本文经《邮电设计技术》授权发表

简介：本文介绍了5G对基站硬件架构的未来发展趋势进行了分析。

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5G基站硬件架构

5G基站设备的整体结构可分为两类：

• BBU AAU/RRU 2层架构

• CU DU AAU/RRU 3层架构

其中，CU、DU共同完成基带设备5G处理基带协议的所有功能。

CU负责处理高层基带协议，并与核心网络提供回传接口。

DU完成底层基带协议处理，并提供与5G AAU/RRU前传接口之间。CU与DU之间通过F1接口交互。

BBU集成了CU与DU所有基带处理功能。

目前，5G主要采用基站设备BBU AAU/RRU 2层结构。因此，以下主要分析了5层结构G BBU与AAU/RRU硬件架构。

DU设备架构与BBU类似地，主要基于专用硬件平台。CU一般基于通用硬件平台实现设备。

1.1 5G BBU硬件架构

5G BBU它是带设备，硬件架构如图1所示，包括基带处理单元、主控传输单元、电源模块、接口单元等功能模块。

图1 5G BBU硬件架构

其中，基带处理单位主要完成基带协议处理，并提供与AAU/RRU通信接口。主控传输单位负责基站配置管理、信令处理、资源管理、数据传输，提供传输、时钟、LMT接口。电源模块设备内直流供电管理的电源模块。

硬件实现，5G BBU各种半导体设备和芯片集成在内部。主控传输单元和基带处理单元的核心设备如图2所示。

图2 BBU核心内部设备

处理器（CPU），主要用于高层基带协议和控制信令处理。基带芯片（ASIC），是BBU负责底层基带协议处理和软件算法实现的关键芯片。FPGA芯片用于加速基带协议处理中的硬件，实现加密/解密或接口转换等特殊功能。前传接口处理负责完成光电信号转换功能的光模块。用于与外界接口之间的数据交换芯片。支持高精度晶振，支持BBU内部功能模块之间的同步。

1.2 5G AAU/RRU硬件架构

5G AAU/RRU，基带数字信号与射频模拟信号之间的转换，以及射频信号的收发处理功能。

对于6GHz以下频段，AAU设备主要分为64种T64R、32T32R、16T16R 支持64、32、16个射频收发通道等主流规格。

随着通道数的增加，CPRI接口的带宽需求显著增加。5.为减少前传接口的带宽需求，G AAU采用eCPRI接口，将BBU部分底层基带协议处理功能向上移动AAU。

低通道数的5，如2通道和4通道G传统的传统射频设备RRU 天线”的设备形态。设备内部无内置的天线阵列。

5G AAU与RRU如图3所示，硬件架构基本相同。

图3 5G AAU/RRU硬件架构

设备包括接口、数字基带、数字中频、收发信机、功放、双工器等主要模块和设备。

其中，接口模块主要用于前传接口信号处理。底层基带信号处理负责数字基带模块。实现上下变频、预失真、波峰系数降低等功能。收发信机模块，完成数模/模数转换（ADC/DAC）以及模拟信号的接收和发射信号处理功能。功率放大/低噪声放大分别完成下行和上行信号放大。滤波器用于发射和接收信号的频率选择和干扰抑制。用于接收和发送通道的信号滤波和收发切换的双工器。

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5G基站核心设备及行业现状

2.1 5G BBU核心器件

5G BBU主要基于专用硬件实现，内部集成ASIC、CPU、FPGA等半导体器件。

核心设备的产业发展直接影响BBU设备性能。

一方面，核心设备的性能和工艺水平决定了BBU设备的整体硬件处理能力和集成度。另一方面，半导体产业的发展也可以促进特殊硬件平台的替代和优化BBU提高设备性能的硬件架构。

5G BBU内部，基带芯片是最关键的器件之一，可以反映不同设备的性能差异。

基带芯片一般由设备制造商开发ASIC结构。行业主要采用14。nm或7nm工艺，5nm芯片正在技术导入阶段。

台积电和三星拥有5nm量产能力。

BBU主要使用处理器ARM架构和X86架构为主，采用高性能的处理器芯片，以提供更强大的运算性能、更低的功耗，支持5G复杂的基带处理功能。

FPGA，也就是说，与现场可编程门阵列相比，AISC，具有可编辑、更灵活、产品上市时间短等优点。

5G BBU使用FPGA更好地支持设备软硬件的后升级。

由于行业技术壁垒高，FPGA核心技术被Xilinx、Intel、Lattice外国三巨头占全球市场份额的90%。

2.2 5G AAU/RRU核心器件

5G AAU/RRU核心设备主要包括基带芯片、数字中频芯片、收发信机芯片、ADC/DAC、功放、滤波器等。

其中，5G基站使用的功率放大器主要用于LDMOS和氮化镓两种技术。

氮化镓功放在高频、大带宽、高功率工作条件下的性能优于LDMOS。

一般，5G使用高频设备GaN功放。而低频设备，则两种功放并用。

LDMOS设备工艺相对成熟，主要采用8英寸140nm主流供应商有技术NXP、Qorvo等。

氮化镓设备成本高，制造工艺复杂。主要制造商包括住友Wolfspeed、Qorvo以及能讯、创元达等国内厂商。

高速高精度的ADC/DAC，是5G基站不可缺少的芯片。

目前，ADC/DAC市场份额分别受到影响ADI、TI、MAXIM、等国外厂商独占。国内厂商在ADC/DAC芯片领域起步较晚，能量产高精度、高速度ADC/DAC厂家少，产品线单一。

需要满足100个基带和数字中频芯片的能力MHz载波带宽、64路射频收发通道和复杂的波束赋形算法处理要求。主要由主要设备制造商开发ASIC芯片，目前使用14nm或7nm下一代芯片将支持工艺5nm或3nm技术。

收发信机芯片可集成数字变频、混频、多通道ADC/DAC、放大和过滤功能。

目前行业主流芯片供应商是ADI和TI，随着工艺水平的发展，单芯片可以进一步提高单芯片的处理能力，降低AAU体积和功耗。

4G RRU使用的滤波器主要是金属腔滤波器，工艺成熟，价格低廉。但由于金属的整体切割，体积较大。

5G时代，AAU天线数量显著增加，对滤波器的尺寸和加热性能也有更高的要求，金属腔滤波器的应用。

陶瓷介质滤波器体积小，温度稳定性高，成为较好的解决方案。

因此，5G AAU前期采用工艺成熟的小型金属滤波器，后期主要采用陶瓷介质滤波器。

目前，灿勤、国华、凡谷等大型陶瓷介质滤波器制造商。

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未来基站架构的演变

3.1 进化方向分析

在多元化业务需求的驱动下，5G对于5G推动设备硬件平台迭代更新，基站架构不断演进，对基站设备提出了更高的要求。

5G基站架构的演变分为增强特殊硬件与架构通用化2个方向。

a）增强特殊硬件。

现阶段5G基站设备主要在专用硬件平台上实现，通过定制设备和配套软件高效实现BBU与AAU/RRU的特定功能。

后续，随着5G随着产业链的发展，核心半导体设备的性能将不断提高，特殊硬件平台的性能将逐代提高。

对于5G BBU设备未来可升级5nm/3nm工艺、优化ASIC提高基带芯片的设计能力，引入更高性能的多核处理器，FPGA提高载波和数据流处理能力，支持多模共平台等芯片。

对于5G AAU/RRU通过优化架构设计和算法，提高数字与模拟芯片的集成度，引入新材料，设备不断向小型化、绿色节能方向发展。

b）架构通用化。

基站架构的通用化可以通过解耦基站软件功能和硬件，结合硬件资源云化和基站功能虚拟化等技术逐步实现。

与专用硬件设备相比，一般架构的基站设备支持软件部署和修改灵活，硬件资源完全共享，上层应用可根据需要灵活调用。

同一硬件平台可兼容不同系统，支持按需开通，实现通信网络的敏捷部署。

同时，通用硬件平台支持平稳发展，可以提高设备利用率，延长生命周期，降低网络建设成本。

目前，在移动通信网络中，通用硬件架构已广泛应用于核心网络和数据中心等基础设施，以满足上层应用对基础资源弹性伸缩的需求

在无线接入网领域，硬件通用化尚处于尝试探索阶段，相关技术及产业还不成熟，通用硬件平台的性能还无法支撑基站设备的全面通用化。

3.2  两种基站架构的对比

基于专用硬件与通用硬件的2种基站架构，存在本质的区别。如图4所示。

图4 基站架构对比

对于专用硬件架构，专用硬件层主要包含CPU、ASIC、FPGA、射频芯片等，通过内部的高速交换接口或专用背板实现互联。上层配套软件系统实现协议栈基本功能以及设备商私有算法。软件系统与底层硬件紧耦合，设备内部接口对外不可见。

对于通用硬件架构，基础硬件层主要由通用计算、存储、网络等硬件资源以及FPGA/ASIC等硬件加速器构成。

其中，硬件加速器主要用于完成基带物理层协议、加/解密或接口交换等功能，卸载通用处理器的负荷。虚拟层提供对底层硬件的抽象、动态重构与管理，完成对硬件资源的灵活调配与控制，为上层应用提供虚拟的计算和转发功能。网元功能层实现了各类虚拟化网元功能，比如BBU、CU、DU等基站功能。

基于虚拟化技术的网元功能可根据业务需求灵活编排，并支持向更高层的应用平台开放底层设备能力。

两种架构在硬件实现、开放性、扩展性、资源调配方式、技术成熟度、产业生态等方面均存在各自的优劣势，如表1所示。

表1 2种基站架构的对比

传统的基站设备基于专用硬件平台实现，从2G发展到5G，专用硬件的集成度与处理能力已经逐代增强，设备体积变小、容量增大。

但是，由于专用设备固有的封闭性，传统基站的软件与硬件完全绑定，采用基站设备厂商定制化的ASIC架构以及配套软件系统，设备内部实现对外不可见。

这种高度固化、集成化的设备在能效、体积方面存在天然的优势。

但另一方面，这种黑盒化的设备存在可扩展性差、资源调配不灵活、资源利用率低等问题。同时，封闭的系统不利于扩大产业生态圈，造成一定的行业壁垒。

通用化的基站设备，基于通用硬件平台与虚拟化技术实现，天然地具备开放、可扩展性强的优势。

支持软硬件解耦、硬件资源按需调度、软件功能灵活定制，进而支持弹性扩容、软件快速升级，同时可根据业务的潮汐变化灵活调配资源，获得资源池化共享增益，提高资源利用率。

此外，通用化设备的开放架构，便于吸引更多厂商参与设备开发，丰富产品形态，繁荣产业生态。

但是，目前通用硬件的处理能力，还不足以完全满足5G基站的性能要求。特别是基带物理层功能与射频处理模块，对于算力、处理实时性、功耗等方面的要求较高。x86或ARM等通用处理器无法完全替代传统的ASIC或FPGA电路。

另外，虚机、容器等虚拟化技术方案，在基站中的应用还不成熟，有待逐步完善，满足电信级应用的需求。

在5G基站演进过程中，两种架构将并存。

对于容量、能效等要求较高的宏基站设备，专用硬件架构还将继续发挥其技术成熟、集成度高的优势。

对于体积、功耗较小的微站设备，则可先行实现通用化架构演进，充分发挥其开放、弹性灵活的优势，以更好应对各类垂直行业的多样化部署需求。

3.3  未来发展趋势展望

基站硬件架构的通用化演进，将给5G产业链带来诸多影响。

不仅会推动原有的基站产业链上下游加强技术创新、加速产品迭代，也会吸引更多的厂商参与产业链的各个环节，包括基础硬件、虚拟化软件、业务平台、系统集成等各个领域，构建更加开放、融合的产业生态，催生新的商业价值。

基站架构的通用化将会是一个分阶段演进的过程。

现阶段，基于通用硬件架构的基站设备，可在CU、DU分离架构的基础上实现。通过将高层基带协议功能部署于CU，将底层基带协议功能部署于DU，进行5G协议栈切分。

在此基础上，基于通用硬件平台，实现CU设备的全面通用化，DU、BBU设备通过进一步功能划分实现部分模块的通用化。

未来，随着硬件性能的提升以及虚拟化技术的发展，逐步实现DU、BBU设备的全面通用化。

由于5G RRC、SDAP、PDCP等高层基带协议对硬件处理实时性的要求相对宽松，易于移植到通用硬件平台来实现。因此，CU设备可完全基于通用硬件平台实现。

而基站物理层协议功能对硬件的运算速度、处理时延等要求较高，现有通用硬件及虚拟化技术还无法满足要求。

此外，与专用的ASIC或FPGA架构相比，通用硬件在集成度、功耗方面也存在不足。

因此，DU/BBU设备，还无法完全基于通用硬件平台实现，还需要经历从部分通用化到全面通用化的发展过程。

现阶段，DU/BBU设备需要在通用硬件平台的基础上进一步增加专用的物理层加速器，通过标准的PCIe接口，支持在通用硬件平台上即插即用。

未来，随着通用硬件性能的提高，DU/BBU设备可完全基于通用硬件平台实现。

在通用化演进的基础上，基站架构还会进一步向着开放、融合、智能等方向发展。

首先，传统基站的架构是封闭的，设备内部接口私有化，网络资源、信息与数据不开放。在通用硬件平台之上，可进一步定义标准化的开放接口，支持不同虚拟化网元之间互通；同时通过微服务化架构将网络能力抽象为服务，以服务的形式对外提供开放的资源，支持网络能力按需定制，打破传统网络的封闭性。

其次，随着网络的发展，目前运营商面临着多频段多制式并存、设备类型繁多、部署维护复杂的问题。随着基站架构的通用化演进，可基于统一的云平台，实现各类虚拟化网元功能，简化在网设备类别。此外，通用架构的基站设备还可与移动边缘计算单元、核心网单元共平台部署，构建一张端到端的融合网络。

另外，网络的智能化演进也是未来的必然趋势。

将人工智能技术引入基站，增强协议实现算法，优化处理流程，提升资源调度效率，实现基站内生的智能，使得设备性能达到最大化，促进网络与业务的协同。

在基站侧引入AI技术，对于设备硬件能力有一定的要求，算法模型越复杂、训练数据量越大，对于算力的要求越高。在基站架构通用化演进后，基础硬件支持池化共享、弹性扩容，硬件资源不会成为瓶颈，可充分发挥出基站内生智能的潜力。

——The End——

为便于阅读，本文略有删减。

▍参考文献：

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▍作者简介：

吕婷，毕业于北京邮电大学，高级工程师，硕士，主要从事5G网络技术及基站设备研究工作；

张涛，高级工程师，硕士，主要从事移动网通信技术标准化、组网应用方案研究工作；

李福昌，教授级高级工程师，博士，国家知识产权局中国专利审查技术专家，主要从事移动通信及固网移动融合等专业的标准制定、测试验证、课题研究等工作；

曹亘，高级工程师，博士，主要从事移动网通信网络新技术、标准化研究工作。