5G基站为什么需要AAU?

2020-06-01 10:13:10
无线深海
蜉蝣采采
文章摘要: 5G的主流频段是2.6GHz,3.5GHz这些频率比较高的频段,能提供100M的超大载波带宽,并通过AAU来提供Massive MIMO技术来支撑5G的高速率。

基站,其实早已像水和电一样融入了我们的生活,无时无刻不在为我们服务。但是,这个幕后英雄,却不为多数人所理解。

一、为什么需要AAU?

RRU,也就是远端射频单元,是现代基站的两大核心(BBU和RRU)之一,又被称作辐射的万恶之源。

随着无线网络的发展,一个基站要支持2G,3G,4G等多种制式,还要兼顾900M,1800M,2100M多个频段。甚至,还有700M,2600M等4G专用频段。

考虑到一个基站通常有3个扇区,铁塔上就要挂上就有15个各频段的RRU,再连接到3个多端口天线上,共计18个设备,导致铁塔上拥挤不堪。

在国际上,很多运营商租赁铁塔是按照上面挂的设备数量来收费的,因此怎样在频段和容量不变的前提下减少塔上挂的设备数量,成为了一个强需求。

并且,在4G网络发展的后期,为了支持更强的MIMO和分集接收能力,RRU需要支持的天线端口越来越多,从两端口,发展到4端口甚至8端口,对天线的要求越来越高,连接也日趋复杂。

这时自然而然地可以想到,既然RRU需要和天线近距离安装,还必须用射频线连在一起,那何不把这对搭档合二为一,搞成一个模块呢?

这样一来,不但塔上的设备少了,连接RRU和天线之间的跳线也不再需要,也就没有任何馈线损耗了!

在这样的背景下,把RRU和天线融合在一起的设备,AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)应运而生。

所谓有源,就因为这种带天线的设备需要供电才能把信号发出去,毕竟RRU在里面装着呢。而传统的天线是不需要供电的,也叫做无源天线。

随着5G时代的来临,为了支持超高下载速度,4G时代的普通MIMO升级为大规模MIMO(Massive MIMO),RRU需要支持64路发射,并连接到含192个天线单元的天线阵列。

这样RRU和天线都要支持64个端口,并用64根跳线连起来才行,这哪里放得下?真是有些丧心病狂,还是两者合体来得干净利落。

就这样,AAU从4G时代开始萌芽,到了5G,则上位成为了标配。RRU在5G时代已日趋边缘化。

二、有哪些类型的AAU?

1.RRU和天线松耦合式AAU

AAU虽然优点多多,但也有不灵活之处,那就是天线和射频完全耦合,产品架构上需要重新进行产品设计。

在4G时代,各种RRU和天线已经很成熟了,AAU的使用范围有限,设备商不太愿意花大力气重新设计全新的一体化产品,于是,出现了天线和射频松耦合式的AAU这样一种折衷设计。

这种AAU采用定制的天线,直接把现成的高频段RRU安装在天线背面,RRU坏了也好更换,还可以跟普通天线一样用射频线外接低频段的RRU,扩展性也很好。

因其天线能和RRU无缝对接,相当于天线需要供电,这就是其名称中“有源”的来源;同时它用来外接RRU的端口叫做“无源”端口,这是一种有源跟无源结合的方案。

在4G时代这种AAU还能勉强用用,到了5G时代就完全招架不住了。

2.用作深度覆盖的美化AAU

这是一种用于闹市区等人口密集区域深度覆盖的AAU,对发射功率要求低一些,但对产品的美化程度要求很高,上面所说的松耦合式AAU体积大,功率大,外观吓人,不满足需求。

因此,出现了此场景专用的AAU,一般仅支持一到两个频段2T2R,没有外接其他RRU的无源端口,因此结构简洁,小巧美观。

3.5G时代的主流:支持Massive MIMO技术的AAU

为了提供超高下载速率,Massive MIMO(大规模多入多出)成为了5G等核心技术。

在4G时代,主流等RRU支持4T4R,也就是下行最多支持发射4路数据信号,跟手机做4x4 MIMO,上行则支持4根天线同时接收一路相同的信号,用以增强上行覆盖。

而5G Massive MIMO AAU一般采用192个天线单元,支持64路发射和接收信号,下行可稳定支持24路数据信号同时发送,上行也能同时接收12流号同时接收。

这样一来,即使5G采用跟4G一样的载波带宽和子载波间隔,在Massive MIMO的加持下也能实现小区下行吞吐量5倍的提升!

可以看出,Massive MIMO的射频通道多,天线阵列规模大,复杂度提升,两个模块间的耦合更加紧密,必须把它们硬件上合二为一,再辅以合适的软件算法才能实现良好性能。

因此,在5G主流的Sub6G频段上,支持Massive MIMO的AAU成为了绝对的主流。

并且这种AAU内的天线一般只能支持单个频段,无法提供无源端口来外接其他低频段的RRU,或者说技术难度太大。

比如,3.5GHz的产品就只能工作在这个特定频段上的一小段带宽(100M),想要天线再支持700MHz低频,外接700MHz的RRU来扩展覆盖,是做不到的。

4.A+P,AAU和天线的再一次融合

前面说过,5G的主流频段是2.6GHz,3.5GHz这些频率比较高的频段,能提供100M的超大载波带宽,并通过AAU来提供Massive MIMO技术来支撑5G的高速率。

与此同时,像700MHz这样的低频段,由于频率低带宽窄,虽无法支撑5G高速率,却能提供良好的覆盖,因此也得到了运营商的青睐。

然而较高频段Massive MIMO的AAU没法支持700MHz频段,需要独立的天线才行。这样一来铁塔上的设备就又要增加了,租金增加不说,很有可能压根就没空间放。

于是,业界有人想到了把高频AAU和低频天线拼接起来的办法,管它内部结构如何,反正从外面看是一个大盒子,节省了天面空间,铁塔租金也可以省了。

这种方案就叫做A+P。A代表有源模块,就是其内部需要供电的高频AAU;P代表无源模块,就是包在里面的低频天线。

从上图可以看出,A+P这种产品中间有一个明显的接缝,昭示着它拼凑和痕迹,对自己的出身倒是毫不掩饰。

三、AAU扛起5G的大旗

5G首先部署在城区热点,这些地方一般高楼密布,不但需要覆盖地面,高楼的垂直覆盖也十分重要。

Massive MIMO AAU的大规模天线阵列不但支持水平面的多流发射,还能把波束在垂直面上灵活分布,对高楼的覆盖能力极大增强。

由于发射通道多,可以形成很窄的波束,空分复用的能力更强,把同一份频率和时间资源共享给多个用户。业界最多可以支持下行24路数据流同时发送,相比4G的4x4 MIMO(4流),小区能力提升了5倍。

速率的大幅提升,正是5G部署初期的eMBB业务的全部奥义,让用户直观地感受到了5G带来的畅快淋漓。

正是AAU,扛起了这面5G的大旗。

信息化软件服务网 - 助力数字中国建设 | 责编:夏丽
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