呂 婷，張 濤，李福昌，曹 亙（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

5G 作為支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關鍵新型基礎設施，已經(jīng)駛?cè)刖W(wǎng)絡建設與商用的快車道。5G基站是無線接入網(wǎng)的核心設備，其硬件架構與能力直接影響5G 無線網(wǎng)絡的性能。隨著5G 網(wǎng)絡的發(fā)展，基站設備已經(jīng)歷了由原型設備到商用設備的發(fā)展過程，硬件平臺更新?lián)Q代，設備形態(tài)逐步豐富和完善，設備性能得到了很大提升，具備大帶寬、低時延、廣連接的網(wǎng)絡能力。未來，隨著5G 產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，5G 基站硬件架構還將進一步演進，以更好地支撐數(shù)字化時代涌現(xiàn)出的多樣化新業(yè)態(tài)。

在5G 加速發(fā)展之際，有必要對5G 基站的硬件架構及產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況進行系統(tǒng)的研究，同時展望未來的發(fā)展趨勢，引導5G基站設備持續(xù)演進，助力高質(zhì)量、靈活高效的5G網(wǎng)絡部署。

2 5G基站硬件架構

5G 基站設備的整體架構可分為2 類：BBU+AAU/RRU 2 層架構、CU+DU+AAU/RRU 3 層架構。其中，CU、DU 為基帶設備，共同完成5G 基帶協(xié)議處理的全部功能。CU負責高層基帶協(xié)議處理，并提供與核心網(wǎng)之間的回傳接口；DU 完成底層基帶協(xié)議處理，并提供與5G AAU/RRU 之間的前傳接口；CU 與DU 之間通過F1 接口交互。BBU 集成了CU 與DU 的全部基帶處理功能。目前，5G 基站設備主要采用BBU+AAU/RRU 2層架構，因此下文主要分析了5G BBU 與AAU/RRU 的硬件架構。DU 設備架構與BBU 類似，主要基于專用硬件平臺實現(xiàn)，而CU 設備則一般基于通用硬件平臺實現(xiàn)。

2.1 5G BBU硬件架構

5G BBU 是基帶設備，硬件架構如圖1 所示，包含基帶處理單元、主控傳輸單元、電源模塊以及接口單元等功能模塊。其中，基帶處理單元主要完成基帶協(xié)議處理，提供與AAU/RRU 通信的接口；主控傳輸單元負責基站的配置管理、信令處理、資源管理、數(shù)據(jù)傳輸，提供傳輸、時鐘、LMT 接口，電源模塊主要用于設備內(nèi)部直流供電的管理。

圖1 5G BBU硬件架構

硬件實現(xiàn)方面，5G BBU內(nèi)部集成了多種半導體器件與芯片，主控傳輸單元與基帶處理單元內(nèi)部的核心器件如圖2 所示。處理器（CPU）主要用于高層基帶協(xié)議以及控制信令處理；基帶芯片（ASIC）是BBU 的關鍵芯片，負責底層基帶協(xié)議處理以及軟件算法的實現(xiàn)；FPGA 芯片用于基帶協(xié)議處理中的硬件加速，實現(xiàn)加密/解密或接口轉(zhuǎn)換等專用功能；光模塊負責完成光電信號轉(zhuǎn)換功能，用于前傳接口處理；交換芯片用于與外部接口之間的數(shù)據(jù)交換；高精度晶振用于支持BBU內(nèi)部各功能模塊之間的同步。

圖2 BBU內(nèi)部核心器件

2.2 5G AAU/RRU硬件架構

5G AAU/RRU 主要完成基帶數(shù)字信號與射頻模擬信號之間的轉(zhuǎn)換以及射頻信號的收發(fā)處理功能。對于6 GHz 以下頻段，AAU 設備主要分為64T64R、32T32R、16T16R 等主流規(guī)格，分別支持64、32、16個射頻收發(fā)通道。隨著通道數(shù)的增加，CPRI接口的帶寬需求大幅上升，為了降低前傳接口的帶寬需求，5G AAU采用eCPRI 接口，將BBU 的部分底層基帶協(xié)議處理功能上移到AAU。對于2 通道、4 通道等低通道數(shù)的5G射頻設備，仍采用傳統(tǒng)的RRU+天線的設備形態(tài)，設備內(nèi)部無內(nèi)置的天線陣列。

5G AAU 與RRU 的硬件架構基本相同，如圖3 所示，設備內(nèi)部包含了接口、數(shù)字基帶、數(shù)字中頻、收發(fā)信機、功放、雙工器等主要模塊與器件。其中，接口模塊主要用于前傳接口信號處理，數(shù)字基帶模塊負責底層基帶信號處理，數(shù)字中頻模塊實現(xiàn)上下變頻、預失真和波峰系數(shù)降低等功能，收發(fā)信機模塊完成數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC/DAC）以及模擬信號的接收與發(fā)射信號處理功能，功放/低噪放分別完成下行與上行信號的放大，濾波器用于發(fā)射及接收信號的選頻以及干擾抑制，雙工器用于接收與發(fā)送通道的信號濾波與收發(fā)切換。

圖3 5G AAU/RRU硬件架構

3 5G基站核心器件及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 5G BBU核心器件

5G BBU 主要基于專用硬件實現(xiàn)，內(nèi)部集成了ASIC、CPU、FPGA 等半導體器件，核心器件的產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況直接影響B(tài)BU 設備的性能。一方面，核心器件的性能與工藝水平?jīng)Q定了BBU 設備整體的硬件處理能力與集成度；另一方面，半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展也可推動專用硬件平臺代際更替，優(yōu)化BBU 硬件架構，提高設備性能。

5G BBU 內(nèi)部，基帶芯片是最關鍵的器件之一，可以反映不同設備的性能差異?；鶐酒话悴捎迷O備廠商自研的ASIC 架構，業(yè)界主要采用14 nm 或7 nm工藝，5 nm 芯片正在技術導入階段，臺積電和三星已具備5 nm 量產(chǎn)能力。BBU 使用的處理器主要以ARM架構和X86 架構為主，采用高性能的處理器芯片以提供更強大的運算性能、更低的功耗，支持5G 基帶的復雜處理功能。FPGA 即現(xiàn)場可編程門陣列，相比AISC，具有可編輯、更靈活、產(chǎn)品上市時間短等優(yōu)勢。5G BBU 使用FPGA 以更好地支持設備軟硬件的后向升級。由于行業(yè)技術壁壘高，F(xiàn)PGA 核心技術被Xilinx、Intel、Lattice 等頭部公司壟斷，國外三巨頭占據(jù)全球市場份額的90%。

3.2 5G AAU/RRU核心器件

5G AAU/RRU 使用的核心器件主要包括基帶芯片、數(shù)字中頻芯片、收發(fā)信機芯片、ADC/DAC、功放、濾波器等。

其中，5G 基站使用的功放主要采用LDMOS 和氮化鎵2 種技術。在高頻、大帶寬、高功率的工作條件下，氮化鎵功放的性能優(yōu)于LDMOS。一般，5G 高頻段設備使用GaN 功放，而低頻設備則2種功放并用。LD?MOS 器件工藝比較成熟，主要采用8 英寸140 nm 工藝，主流供應商有NXP、Qorvo 等。氮化鎵器件成本較高，制造工藝更加復雜，主要廠商包括住友、Wolf?speed、Qorvo 等國外廠商以及能訊、創(chuàng)元達等國內(nèi)廠商。

高速高精度的ADC/DAC 是5G基站的不可或缺的芯片。目前ADC/DAC 市場份額分別被ADI、TI、MAX?IM、等國外廠商獨占，國內(nèi)廠商在ADC/DAC 芯片領域起步晚，能夠量產(chǎn)高精度、高速度ADC/DAC 的廠商較少，產(chǎn)品線比較單一。

基帶與數(shù)字中頻芯片的能力需滿足100 MHz載波帶寬、64 路射頻收發(fā)通道以及復雜的波束賦形算法處理的需求。主要采用主設備廠商自研的ASIC芯片，目前采用14 nm 或7 nm 工藝，下一代芯片將支持5 nm 或3 nm技術。

收發(fā)信機芯片用于收發(fā)鏈路的信號處理，可集成數(shù)字變頻、混頻、多通道ADC/DAC、放大和濾波等功能。目前業(yè)界主流的芯片供應商為ADI 和TI，單芯片支持四路射頻通道處理，后續(xù)隨著制程水平發(fā)展，可進一步提高單芯片的處理能力，降低AAU 體積與功耗。

4G RRU 使用的濾波器主要以金屬腔體濾波器為主，工藝成熟、價格低，但由于金屬整體切割導致體積較大。5G 時代，AAU 天線數(shù)量大幅增加，對濾波器的尺寸與發(fā)熱性能也有更高的要求，使得金屬腔體濾波器應用受限，陶瓷介質(zhì)濾波器體積小、溫度穩(wěn)定性高，成為較好的解決方案。因此，5G AAU 前期采用工藝成熟的小型化金屬濾波器，后期將主要采用陶瓷介質(zhì)濾波器。目前，規(guī)模較大的陶瓷介質(zhì)濾波器廠商主要有燦勤、國華、凡谷等。

4 基站架構的未來演進

4.1 演進方向分析

在多樣化業(yè)務需求的驅(qū)動下，5G 網(wǎng)絡需要具備更加彈性、靈活的業(yè)務提供能力，這就對5G 基站設備提出了更高要求，推動設備硬件平臺迭代更新、基站架構持續(xù)演進。5G 基站架構的演進分為專用硬件增強與架構通用化2個方向。

a）專用硬件增強。現(xiàn)階段5G 基站設備主要在專用硬件平臺上實現(xiàn)，通過定制化器件與配套軟件高效地實現(xiàn)BBU 與AAU/RRU 的特定功能。后續(xù)，隨著5G產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，核心半導體器件的性能將不斷提升，專用硬件平臺的性能也會逐代增強。對于5G BBU 設備，未來可通過升級5 nm/3 nm 工藝、優(yōu)化ASIC 設計、增強基帶芯片能力、引入更高性能多核處理器、FPGA等芯片等方式，提升載波與數(shù)據(jù)流處理能力，支持多模共平臺。對于5G AAU/RRU 設備，通過優(yōu)化架構設計與算法、提高數(shù)字與模擬芯片集成度、引入新材料等手段，使設備向著小型化、綠色節(jié)能的方向不斷增強。

b）架構通用化。通過將基站軟件功能與硬件解耦，結(jié)合硬件資源云化、基站功能虛擬化等技術，可逐步實現(xiàn)基站架構通用化。與專用硬件設備相比，通用化架構的基站設備支持靈活的軟件部署與修改，硬件資源完全共享并可以由上層應用按需靈活調(diào)用，同一硬件平臺可兼容不同制式系統(tǒng)，支持按需開通，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的敏捷部署。同時，通用硬件平臺支持后向平滑演進，可提高設備利用率，延長生命周期，降低網(wǎng)絡建設成本。目前在移動通信網(wǎng)絡中，核心網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心等基礎設施已經(jīng)廣泛采用了通用化硬件架構，滿足上層應用對于底層基礎資源的彈性伸縮需求。在無線接入網(wǎng)領域，硬件通用化尚處于嘗試探索階段，相關技術及產(chǎn)業(yè)還不成熟，通用硬件平臺的性能還無法支撐基站設備的全面通用化。

4.2 2種基站架構的對比

基于專用硬件與通用硬件的2種基站架構存在本質(zhì)的區(qū)別，如圖4所示。

圖4 基站架構對比

對于專用硬件架構，專用硬件層主要包含CPU、ASIC、FPGA、射頻芯片等，通過內(nèi)部的高速交換接口或?qū)Ｓ帽嘲鍖崿F(xiàn)互聯(lián)。上層配套軟件系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)議?；竟δ芤约霸O備商私有算法；軟件系統(tǒng)與底層硬件緊耦合，設備內(nèi)部接口對外不可見。

對于通用硬件架構，基礎硬件層主要由通用計算、存儲、網(wǎng)絡等硬件資源以及FPGA/ASIC 等硬件加速器構成，其中，硬件加速器主要用于完成基帶物理層協(xié)議、加/解密或接口交換等功能，卸載通用處理器的負荷。虛擬層提供對底層硬件的抽象、動態(tài)重構與管理，完成對硬件資源的靈活調(diào)配與控制，為上層應用提供虛擬的計算和轉(zhuǎn)發(fā)功能。網(wǎng)元功能層實現(xiàn)各類虛擬化網(wǎng)元功能，比如BBU、CU、DU 等基站功能?；谔摂M化技術的網(wǎng)元功能可根據(jù)業(yè)務需求靈活編排，并支持向更高層的應用平臺開放底層設備能力。

2 種架構在硬件實現(xiàn)、開放性、擴展性、資源調(diào)配方式、技術成熟度、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面均存在各自的優(yōu)劣勢，如表1所示。

表1 2種基站架構的對比

傳統(tǒng)的基站設備基于專用硬件平臺實現(xiàn)，從2G發(fā)展到5G，專用硬件的集成度與處理能力逐代增強，設備體積變小、容量增大。但是，由于專用設備固有的封閉性，傳統(tǒng)基站的軟件與硬件完全綁定，采用基站設備廠商定制化的ASIC架構以及配套軟件系統(tǒng)，設備內(nèi)部實現(xiàn)對外不可見。這種高度固化、集成化的設備在能效、體積方面存在天然的優(yōu)勢。但另一方面，這種黑盒化的設備存在可擴展性差、資源調(diào)配不靈活、資源利用率低等問題。同時，封閉的系統(tǒng)不利于擴大產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，造成一定的行業(yè)壁壘。

通用化的基站設備基于通用硬件平臺與虛擬化技術實現(xiàn)，天然地具備開放、可擴展性強的優(yōu)勢。支持軟硬件解耦、硬件資源按需調(diào)度、軟件功能靈活定制，進而支持彈性擴容、軟件快速升級，同時可根據(jù)業(yè)務的潮汐變化靈活調(diào)配資源，獲得資源池化共享增益，提高資源利用率。此外，通用化設備的開放架構便于吸引更多廠商參與設備開發(fā)，豐富產(chǎn)品形態(tài)，繁榮產(chǎn)業(yè)生態(tài)。但是，目前通用硬件的處理能力還不足以完全滿足5G基站的性能要求，特別是基帶物理層功能與射頻處理模塊，對于算力、處理實時性、功耗等方面的要求較高，x86 或ARM 等通用處理器無法完全替代傳統(tǒng)的ASIC 或FPGA 電路。另外，虛機、容器等虛擬化技術方案在基站中的應用還不成熟，有待逐步完善，滿足電信級應用的需求。

在5G 基站演進過程中2 種架構將并存。對于容量、能效等要求較高的宏基站設備，專用硬件架構還將繼續(xù)發(fā)揮其技術成熟、集成度高的優(yōu)勢；對于體積、功耗較小的微站設備則可先行實現(xiàn)通用化架構演進，充分發(fā)揮其開放、彈性靈活的優(yōu)勢，以更好應對各類垂直行業(yè)的多樣化部署需求。

4.3 未來發(fā)展趨勢展望

基站硬件架構的通用化演進將給5G 產(chǎn)業(yè)鏈帶來諸多影響，不僅會推動原有的基站產(chǎn)業(yè)鏈上下游加強技術創(chuàng)新、加速產(chǎn)品迭代，也會吸引更多的廠商參與產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，包括基礎硬件、虛擬化軟件、業(yè)務平臺、系統(tǒng)集成等各個領域，構建更加開放、融合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，催生新的商業(yè)價值。

基站架構的通用化將會是一個分階段演進的過程?，F(xiàn)階段，基于通用硬件架構的基站設備可在CU、DU 分離架構的基礎上實現(xiàn)。通過將高層基帶協(xié)議功能部署于CU，將底層基帶協(xié)議功能部署于DU，進行5G 協(xié)議棧切分。在此基礎上，基于通用硬件平臺實現(xiàn)CU 設備的全面通用化，DU、BBU 設備通過進一步功能劃分實現(xiàn)部分模塊的通用化。未來，隨著硬件性能的提升以及虛擬化技術的發(fā)展，逐步實現(xiàn)DU、BBU 設備的全面通用化。

由于5G RRC、SDAP、PDCP 等高層基帶協(xié)議對硬件處理實時性的要求相對寬松，易于移植到通用硬件平臺來實現(xiàn)。因此，CU設備可完全基于通用硬件平臺實現(xiàn)。而基站物理層協(xié)議功能對硬件的運算速度、處理時延等要求較高，現(xiàn)有通用硬件及虛擬化技術還無法滿足要求。此外，與專用的ASIC 或FPGA 架構相比，通用硬件在集成度、功耗方面也存在不足。因此，DU/BBU 設備還無法完全基于通用硬件平臺實現(xiàn)，還需要經(jīng)歷從部分通用化到全面通用化的發(fā)展過程?，F(xiàn)階段，DU/BBU 設備需要在通用硬件平臺的基礎上進一步增加專用的物理層加速器，通過標準的PCIe 接口，支持在通用硬件平臺上即插即用。未來隨著通用硬件性能的提高，DU/BBU 設備可完全基于通用硬件平臺實現(xiàn)。

在通用化演進的基礎上，基站架構還會進一步向著開放、融合、智能等方向發(fā)展。

首先，傳統(tǒng)基站的架構是封閉的，設備內(nèi)部接口私有化，網(wǎng)絡資源、信息與數(shù)據(jù)不開放。在通用硬件平臺之上，可進一步定義標準化的開放接口，支持不同虛擬化網(wǎng)元之間互通；同時通過微服務化架構將網(wǎng)絡能力抽象為服務，以服務的形式對外提供開放的資源，支持網(wǎng)絡能力按需定制，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡的封閉性。

其次，隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，目前運營商面臨著多頻段多制式并存、設備類型繁多、部署維護復雜的問題。隨著基站架構的通用化演進，可基于統(tǒng)一的云平臺，實現(xiàn)各類虛擬化網(wǎng)元功能，簡化在網(wǎng)設備類別。此外，通用架構的基站設備還可與移動邊緣計算單元、核心網(wǎng)單元共平臺部署，構建一張端到端的融合網(wǎng)絡。

另外，網(wǎng)絡的智能化演進也是未來的必然趨勢。將人工智能技術引入基站，增強協(xié)議實現(xiàn)算法，優(yōu)化處理流程，提升資源調(diào)度效率，實現(xiàn)基站內(nèi)生的智能，使得設備性能達到最大化，促進網(wǎng)絡與業(yè)務的協(xié)同。在基站側(cè)引入AI 技術對于設備硬件能力有一定的要求，算法模型越復雜、訓練數(shù)據(jù)量越大，對于算力的要求越高。在基站架構通用化演進后，基礎硬件支持池化共享、彈性擴容，硬件資源不會成為瓶頸，可充分發(fā)揮出基站內(nèi)生智能的潛力。

5 結(jié)束語

5G 商用網(wǎng)絡將面向To C、To B 等多樣化的業(yè)務場景，為了支持靈活的網(wǎng)絡部署，5G 基站設備將存在多種硬件架構與設備形態(tài)。目前，5G 基站以BBU+AAU/RRU 架構的設備為主，基于專用硬件架構實現(xiàn)。由于專用硬件設備在擴展性與靈活性方面存在固有的不足，為了滿足差異化的功能與性能要求，5G 基站還將向通用化架構方向演進。本文分析了5G 基站硬件架構及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，并展望了基站架構的未來演進趨勢，提出基站設備將向著專用硬件增強與架構通用化2個方向發(fā)展。由于2種架構在硬件實現(xiàn)、開放性、擴展性等方面均存在差異，在5G 基站的演進過程中，2 種架構仍將并存，針對不同的設備形態(tài)以及多樣化的部署場景，充分發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。

此外，在通用化架構演進的基礎上，未來基站設備還將向著開放、融合、智能的方向持續(xù)演進，為豐富多樣的5G業(yè)務提供更有保障的服務能力，這些方向還需要后續(xù)進一步探索。