從鐵塔到“口袋”的移動基站革命

樂山市通信學會 | 鄭大永

中國電信樂山市分公司 | 鄭宏劍

與終端的千變萬化步調一致，移動基站的建設也迎來了巨大變革，基站的形態也正從高聳的鐵塔進入“口袋”。

在移動通信走向大繁榮的今天，五彩繽紛的終端吸引了人們的眼球，而正在萌動的移動通信基站革命卻給業界更大的期待。移動通信產業千方百計改善著移動信號的覆蓋性能，從宏基站、分布式基站到 “大容量、少局所”無線接入架構C-RAN、“云”基站，再到lightRadio cube基站，乃至U盤大小的超小體積3G基站無不如此。在燈桿、電線桿或建筑物上安裝更小天線，甚至干脆把手機基站裝進口袋。這些縮小的基站，能為移動信號弱的區域改善手機信號質量，大大提高傳輸速度。

3G建設分布式基站擔綱

在移動通信領域競爭日趨激烈的背景下，運營商越來越關注建網成本。在3G網絡中，基站是數量最多、成本最高的設備。當前站址資源稀缺是建設3G網絡的一個重大障礙，我國的3G建設還面臨很多困難：網絡制式多、融合組網難、2G網絡的規模龐大還需要兼顧兩者的協調、3G自身的平滑演進、順應節能減排的綠色潮流、激烈競爭需要快速運營等問題。

分布式基站能大大節省運營商建網與運維成本，滿足靈活、快速建網需求?，F今的分布式基站從最初的主要考慮布線、組網方式發展到了綜合考慮各項成本和網絡性能的階段，能夠在很大程度上滿足運營商的要求。因此，華為的第4代基站、中興的“超級基站”、阿爾卡特朗訊的多載波基站，都在全球運營商的新建網絡中廣泛應用。

移動分布式基站是指基站的數字基帶處理部分和射頻部分作為各自獨立的模塊分開放置，并通過光纖相連的一種基站模式。正是由于分布式基站有別于傳統宏基站所有模塊集中在同一機柜的特點，其在移動通信組網和建設中具有傳統宏基站不具備的優勢。

一是節省機房空間。分布式基站基帶單元(BBU)和射頻單元(RRU)分離，室內的BBU設備只負責基帶信號處理，沒有射頻器件特別是功放模塊，因此具有體積小、重量輕、功耗低、易安裝等特點。在目前移動通信網建站選址越來越困難的狀況下，分布式基站0機房占用的特點相比于宏基站可達到節省機房空間、降低網絡建設成本、加快網絡建設速度的目的。

二是提高覆蓋能力。傳統宏基站的發射與接收都要使用饋線，饋線會給信號帶來損耗，損耗的大小與饋線的的型號和長度有關。而BBU和RRU之間使用光纖連接，幾乎沒用有損耗，因此和宏基站相比，分布式基站具有更高的接收靈敏度和天線端發射功率的特點，以WCDMA為例，通過鏈路預算對比可知，在不同的環境下，相同發射功率的分布式基站相比宏基站覆蓋增大20%～30%。

三是工程實施便利。和宏基站相比，本地拉遠的分布式基站用光纖傳輸基帶信號代替饋線傳輸射頻信號。以三扇區站為例，從機房到天面，鋪設3根光纖的工程難度遠小于鋪設7/8英寸的饋線。尤其是在當前，考慮到城市景觀等因素，越來越多的站點需要進行隱蔽和偽裝，在這方面，光纖較饋線的優勢就更為顯著。此外，移動分布式基站還被推廣應用到2G及未來的LTE網絡中，相應的應用模式則稍有差異：2G側重基于MCPA的RRU應用；3G是BBU、RRU應用的典型系統；LTE側重于演進的平臺共享，有效保護段資。

當然，分布式基站也不是十全十美，還應在工程中解決五個方面的問題；第一，分布式基站在射頻單元出現故障時的維修、更換不如傳統基站方便；第二，跟RRU室外物理性能相關，功放在工藝制造上的瓶頸影響功放的效率，從而給室外單元的散熱出了難題；第三，RRU和基站基帶單元間傳輸中頻信號的光纖需要滿足空中接口同步的時延，需要連同業務中頻帶寬，無法使用已有的傳輸網絡系統，大部分運營商只能以裸光纖重新敷設，造成不同建筑之間以光纖拉遠實現分布式覆蓋困難；第四，RRU供電方式可直接采用交流供電方式，甚至基帶單元也支持交流供電，為保障可靠用電須配置UPS，在簡便和可靠、初期投資和運維成本之間需要審慎權衡。第五，基站的Iub接口方式應盡可能支持ATM/IP多協議棧，為3G數據業務傳輸方式的演進做好準備。

“大容量、少局所”的C-RAN更新潮

2004年2月ITU-T第13研究組會議經過激烈辯論，給出了NGN的基本定義：涉及基于分組交換的網絡、提供包括電信在內的各類業務、支持通用移動性、對用戶可提供一致與泛在的服務等六點基本內涵，其具體實施采用“Focus Group”形式進行逐個熱點推進。目前，已形成一股融合與轉型大潮，即固定移動融合、兩化深度融合、三網融合、四C融合、移動與互聯網融合等融合大潮，這是未來信息通信網絡發展的歷史必然，也是提高資源利用率、綠色創新及滿足用戶需求的歷史必然。

在不久的將來，隨處聳立的基站鐵塔或將徹底被小型化基站所取代。

在無線接入側，基站完成了射頻單元RRU和基帶單元BBU分離后，接入網的靈活部署成為可能。RRU是室外密閉自然散熱沒備，通過CPRI(公共無線電接口)協議接口與BBU的拉遠互聯，可實現近天線部署，為“少局所”的零機房建網提供技術保證。同時有效提升了蜂窩網絡的覆蓋能力，可用更少的站點數目實現同等的覆蓋范圍；或者在相同的覆蓋半徑下，獲得更多功率儲備而使網絡容量得到有效提升。在BBU側，在扁平化驅動下，RNC和BSC網元功能分離，部分功能上移到EPC(演進分組核心網)，部分功能下移到BBU設備內。為了降低蜂窩小區邊緣的強干擾低吞吐量問題及平均吞吐量均衡，可引入CoMP協同處理技術來解決；從一個個獨立的基站演進為基站簇，形成更大的網絡容量、更強的協網處理能力。在內容本地化、流量就近處理等驅動下，部分核心網功能可進一步移到基站側，為支撐這些變化，BBU側集成與基帶池化的功能進一步增加，BBU的容量和部署物理位置也在提升，朝著無線接入網絡架構的“大容量、少局所”方向邁進。

2010年4月，中國移動為了適應未來多頻、多制式重疊融合型網絡運行，進—步降低TCO、CAPEX、OPEX和推進節能減排，聯手設備廠商提出了C-RAN架構。其C包含多重含義：清凈節能(C1ean)、集中化(Centralized)、協同化(Collaboraed)及云化(Clouded)等。C-RAN架構優先完成了基站到基站簇的集中演進，完成多站點間基帶資源和互為容災備份。未來通過基帶單元的升級，進—步提升基站簇中站點間的協同性，并通過大容量的BBU間的互聯互通來實現基站簇間的協同性。BBU架構可用通用IT平臺來構建，借助云計算處理，實現設備的虛擬化和超強調度能力，進而可實現電信業與IT業的深度融合。

于是，C-RAN可實現借助SDR軟件定義的無線電技術與通用處理器平臺(GPP)及射頻組件，程控化有效實施軟硬件系統定義的架構擴展升級與演進發展，及多頻、多制式重疊聯合運行，基于實時云架構、可實施“實時云計算基帶池”，借助云計算的各種模式，緊密結合現實要求目標，借助虛擬計算手段，實現泛在的、快速有效與無所不在及無所不能商按需型支持撐服務。因此，推廣C-RAN架構尤為必要。

C-RAN架構通過BBU資源池下掛基站站點的零機房建設和配套資源收斂，給運營商網絡建設帶來極大限度的節流。據運營商的實際部署案例，在考慮到已布署光纜管道資源、只需少量新建管道和部署光纜的基礎上，采用C-RAN架構跟當前廣泛應用的分布式共站址方式相比，可以有效節省接入網的CAPEX達20%左右、OPEX達63%，10年的TCO可節省40%左右，有效減少1/3的工程建設周期。而且，結合網絡融合與面向未來等根本特征，有效推行C-RAN架構可以滿足運營商5～10年的接入網絡建設需求，并有利于長遠規劃的更新換代。C-RAN在節能上更為有效，可在分布式共站址方式上進一步節省67%，比傳統宏基站方式更是節省80%以上的能耗。所以，這種創新與標準化的網絡架構值得整個電信運營業推廣應用。

“云”基站橫空出世更加智慧

IT技術正在加快與通信技術的融合，“云”作為—種新興的、革命性的IT技術，與傳統的通信基站融合在—起而產生的云基站(在基站的基帶部分引入云計算構架，實現無線網絡資源的共享和動態分配)，能夠極大地提升網絡利用率，3G時代尤為如此。

云基站的優勢顯而易見，它可按需、易擴展分配資源和服務，減少網絡擁塞。在移動網絡中，無線話務負荷分布不均極大地影響了基站的利用效率：在城市，由于人口眾多以及人們生活軌跡的趨同，導致了“潮汐效應”的產生，在工作時間人們在CBD區域大量聚集，下班又向居民區大量遷徙，這引發了移動通信系統中話務量的流動，并使得熱點區域在特定時間突發大量話務，導致網絡擁塞；隨著3G數據業務流量的上升，由數據業務流量激增合并“潮汐效應”產生的網絡擁塞的可能性更大；如果按照最大話務量負荷來設計和建設網絡，無疑將造成空閑時間網絡資源的巨大浪費。采用云計算技術就能通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的資源和服務，云基站能根據業務需求對無線網絡資源進行動態調配，有效應對“潮汐效應”。

云基站還能有效降低3G網絡的建設成本。在云基站的架構下，基站射頻單元RRU和基帶單元BBU是完全分離的，并將基帶單元和其他的傳輸產品集中到中心機房去，能大大減少機房的數量，并可實現0機房。這為運營商能節省大量的機房空調和配套設備的能耗，又能有效解決3G站址匱乏問題。以先進“云”計術推動移動通信網絡發展是必然趨勢。

袖珍基站超小體積尤其理想

手機的不斷增多，意味著越來越多的移動通信基站將占據更多制高點，如山頭、房頂之類，但天線鐵塔林立會大煞風景；而且隨著城市的發展和環境意識的增強，在城區部署基站的難度與日俱增。于是，基站小型化成為大勢所趨。

在今年的移動世界大會上，阿爾卡特朗訊演示了“小無線電魔方”(lightRadio cube)，這是尺寸和形狀都類似魔方的移動通信基站，相當于成年人的—個拳頭大小，可以安裝在移動通信天線的底部，放在室內或室外，在人看不到的地方，只需電源和寬帶連接。2011年2月15日，上海貝爾與中國移動簽署備忘錄，共同發展下一代基于云計算的無線接入網(C-RAN)，其中的核心就是這魔方基站。它將通常位于每個蜂窩小區站塔底部的基站分解為多個部件，并在云架構下安裝在天線或網絡中心。它適用的頻帶范圍從700MHz到2.6GHz，將為2G、3G和LTE等多種無線技術提供通用平臺，顯著提升網絡質量和覆蓋范圍，減少傳輸資源消耗。

由貝爾實驗室所開發的lightRadio系統通過減少和簡化網絡中基站和基站塔的使用，極大地降低了網絡的運營成本、技術復雜性和能耗。在運營商的電力消耗中，基站能耗約占45%，基站的空調耗能占比約為40%，電源系統耗能、照明系統耗能等其他耗能約占15%，隨著移動通信的進一步發展，未來基站的耗能和維護成本絕不可忽視，而采用了lightRadio系統的基于云計算的無線接入網，將傳統意義上的基站縮減為—個小魔方，徹底顛覆了傳統意義上的基站概念，甚而會讓傳統意義上的移動通信基站逐漸消失。

U盤大小的3G基站更加耀眼。3月14日，英國芯片廠商Picochip在北京推出其下一代picoXcell家用系統級芯片系列的首款產品PC3008，設備制造商可以借助這款器件設計出U盤大小的超小體積3G基站。該基站進入實用將使運營商能很容易地將HSPA+家用基站的各項功能添加到諸如家庭網關、電纜調制解調器和機頂盒這樣的設備中。PC3008的高集成度將3G家用基站的總元件成本降低到50美元以下。PC3008是PC300xx器件系列的首款產品，它可同時支持8個HSPA+用戶。

ABI的最新研究報告顯示，2010年家用基站出貨量為130萬；這個數字在2015年有望增至7020萬，年復合增長率為154%。憑借更小的外形和不斷降低的成本，家用基站與家庭網關的集成實現不難。去年已有17家運營商提供商用家用基站服務，今年這—數字有望快速增長。更耀眼的拳頭大小和U盤般大的3G基站將在家用基站等市場大放異彩。