多模基站的原理及應用研究

呂婷，孫雷，曹亙，李福昌

（中國聯通網絡技術研究院，北京 100048）

1 引言

隨著無線技術的不斷演進，GSM/UMTS/LTE多制式并存成為許多運營商面臨的現狀，如何高效率、低成本地建設多張網絡并促進網絡資源在多制式之間的靈活共享，成為運營商在多網共存時代需要解決的重要問題。

傳統的基站只支持一種網絡制式，在網絡演進時必須重新部署新的基站及配套設備，這不利于運營商降本增效。為此，引入了多模基站，支持同時工作于多種制式，實現多制式網絡共站址同覆蓋。這類基站系統基于SDR（Software Defined Radio，軟件無線電）技術進行設計和開發，它采用一種開放式體系結構，以模塊化、標準化的硬件單元構成的通用平臺為基礎，利用軟件來定義和實現無線設備的部分通信功能。采用SDR多模基站后，網絡升級演進時只需添加或更換部分基站單板，其余通過軟件配置方式即可實現，具有更好的可擴展性，可有效延長基站生命周期，減少投資風險。此外，多模基站還使用寬帶多載波功放，提高了基站的功放效率，從而降低能源消耗。

2 多模基站技術原理

多模基站的架構與傳統單模基站相同，一般采用BBU+RRU組成的分布式基站架構（見圖1），實現射頻模塊和基帶模塊的分離，方便運營商靈活組網。基帶-射頻接口可采用CPRI、OBSAI、OBRI等多種協議，其中使用最為廣泛的是CPRI協議。該接口目前仍屬于廠家私有接口，不同廠家之間未實現互通。

圖1 多模基站的分布式架構

與傳統單模基站不同，多模基站分布式架構中的BBU與RRU均可同時支持GSM/UMTS/LTE等多種網絡制式，為了區別于單模基站對應的單模BBU與單模RRU，本文將多模基站對應的BBU與RRU分別稱為多模BBU與多模RRU。下面將對多模BBU與多模RRU的基本原理及特點進行詳細闡述。

2.1 多模BBU

多模BBU是多模基站的基帶處理單元，主要完成基帶信號處理（基帶數據調制解調、信道編解碼等）、系統的資源管理與操作維護、外部環境監控等功能，并提供回傳與前傳物理接口及系統同步時鐘信號。

多模BBU的邏輯結構如圖2所示，主要包括主控單元、基帶信號處理單元、傳輸接口單元、時鐘單元等邏輯功能單元。其中，主控單元負責BBU的操作、維護、管理及信令與時鐘處理；基帶信號處理單元負責完成業務數據處理及IQ信號交換功能，并提供BBU與RRU連接的光纖接口；傳輸接口單元負責提供與核心側網元連接的傳輸接口；時鐘單元則根據不同的外部時鐘源，產生基站統一的系統參考時鐘、幀號、幀定時等時間信息。與傳統的單模BBU不同，多模BBU內可能存在多個主控單元與基帶信號處理單元，分別用于處理不同網絡制式的信號，不同制式的系統可使用相同或不同的主控與基帶信號處理單元。

圖2 多模BBU的邏輯結構

圖2中不同的邏輯功能單元可能對應不同的物理單板，也可能對應同一單板，這取決于設備廠家的產品硬件實現方式。為了描述方便，下文將基帶信號處理單元對應的單板稱為基帶信號處理板，將主控單元對應的單板稱為主控板。

多模BBU采用MicroTCA通用平臺實現最大化的組件可重用性，支持多種單板混插及多制式公用平臺和公共組件。按照BBU內多制式間資源共享模式的不同，多模BBU可分為共機框、共主控、共基帶這3種類型。其中，共機框是指不同制式的系統使用獨立的基帶信號處理板與主控板，混插在同一機框內，共享相同的硬件平臺、電源、傳輸、同步等；共主控和共基帶分別是指在共機框的基礎上，不同制式的系統共享相同的主控板、基帶板。

共機框是多模BBU最簡單、最常用的實現方式，主控板、基帶信號處理板都可分制式獨立插拔。根據網絡容量及站型需求，同一BBU機框內可以配置不同制式的基帶信號處理板及主控板，各制式板卡的數量可靈活組合，網絡擴容比較簡便。在網絡演進過程中，也只需要增加或替換新制式的主控板與基帶信號處理板，從而最大程度利舊原有設備。

共主控多模BBU的硬件集成度相對更高，可以節省BBU機框空間；在共主控的基礎上還可實現多制式共網管平臺，降低網絡維護管理成本。但是，在網絡業務量增加的極限情況下，主控板的處理能力可能會成為網絡容量的瓶頸。

共基帶是多模基站技術未來演進的方向，可以實現多制式系統共享板內基帶資源，硬件集成度進一步提高，但受限于芯片運算能力及軟件算法的復雜度，目前尚無成熟的商用產品。

2.2 多模RRU

多模RRU是多模基站的射頻處理單元，基于SDR技術，可在連續的瞬時工作帶寬內通過軟件配置同時支持GSM/UMTS/LTE等多種制式，完成對多制式射頻信號的收發處理。

多模RRU主要實現射頻信號和數字信號轉換功能，上、下行信號處理流程如圖3所示。

對于上行，多模RRU從天線接收到多制式射頻信號，經雙工器完成上下行分離、濾波后進行低噪聲放大；然后經混頻器變換到中頻并進行中頻濾波，再經模數轉換（ADC）、數字下變頻得到各制式的基帶信號，將各制式基帶信號送入基帶處理器完成CPRI/OBSAI協議融合組幀；最后經光模塊變換為光信號后發往BBU。

對于下行，多模RRU從多模BBU接收到光信號后，經光模塊變換為數字基帶信號，經基帶處理器進行CPRI/OBSAI協議解幀后得到各制式的基帶信號；然后對各制式的基帶信號進行數字上變頻、數模轉換（DAC）、中頻濾波、射頻調制，得到射頻信號；最后將射頻信號依次送入功放、雙工器進行功率放大、濾波后由天線發射出去。

在多模RRU的信號處理流程中，多制式信號的處理是在數字處理環節完成的，產品實現中一般采用FPGA或DSP芯片完成各制式信號的數字變頻及基帶處理。各模擬信號處理單元與單模RRU基本相同，區別在于多模RRU要求支持更大的瞬時工作帶寬，因此相應的功放、雙工器、低噪放等器件都要求采用寬帶器件。

圖3 多模RRU的信號處理流程

3 多模基站部署的關鍵問題

3.1 多模基站的配置

多模基站的配置包括功率、載波、工作帶寬等射頻參數配置以及BBU板卡的配置。由于采用了SDR、MicroTCA通用平臺、寬帶多載波功放等技術，多模基站的配置、擴容及升級方法都與普通單模基站有一定的差別。

（1）功率配置方面。多模RRU采用寬帶多載波功放，功率資源可以在多載波間共享，部署時可根據不同制式不同載波的話務量和功率需求，在保持總功率不變的前提下靈活配置每載波最大輸出功率，使基站的功率利用率最大化。在功率配置的同時，還需注意多模基站的機頂功率與容量之間是相互制約的關系，特別是在網絡需要擴容時，RRU上配置的載波數增加，每個載波的功率會隨之下降，此時需要判斷載波機頂功率是否滿足覆蓋要求，如果不滿足，則需要考慮是否增加1個RRU，使每個RRU上配置的載波數適當，同時滿足覆蓋與容量的要求。

（2）頻率規劃方面。由于多模基站同時支持多種制式，瞬時工作帶寬需要在多制式網絡間共享分配，這就增大了頻率規劃的難度。在具體部署過程中，可按照網絡不同發展階段下的頻譜策略及網絡覆蓋與容量需求，通過對多模基站軟件配置實現各制式之間的靈活帶寬配比，達到多制式之間的負荷均衡。比如，在LTE建網初期，用戶數和話務量比較少的情況下，可以給LTE分配15MHz或20MHz帶寬，只配置1個LTE載波，將其余可用的頻譜都分配給GSM或UMTS網絡；在LTE用戶數或話務量達到一定規模，需要對LTE進行擴容時，則可以對多模基站的瞬時工作帶寬重新劃分，給LTE分配40MHz頻譜，配置LTE雙載波，而留給GSM或UMTS網絡的頻譜資源則相應減少。當然，頻譜劃分還要結合運營商的頻譜策略及用戶遷移等具體情況來決定。

（3）板卡配置方面。多模BBU一般采用模塊化配置，根據支持的制式類型、各制式的載波容量需求，可靈活配置BBU機框內的基帶信號處理板、主控板等各類板卡。由于設備能力不同，不同廠家不同類型的單板及BBU機框滿配時所支持的最大載波數、最大吞吐量都不相同。在實際應用時，需要根據覆蓋區域話務量需求計算出所需的載波數，再根據多模BBU每個單板所支持的最大載波數計算出需要配置的單板數量。在BBU混模配置時，需要針對每種制式分別進行容量估算，得到各種制式所需要的單板數量組合。

3.2 單模到混模的升級

多模基站的工作模式可以靈活配置，在需要多制式網絡同時覆蓋時，可以配置為混模工作模式；只需要提供單一制式覆蓋時，則可以配置為單模工作模式，在后續網絡升級演進時，再通過軟件或硬件升級的方法將單模升級為混模工作模式。具體的升級方案包括如下：

（1）對于共機框多模BBU，可通過更換、新增單板的方式升級為混模工作模式。比如，GL雙模的BBU，現網僅工作于GSM單模，在BBU機框內插入LTE基帶信號處理板及主控板后，即可工作于GL混模工作模式。類似的，對于共主控多模BBU，在單模升級為多模時，僅需要增加新制式的基帶信號處理板，其它板件可完全共用。

（2）對于SDR RRU，只需要軟件配置即可支持多模共享射頻。根據多制式網絡的配置要求，還需要對RRU的射頻功率及瞬時工作帶寬進行重新分配，保證射頻功率滿足網絡覆蓋指標要求以及載波數滿足各制式網絡的容量需求。此外，如果現網多模基站采用單發設備，那么在升級支持雙通道LTE MIMO時，需要新增一路單發設備或者使用雙通道RRU進行替換。

（3）配套設備部分，由于新增的LTE載波傳輸帶寬需求較大，可能需要對現網的傳輸進行擴容，同時配置對應的IP路由地址，保證各制式網絡的傳輸通道暢通。另外，根據多制式網絡的開通情況，可能需要對電源容量進行擴容。

4 多模基站的組網應用

4.1 多模基站的應用場景

目前，多模基站已經有許多成熟的產品，并且已實現商用部署，主要應用的產品形態為雙模BBU+雙模RRU，包括GU雙模、GL雙模、UL雙模。多模基站的主要應用場景劃分如下：

（1）在LTE建設初期，為了快速、低成本建網，可通過部署多模基站利舊現有的天饋系統、站址及配套設施，避免新選站址帶來的物業協調、站址租賃、配套建設等工作量。

（2）在現有的網絡上疊加新的網絡制式時，如果天面空間受限，無法新建單獨天饋時，可考慮采用多模基站共享射頻的方式實現多制式共天饋。

（3）GSM現網設備與技術陳舊、占地大、能耗高，在部署條件允許的前提下，將GSM老舊站點替換為GU或GL雙模基站，能夠降低設備能耗與維護成本。

（4）采用頻譜重整技術，在GSM的頻段上部署UMTS或LTE網絡時，適合采用多模基站混模建設GU或GL網絡，以充分發揮多模基站支持多網共存協同的優勢。

4.2 多模基站的組網形態

多模BBU與多模RRU之間通過光纖連接，支持星型、鏈型和混合型多種組網方式。

采用星型組網時（見圖4），每個多模RRU都需要使用一對纖芯與多模BBU相連，占用BBU上的一個光口，對光纖資源的消耗比較大，但系統可靠性高，多個RRU間不會相互影響。

當多模BBU的容量可以支持連接多個RRU時，可能出現BBU上的光口不足的情況，此時可以采用鏈型（見圖5）或星鏈混合型（見圖6）組網方式，即采用級聯方式進行RRU拉遠建設。此外，在運營商傳輸資源緊缺的情況下，采用RRU級聯的組網方式還可以減少對光纖資源的消耗。但是，RRU級聯會降低基站系統的可靠性，前級RRU掉電、故障或前級光纖鏈路中斷都會導致后級RRU無法正常工作。

圖4 星型組網

圖5 鏈型組網

圖6 星鏈混合型組網

4.3 多制式網絡共站址部署方案

為了利舊現有的站址、天饋和配套資源，實現低成本建網，解決站址難尋的問題，在部署多制式網絡時一般會采用共站址部署的方式。多制式網絡共站址部署方案包括單模基站方案與多模基站方案這2種。

單模基站方案采用多個單模BBU+RRU的方式完成多制式網絡的覆蓋，需要使用多套基站設備，會占用較多的機房空間，其總功耗為各單模基站的功耗之和，一般會高于同場景下的多模基站功耗。該方案的優點在于各制式獨立部署，制式間耦合度小，原有系統的穩定性好；根據天面條件，不同制式可以使用獨立天饋或共天饋。

相反，采用多模基站方案可以使用一套基站設備實現多制式網絡的覆蓋，節省機房空間，而且多模基站功放效率高，設備功耗較低。但是，該方案下多制式間耦合度過大，而LTE部署初期可能存在較為頻繁的版本維護和升級工作，GL/UL混模將對原有GSM/UMTS網絡的穩定性帶來不良影響。此外，多模基站要求多制式共天饋，不適用于要求獨立天饋安裝的站點。

表1從多維度對這2種方案進行了詳細對比：

表1 單模基站方案與多模基站方案對比

在選擇共站址部署方案時，還需要考慮不同的天饋安裝方式所帶來的影響。如上所述，單模基站方案可以采用獨立天饋與共天饋這2種天饋安裝方案，其中共天饋部署時需要使用單模合路方案，即使用合路器將各單模RRU的輸出信號合路后連接至相同的天饋系統，新增的合路器會帶來一定的信號插損。而多模基站共天饋部署則無需合路器，RRU輸出的混模信號可直接連接至相同的天饋。此外，獨立天饋與多制式共天饋這2種方案在工程施工、后期網絡優化等方面也各有優劣，表2對比了在新增一種制式的情況下，多制式共天饋與獨立天饋方案的優缺點及適用場景。

表2 多制式共天饋與獨立天饋方案對比

4.4 多模基站應用建議

隨著產業鏈的發展成熟，LTE大規模部署的時代已經來臨。在LTE建網初期，如果現網2G/3G設備支持SDR多模能力，則可通過添加、替換單板或軟件配置的方法，將現網設備由G/U單模升級為GL/UL混模工作模式，實現LTE快速布網；如果現網2G/3G設備不支持多模能力，則根據網絡升級的需求，可以采用單模基站方案新增一套LTE基站設備或將現網設備替換為GL/UL多模基站。具體的，對于需要獨立天饋的站點，只能采用單模基站方案；對于天面受限、不具備獨立天饋安裝條件的站點或允許共天饋的站點，可以采用單模合路方案或多模基站方案。在實際部署時，可以根據站址條件和覆蓋要求，因地制宜選擇合適的部署方案。

另一方面，從全球移動通信市場的發展來看，2G用戶向3G/4G網絡的遷移已成一般趨勢。目前，許多運營商已經開始GSM退頻工作，在GSM頻段上部署UMTS或LTE。此場景下，可以利用多模基站進行GL或GU共站址部署，即在原有GSM站址的基礎上，將GSM基站替換為GL或GU雙模基站，既可以充分利用原有的站址資源，又能實現GSM老舊設備替換，保持在網設備技術的先進性，為后續網絡進一步升級演進提前做好準備。

GSM網絡向UMTS或LTE的演進是分階段過渡的，需要根據GSM網絡的話務量、用戶數及市場策略等具體情況，逐步地將GSM占用的頻譜清退出來，用于UMTS或LTE的部署。采用多模基站可以很好地滿足網絡不同演進階段對于各制式系統的頻譜及功率配置的要求，只需要修改基站的軟件配置即可，無需更換新的基站設備。

需要說明的是，多模基站的引入不會影響原有單模系統的正常工作，可以進行多模基站與傳統單模基站的混合組網。

5 結束語

在多網共存、網絡不斷發展演進的大趨勢下，多模基站應運而生。多模基站采用了平臺化、模塊化的設計理念并基于SDR技術，不僅支持GSM/UMTS/LTE多種網絡制式，實現多制式共基帶、共射頻，而且還支持網絡后續的升級演進，擴展性強。

在LTE網絡建設及現有GSM網絡向UMTS或LTE分階段演進過程中，可以采用多模基站進行網絡部署，實現多網共存、共站址、共傳輸、共天饋，有效節省天面空間、機房及站址配套資源，大幅降低網絡建設維護成本及能源消耗，同時兼顧未來網絡演進的需求，減少硬件重復投資，延長基站服務壽命。當然，多模基站的使用也可能帶來系統穩定性下降、網絡優化難度增加等問題，需要在今后的研究工作中進一步深入探索。

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