呂婷，孫雷，曹亙，李福昌

（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 引言

隨著無線技術(shù)的不斷演進(jìn)，GSM/UMTS/LTE多制式并存成為許多運(yùn)營商面臨的現(xiàn)狀，如何高效率、低成本地建設(shè)多張網(wǎng)絡(luò)并促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)資源在多制式之間的靈活共享，成為運(yùn)營商在多網(wǎng)共存時代需要解決的重要問題。

傳統(tǒng)的基站只支持一種網(wǎng)絡(luò)制式，在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時必須重新部署新的基站及配套設(shè)備，這不利于運(yùn)營商降本增效。為此，引入了多?；荆С滞瑫r工作于多種制式，實(shí)現(xiàn)多制式網(wǎng)絡(luò)共站址同覆蓋。這類基站系統(tǒng)基于SDR（Software Defined Radio，軟件無線電）技術(shù)進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，它采用一種開放式體系結(jié)構(gòu)，以模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元構(gòu)成的通用平臺為基礎(chǔ)，利用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備的部分通信功能。采用SDR多?；竞螅W(wǎng)絡(luò)升級演進(jìn)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(shí)現(xiàn)，具有更好的可擴(kuò)展性，可有效延長基站生命周期，減少投資風(fēng)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?；炯夹g(shù)原理

多?；镜募軜?gòu)與傳統(tǒng)單?；鞠嗤话悴捎肂BU+RRU組成的分布式基站架構(gòu)（見圖1），實(shí)現(xiàn)射頻模塊和基帶模塊的分離，方便運(yùn)營商靈活組網(wǎng)。基帶-射頻接口可采用CPRI、OBSAI、OBRI等多種協(xié)議，其中使用最為廣泛的是CPRI協(xié)議。該接口目前仍屬于廠家私有接口，不同廠家之間未實(shí)現(xiàn)互通。

圖1 多模基站的分布式架構(gòu)

與傳統(tǒng)單?；静煌嗄；痉植际郊軜?gòu)中的BBU與RRU均可同時支持GSM/UMTS/LTE等多種網(wǎng)絡(luò)制式，為了區(qū)別于單?；緦?yīng)的單模BBU與單模RRU，本文將多?；緦?yīng)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(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 多模BBU

多模BBU是多?；镜幕鶐幚韱卧?，主要完成基帶信號處理（基帶數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、信道編解碼等）、系統(tǒng)的資源管理與操作維護(hù)、外部環(huán)境監(jiān)控等功能，并提供回傳與前傳物理接口及系統(tǒng)同步時鐘信號。

多模BBU的邏輯結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)BBU的操作、維護(hù)、管理及信令與時鐘處理；基帶信號處理單元負(fù)責(zé)完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)提供與核心側(cè)網(wǎng)元連接的傳輸接口；時鐘單元則根據(jù)不同的外部時鐘源，產(chǎn)生基站統(tǒng)一的系統(tǒng)參考時鐘、幀號、幀定時等時間信息。與傳統(tǒng)的單模BBU不同，多模BBU內(nèi)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(wǎng)絡(luò)制式的信號，不同制式的系統(tǒng)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(jié)構(gòu)

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

多模BBU采用MicroTCA通用平臺實(shí)現(xiàn)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(nèi)多制式間資源共享模式的不同，多模BBU可分為共機(jī)框、共主控、共基帶這3種類型。其中，共機(jī)框是指不同制式的系統(tǒng)使用獨(dú)立的基帶信號處理板與主控板，混插在同一機(jī)框內(nèi)，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(jī)框的基礎(chǔ)上，不同制式的系統(tǒng)共享相同的主控板、基帶板。

共機(jī)框是多模BBU最簡單、最常用的實(shí)現(xiàn)方式，主控板、基帶信號處理板都可分制式獨(dú)立插拔。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量及站型需求，同一BBU機(jī)框內(nèi)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(shù)量可靈活組合，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容比較簡便。在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)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(shè)備。

共主控多模BBU的硬件集成度相對更高，可以節(jié)省BBU機(jī)框空間；在共主控的基礎(chǔ)上還可實(shí)現(xiàn)多制式共網(wǎng)管平臺，降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理成本。但是，在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增加的極限情況下，主控板的處理能力可能會成為網(wǎng)絡(luò)容量的瓶頸。

共基帶是多?；炯夹g(shù)未來演進(jìn)的方向，可以實(shí)現(xiàn)多制式系統(tǒng)共享板內(nèi)基帶資源，硬件集成度進(jìn)一步提高，但受限于芯片運(yùn)算能力及軟件算法的復(fù)雜度，目前尚無成熟的商用產(chǎn)品。

2.2 多模RRU

多模RRU是多?；镜纳漕l處理單元，基于SDR技術(shù)，可在連續(xù)的瞬時工作帶寬內(nèi)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(fā)處理。

多模RRU主要實(shí)現(xiàn)射頻信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(jīng)雙工器完成上下行分離、濾波后進(jìn)行低噪聲放大；然后經(jīng)混頻器變換到中頻并進(jìn)行中頻濾波，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)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(xié)議融合組幀；最后經(jīng)光模塊變換為光信號后發(fā)往BBU。

對于下行，多模RRU從多模BBU接收到光信號后，經(jīng)光模塊變換為數(shù)字基帶信號，經(jīng)基帶處理器進(jìn)行CPRI/OBSAI協(xié)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(jìn)行數(shù)字上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）、中頻濾波、射頻調(diào)制，得到射頻信號；最后將射頻信號依次送入功放、雙工器進(jìn)行功率放大、濾波后由天線發(fā)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(shù)字處理環(huán)節(jié)完成的，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中一般采用FPGA或DSP芯片完成各制式信號的數(shù)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(qū)別在于多模RRU要求支持更大的瞬時工作帶寬，因此相應(yīng)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?；静渴鸬年P(guān)鍵問題

3.1 多?；镜呐渲?/h3>

多?；镜呐渲冒üβ?、載波、工作帶寬等射頻參數(shù)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(shù)，多?；镜呐渲?、擴(kuò)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(jù)不同制式不同載波的話務(wù)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(jī)頂功率與容量之間是相互制約的關(guān)系，特別是在網(wǎng)絡(luò)需要擴(kuò)容時，RRU上配置的載波數(shù)增加，每個載波的功率會隨之下降，此時需要判斷載波機(jī)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(shù)適當(dāng)，同時滿足覆蓋與容量的要求。

（2）頻率規(guī)劃方面。由于多?；就瑫r支持多種制式，瞬時工作帶寬需要在多制式網(wǎng)絡(luò)間共享分配，這就增大了頻率規(guī)劃的難度。在具體部署過程中，可按照網(wǎng)絡(luò)不同發(fā)展階段下的頻譜策略及網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量需求，通過對多?；拒浖渲脤?shí)現(xiàn)各制式之間的靈活帶寬配比，達(dá)到多制式之間的負(fù)荷均衡。比如，在LTE建網(wǎng)初期，用戶數(shù)和話務(wù)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(wǎng)絡(luò)；在LTE用戶數(shù)或話務(wù)量達(dá)到一定規(guī)模，需要對LTE進(jìn)行擴(kuò)容時，則可以對多?；镜乃矔r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(wǎng)絡(luò)的頻譜資源則相應(yīng)減少。當(dāng)然，頻譜劃分還要結(jié)合運(yùn)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(jù)支持的制式類型、各制式的載波容量需求，可靈活配置BBU機(jī)框內(nèi)的基帶信號處理板、主控板等各類板卡。由于設(shè)備能力不同，不同廠家不同類型的單板及BBU機(jī)框滿配時所支持的最大載波數(shù)、最大吞吐量都不相同。在實(shí)際應(yīng)用時，需要根據(jù)覆蓋區(qū)域話務(wù)量需求計算出所需的載波數(shù)，再根據(jù)多模BBU每個單板所支持的最大載波數(shù)計算出需要配置的單板數(shù)量。在BBU混模配置時，需要針對每種制式分別進(jìn)行容量估算，得到各種制式所需要的單板數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(xù)網(wǎng)絡(luò)升級演進(jìn)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(jī)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(xiàn)網(wǎng)僅工作于GSM單模，在BBU機(jī)框內(nèi)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(jù)多制式網(wǎng)絡(luò)的配置要求，還需要對RRU的射頻功率及瞬時工作帶寬進(jìn)行重新分配，保證射頻功率滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)要求以及載波數(shù)滿足各制式網(wǎng)絡(luò)的容量需求。此外，如果現(xiàn)網(wǎng)多?；静捎脝伟l(fā)設(shè)備，那么在升級支持雙通道LTE MIMO時，需要新增一路單發(fā)設(shè)備或者使用雙通道RRU進(jìn)行替換。

（3）配套設(shè)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(xiàn)網(wǎng)的傳輸進(jìn)行擴(kuò)容，同時配置對應(yīng)的IP路由地址，保證各制式網(wǎng)絡(luò)的傳輸通道暢通。另外，根據(jù)多制式網(wǎng)絡(luò)的開通情況，可能需要對電源容量進(jìn)行擴(kuò)容。

4 多?；镜慕M網(wǎng)應(yīng)用

4.1 多?；镜膽?yīng)用場景

目前，多?；疽呀?jīng)有許多成熟的產(chǎn)品，并且已實(shí)現(xiàn)商用部署，主要應(yīng)用的產(chǎn)品形態(tài)為雙模BBU+雙模RRU，包括GU雙模、GL雙模、UL雙模。多?；镜闹饕獞?yīng)用場景劃分如下：

（1）在LTE建設(shè)初期，為了快速、低成本建網(wǎng)，可通過部署多模基站利舊現(xiàn)有的天饋系統(tǒng)、站址及配套設(shè)施，避免新選站址帶來的物業(yè)協(xié)調(diào)、站址租賃、配套建設(shè)等工作量。

（2）在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上疊加新的網(wǎng)絡(luò)制式時，如果天面空間受限，無法新建單獨(dú)天饋時，可考慮采用多?；竟蚕砩漕l的方式實(shí)現(xiàn)多制式共天饋。

（3）GSM現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備與技術(shù)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(diǎn)替換為GU或GL雙模基站，能夠降低設(shè)備能耗與維護(hù)成本。

（4）采用頻譜重整技術(shù)，在GSM的頻段上部署UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)時，適合采用多?；净炷＝ㄔO(shè)GU或GL網(wǎng)絡(luò)，以充分發(fā)揮多?；局С侄嗑W(wǎng)共存協(xié)同的優(yōu)勢。

4.2 多?；镜慕M網(wǎng)形態(tài)

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(wǎng)方式。

采用星型組網(wǎng)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(tǒng)可靠性高，多個RRU間不會相互影響。

當(dāng)多模BBU的容量可以支持連接多個RRU時，可能出現(xiàn)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(wǎng)方式，即采用級聯(lián)方式進(jìn)行RRU拉遠(yuǎn)建設(shè)。此外，在運(yùn)營商傳輸資源緊缺的情況下，采用RRU級聯(lián)的組網(wǎng)方式還可以減少對光纖資源的消耗。但是，RRU級聯(lián)會降低基站系統(tǒng)的可靠性，前級RRU掉電、故障或前級光纖鏈路中斷都會導(dǎo)致后級RRU無法正常工作。

圖4 星型組網(wǎng)

圖5 鏈型組網(wǎng)

圖6 星鏈混合型組網(wǎng)

4.3 多制式網(wǎng)絡(luò)共站址部署方案

為了利舊現(xiàn)有的站址、天饋和配套資源，實(shí)現(xiàn)低成本建網(wǎng)，解決站址難尋的問題，在部署多制式網(wǎng)絡(luò)時一般會采用共站址部署的方式。多制式網(wǎng)絡(luò)共站址部署方案包括單?；痉桨概c多模基站方案這2種。

單?；痉桨覆捎枚鄠€單模BBU+RRU的方式完成多制式網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，需要使用多套基站設(shè)備，會占用較多的機(jī)房空間，其總功耗為各單?；镜墓闹停话銜哂谕瑘鼍跋碌亩嗄；竟摹Ｔ摲桨傅膬?yōu)點(diǎn)在于各制式獨(dú)立部署，制式間耦合度小，原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；根據(jù)天面條件，不同制式可以使用獨(dú)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(shè)備實(shí)現(xiàn)多制式網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，節(jié)省機(jī)房空間，而且多模基站功放效率高，設(shè)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(hù)和升級工作，GL/UL混模將對原有GSM/UMTS網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性帶來不良影響。此外，多?；疽蠖嘀剖焦蔡祓?，不適用于要求獨(dú)立天饋安裝的站點(diǎn)。

表1從多維度對這2種方案進(jìn)行了詳細(xì)對比：

表1 單?；痉桨概c多?；痉桨笇Ρ?/p>

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?；痉桨缚梢圆捎锚?dú)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(tǒng)，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(dú)立天饋與多制式共天饋這2種方案在工程施工、后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面也各有優(yōu)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(dú)立天饋方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景。

表2 多制式共天饋與獨(dú)立天饋方案對比

4.4 多模基站應(yīng)用建議

隨著產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展成熟，LTE大規(guī)模部署的時代已經(jīng)來臨。在LTE建網(wǎng)初期，如果現(xiàn)網(wǎng)2G/3G設(shè)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(xiàn)網(wǎng)設(shè)備由G/U單模升級為GL/UL混模工作模式，實(shí)現(xiàn)LTE快速布網(wǎng)；如果現(xiàn)網(wǎng)2G/3G設(shè)備不支持多模能力，則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)升級的需求，可以采用單模基站方案新增一套LTE基站設(shè)備或?qū)F(xiàn)網(wǎng)設(shè)備替換為GL/UL多?；?。具體的，對于需要獨(dú)立天饋的站點(diǎn)，只能采用單?；痉桨福粚τ谔烀媸芟?、不具備獨(dú)立天饋安裝條件的站點(diǎn)或允許共天饋的站點(diǎn)，可以采用單模合路方案或多?；痉桨?。在實(shí)際部署時，可以根據(jù)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(fā)展來看，2G用戶向3G/4G網(wǎng)絡(luò)的遷移已成一般趨勢。目前，許多運(yùn)營商已經(jīng)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?；具M(jìn)行GL或GU共站址部署，即在原有GSM站址的基礎(chǔ)上，將GSM基站替換為GL或GU雙?；?，既可以充分利用原有的站址資源，又能實(shí)現(xiàn)GSM老舊設(shè)備替換，保持在網(wǎng)設(shè)備技術(shù)的先進(jìn)性，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步升級演進(jìn)提前做好準(zhǔn)備。

GSM網(wǎng)絡(luò)向UMTS或LTE的演進(jìn)是分階段過渡的，需要根據(jù)GSM網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)量、用戶數(shù)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?；究梢院芎玫貪M足網(wǎng)絡(luò)不同演進(jìn)階段對于各制式系統(tǒng)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(shè)備。

需要說明的是，多?；镜囊氩粫绊懺袉文Ｏ到y(tǒng)的正常工作，可以進(jìn)行多?；九c傳統(tǒng)單模基站的混合組網(wǎng)。

5 結(jié)束語

在多網(wǎng)共存、網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展演進(jìn)的大趨勢下，多模基站應(yīng)運(yùn)而生。多模基站采用了平臺化、模塊化的設(shè)計理念并基于SDR技術(shù)，不僅支持GSM/UMTS/LTE多種網(wǎng)絡(luò)制式，實(shí)現(xiàn)多制式共基帶、共射頻，而且還支持網(wǎng)絡(luò)后續(xù)的升級演進(jìn)，擴(kuò)展性強(qiáng)。

在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向UMTS或LTE分階段演進(jìn)過程中，可以采用多?；具M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)共存、共站址、共傳輸、共天饋，有效節(jié)省天面空間、機(jī)房及站址配套資源，大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護(hù)成本及能源消耗，同時兼顧未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的需求，減少硬件重復(fù)投資，延長基站服務(wù)壽命。當(dāng)然，多?；镜氖褂靡部赡軒硐到y(tǒng)穩(wěn)定性下降、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度增加等問題，需要在今后的研究工作中進(jìn)一步深入探索。

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