隨著國(guó)內(nèi)5G商用牌照的正式發(fā)放，5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來(lái)了火熱的施工期。北京、上海、成都和深圳等城市都紛紛表示要在年底前建成超過(guò)1萬(wàn)臺(tái)5G基站，預(yù)計(jì)全國(guó)今年5G基站數(shù)量將達(dá)到15萬(wàn)臺(tái)。

移動(dòng)、聯(lián)通和電信三大運(yùn)營(yíng)商今年在5G方面的投入有望超過(guò)400億元。而根據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)70%的5G業(yè)務(wù)將發(fā)生在室內(nèi)，也就是說(shuō)室內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋將非常重要，室內(nèi)信號(hào)的好壞將直接決定5G的業(yè)務(wù)量，這也將是運(yùn)營(yíng)商的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

這也意味著4G時(shí)代，碎片化，市場(chǎng)規(guī)模不大的小基站行業(yè)有望得到發(fā)展。目前采用“宏站+小基站”的組網(wǎng)模式成為5G時(shí)代的共識(shí)。

在宏基站方面，基本上被華為、中興、愛(ài)立信和諾基亞四大設(shè)備供應(yīng)商所把持，而在小基站方面，部分天線、射頻廠家都有望轉(zhuǎn)型專(zhuān)注于提供小基站解決方案，也就是說(shuō)除了傳統(tǒng)的華為、中興、愛(ài)立信和諾基亞等真正體量化的廠家外，其他中小企業(yè)也有望切入，未來(lái)5G基站廠家將會(huì)是百家爭(zhēng)鳴的局面。

雖然都可以做，由于5G將會(huì)引入毫米波頻段，基站的建設(shè)也將面臨許多新的挑戰(zhàn)，那具體有哪些呢?在8月22日中國(guó)(深圳)集成電路峰會(huì)上，北京無(wú)極芯動(dòng)科技有限公司董事長(zhǎng)兼首席科學(xué)家，海南大學(xué)劉大可教授分享了5G基站集成電路面臨的挑戰(zhàn)問(wèn)題。

基站的分類(lèi)

基站是接入終端與核心網(wǎng)絡(luò)之間的接入網(wǎng)，根據(jù)3GPP制定的規(guī)則，無(wú)線基站按照功率劃分位四大類(lèi)：宏基站、微基站、皮基站和飛基站。其中，

宏基站是架設(shè)在鐵塔之上的基站，這種基站體型很大，承載的用戶數(shù)量很大，覆蓋面積很廣，一般都能達(dá)到數(shù)十公里。鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就考慮到了載荷，分為自立式塔式結(jié)構(gòu)和拉線式結(jié)構(gòu)。

表1：基站分類(lèi)。

微基站：微基站就是微型化的基站，通常指在樓宇中或密集區(qū)安裝的小型基站，這種基站的體積小、覆蓋面積小，承載的用戶量比較低。由于室外條件惡劣，這種基站的可靠性不如宏基站，維護(hù)起來(lái)比較困難。

皮基站：相較于宏基站和微基站，皮基站的單載波發(fā)射功率和覆蓋能力進(jìn)一步減小，是比微基站更小型的基站。

飛基站：飛基站是四種基站中最為小型的基站，飛基站是為家庭基站使用，由家庭寬帶接入。

此外，按照設(shè)備形態(tài)，基站主要分為一體化基站和分布式基站。一體化基站和分布式基站的主要區(qū)別是，一體化基站分為基帶處理單元(BBU)、射頻處理單元(RRU)和天饋系統(tǒng)三部分，而分布式基站通常指小型RRU，需要連接BBU才能正常使用。

表2：按照設(shè)備形態(tài)分類(lèi)的小基站。

就目前來(lái)說(shuō)，宏基站現(xiàn)在還不包括毫米波頻段，因?yàn)楝F(xiàn)在宏基站的毫米波還沒(méi)有定義。而微基站分為室外微基站和室內(nèi)微基站。

室外的微基站基本上就是宏基站的縮減版，使用的基本也是宏基站的芯片和解決方案。但室內(nèi)分布式微基站跟宏基站完全不一樣，因?yàn)樗荒苁褂煤昊镜男酒徒鉀Q方案。

射頻集成電路的挑戰(zhàn)

基站其實(shí)是將不同的功能分成若干層，在不同層里面就有各種各樣的狀態(tài)機(jī)，這些不同的狀態(tài)機(jī)就組成了一個(gè)基站系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。從這個(gè)基站系統(tǒng)中可以看到，集成電路的設(shè)計(jì)不那么容易，因?yàn)樗嫒?、3、4、5G的RRU內(nèi)的集成電路，包括射頻、混合和數(shù)字(含前傳CPRI/eCPRI、定時(shí))等。還要兼容2、3、4、5G的BBU內(nèi)的集成電路，包括物理層和協(xié)議層。

圖1：劉大可教授在解釋基站系統(tǒng)的功能分解。

對(duì)于RRU射頻集成電路來(lái)說(shuō)，看起來(lái)跟手機(jī)用的射頻集成電路沒(méi)有區(qū)別，架構(gòu)都基本類(lèi)似。其實(shí)如果是幾兆帶寬的話，用超外差是很容易實(shí)現(xiàn)的，但如果是到了100M帶寬以上的話，情況就完全不一樣了。如果加上毫米波的話，就會(huì)更加困難。因?yàn)橐话愫撩撞ㄓ幸粋€(gè)微波前端，一般來(lái)說(shuō)微波前端是一個(gè)超外差機(jī)，中頻是Sub6GHz的射頻，這樣就會(huì)有兩套中頻系統(tǒng)，也就是說(shuō)會(huì)有兩套低噪放，兩套混合器，一套混合器最少增加3dB噪聲兩套混合器下里，噪聲處理就會(huì)是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。

圖2：RRU射頻集成電路構(gòu)成。

具體來(lái)說(shuō)，Sub6G和毫米波射頻收發(fā)機(jī)的面臨的共同挑戰(zhàn)有：

超大寬帶的帶內(nèi)噪聲問(wèn)題、帶內(nèi)平坦幅度與均衡延遲設(shè)計(jì);

帶內(nèi)多天線之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)幅度相位的一致性問(wèn)題;

多天線幅度/相位的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)問(wèn)題。因?yàn)樘炀€被封裝，毫米波器件商無(wú)射頻測(cè)試端子。使用OTA輻射測(cè)試方法來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的、EMC的設(shè)備特性分析的測(cè)試系統(tǒng)，成為5G毫米波測(cè)試測(cè)量的新希望和新挑戰(zhàn);

Armstrong架構(gòu)的挑戰(zhàn)，(LO與MIX的jitter問(wèn)題)，劉大可教授認(rèn)為我們目前在追求一個(gè)不用超外差的毫米波接收機(jī)，因?yàn)槌獠詈撩撞ń邮諜C(jī)目前全世界沒(méi)有一家做好的，ADI和TI也沒(méi)有相應(yīng)的解決方案。

可以說(shuō)現(xiàn)在大家都在期待一個(gè)不需要用超外差的毫米波接收機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)，也有人在考慮無(wú)線光通信系統(tǒng)，但由于其上行問(wèn)題沒(méi)有解決，目前還取代不了微波系統(tǒng)。

混合電路的挑戰(zhàn)

在RRU混合電路中，數(shù)字預(yù)失真(DPD)系統(tǒng)是相當(dāng)重要的一個(gè)存在。數(shù)字預(yù)失真(DPD)是目前無(wú)線通信系統(tǒng)中最基本的構(gòu)建塊之一。其用于提高功率放大器的效率。通過(guò)減少功率放大器在其非線性區(qū)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的失真，功率放大器的效率可得到大幅提升。不使用CFR或DPD算法的無(wú)線基站通常效率較低，因此運(yùn)營(yíng)和資金設(shè)備成本也較高。一個(gè)輸出WCDMA波形的典型AB類(lèi)LDMOS功率放大器的效率約為8%~15%。利用CFR和DPD算法，效率可提升至30%~40%，從而大幅降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的資本支出和運(yùn)營(yíng)支出。

圖3：RRU混合集成電路趨勢(shì)。

在RRU數(shù)字集成電路部分，不論是宏基站還是微基站都面臨著同樣的挑戰(zhàn)。

首先是宏站還是微站都有各自的低功耗和低延遲需求問(wèn)題。就應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，有122.88Msps，option8、option7-1和Option7-2;運(yùn)算量方面，宏站要做到16天線，8TOPS的運(yùn)算量;微站也要做到4天線，2TOPS的運(yùn)算量;在數(shù)據(jù)搬移量方面，宏站要做到16天線，160gbps的數(shù)據(jù)搬移量;微站也要做到4天線，40gbps的數(shù)據(jù)搬移量。

另外，還要支持多帶寬多速率適配、支持BBU處理256QAM;支持多種RRU和BBU分解的option;支持授時(shí)、同步、時(shí)鐘源、特別是TD的同步、多天線同步;支持兼容各CPRI/Ecpri/xDSL/PON和SerDes的聯(lián)合設(shè)計(jì);支持各模擬IC廠家的JESD204B/C和SerDes的聯(lián)合設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，各個(gè)廠商基本都只有宏基站的解決方案，因?yàn)樗麄兪遣还芄牡模?0W，50W都沒(méi)問(wèn)題。但是微站的射頻頭是不能帶風(fēng)扇的，也就是說(shuō)要4W以下，而4W以下的解決方案，現(xiàn)在全世界都還沒(méi)有，大家都在努力。

還有5G基站需要用到的DPD，它要求200M帶寬，五次諧波，和1GHz左右頻率，以及16天左右的長(zhǎng)記憶功能，這樣的DPD系統(tǒng)是非常難做的。目前全世界還沒(méi)有廠商做出相應(yīng)的解決方案。雖然之前ADI宣稱(chēng)有相應(yīng)的解決方案，但其Release日期延遲多次了，都沒(méi)有推出其正式解決方案。

BBU基帶集成電路的挑戰(zhàn)

BBU基帶集成電路分為上行和下行部分，目前總共有5種實(shí)現(xiàn)方式。分別為通用處理器、向量處理器、專(zhuān)用處理器、專(zhuān)用集成電路和FPGA實(shí)現(xiàn)方式。

圖4：基帶集成電路概述。

現(xiàn)在各家廠商基本都是在用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn);也有用向量處理器實(shí)現(xiàn)的，比如華為、中興和愛(ài)立信;使用專(zhuān)用處理器實(shí)現(xiàn)的廠商目前還比較少，劉大可教授所在的北京無(wú)極芯動(dòng)科技有限公司就在開(kāi)發(fā)專(zhuān)用處理器解決方案。當(dāng)然，這5種實(shí)現(xiàn)方式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)見(jiàn)圖5所示。

圖5：BBU集成電路5種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

此外，還有協(xié)議棧集成電路的挑戰(zhàn)，不過(guò)這個(gè)挑戰(zhàn)目前來(lái)說(shuō)不是很大，比較容易解決。

結(jié)語(yǔ)

可以說(shuō)今年是5G的應(yīng)用元年，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明年可能才會(huì)正式開(kāi)始，早期應(yīng)該先鋪設(shè)宏基站，但隨著部分區(qū)域宏基站建設(shè)基本完成，高頻段逐步投入使用，小基站的建設(shè)也將逐步啟動(dòng)。這對(duì)切入小基站業(yè)務(wù)的中小企業(yè)來(lái)說(shuō)是一次不容錯(cuò)過(guò)的好機(jī)會(huì)。