BBU处理256QAM；支持多种RRU和BBU分解的option；支持授时、同步、时钟源、特别是TD的同步、多天线同步；支持兼容各CPRI/Ecpri/xDSL/PON和SerDes的联合设计；支持各模拟IC厂家的JESD204B/C和SerDes的联合设计。

现在，各个厂商基本都只有宏基站的解决方案，因为他们是不管功耗的，40W，50W都没问题。但是微站的射频头是不能带风扇的，也就是说要4W以下，而4W以下的解决方案，现在全世界都还没有，大家都在努力。

还有5G基站需要用到的DPD，它要求200M带宽，五次谐波，和1GHz左右频率，以及16天左右的长记忆功能，这样的DPD系统是非常难做的。目前全世界还没有厂商做出相应的解决方案。虽然之前ADI宣称有相应的解决方案，但其Release日期延迟多次了，都没有推出其正式解决方案。

BBU基带集成电路的挑战

BBU基带集成电路分为上行和下行部分，目前总共有5种实现方式。分别为通用处理器、向量处理器、专用处理器、专用集成电路和FPGA实现方式。

 

 

图4：基带集成电路概述。

现在各家厂商基本都是在用FPGA来实现；也有用向量处理器实现的，比如华为、中兴和爱立信；使用专用处理器实现的厂商目前还比较少，刘大可教授所在的北京无极芯动科技有限公司就在开发专用处理器解决方案。当然，这5种实现方式都有其各自的优缺点，详细见图5所示。

 

 

图5：BBU集成电路5种实现方法的优缺点。

此外，还有协议栈集成电路的挑战，不过这个挑战目前来说不是很大，比较容易解决。

结语

可以说今年是5G的应用元年，大规模的基础设施建设明年可能才会正式开始，早期应该先铺设宏基站，但随着部分区域宏基站建设基本完成，高频段逐步投入使用，小基站的建设也将逐步启动。这对切入小基站业务的中小企业来说是一次不容错过的好机会。