5G 小基站发展规划研究*

徐慧俊，方绍湖，康 冬，李 馨，孙 涛

（京信网络系统股份有限公司，广东 广州 510663）

关键字：5G 小基站；实现路径；发展规划；行业应用

0 引言

4G 网络经历了7 年大规模建设，基站数量达到450 万座，才满足了全网LTE 连续覆盖的需求。而自发放5G 牌照一年半以来，我国建设5G 基站已达70 万座，基本上是室外宏基站，解决的是室外的连续覆盖和室内浅层覆盖。5G 频段相比4G 频段更高、损耗更大，5G 网络要达到4G 网络同样的连续覆盖能力，需要更多的基站数量。加上5G 网络建设和能耗成本更高，在接下来的5G 室内网络建设方面，更具灵活、精准和高性价比优势的小基站被行业寄予厚望。

1 网络建设发展挑战与趋势

1.1 网络容量面临巨大挑战

2017 年三大运营商不限量套餐的相继推出，加速了移动通信网络流量使用的爆发，用户每个月使用的流量成倍增长，2018 年DOU 是4.5GB 左右，2019 年底则达到了9GB。今年受疫情影响，各种在线应用进一步刺激室内容量的需求。此外，更多的高清娱乐视频应用的诞生，使流量的需求持续增长[1]。

1.2 室内覆盖容量亟需提升

用户流量需求持续爆发，但其中80%的流量发生在室内[2]，而这80%的流量却有70%是使用的室外宏基站来承载的，因此继续提升室内网络容量，提升室内网络吸纳用户的能力尤为关键。[1]

1.3 传统室分难以满足5G 需求

5G 室内覆盖存在4T4R、更高频段、可视化运维等需求，这是传统室分无法解决的。虽然短期内Sub-6G 也有利旧传统室分的解决方案，但这仅仅是短期内快速解决5G 覆盖的方法之一，长期来看，传统室分无法支撑5G 的容量问题。[1]

（1）原有的室内分布DAS 系统仅支持800MHz～2700MHz 频段，无法兼容3.5GHz 频段，因此若需支持3.5GHz 频段5G 系统则需要新建5G室内分布系统，这意味着4G 以前的室分投资无法利旧。

（2）原有大部分室内分布DAS 系统仅支持单通道（1T1R），无法实现MIMO 性能，采用原有DAS 系统合路5G 信源接入，小区吞吐容量大打折扣，详见表1。因此，要获取大带宽的吞吐容量，则需要采用多通道的分布系统，但基于原有单通道DAS 系统改造支持多通道需要付出较高的改造成本，同时工程难度也非常大。

表1 通道数与吞吐量之间的关系

1.4 高性价比建网诉求

5G 的能力至少是4G 的十倍以上，基站设备的处理能力也相应需增加十倍以上，这无疑将导致系统的高成本、高功耗，大大增加5G 全覆盖网络建设的投资。但从过去几年的发展情况来看，流量的红利并不会带动运营商收入的显著增长，反而ARPU 值在缓慢下降，这意味着从投资回报角度来看，运营商也急需兼顾性能与成本的更高性价比的建网方式，既要性能好，还要便宜的网络。

1.5 垂直行业应用的需求

不同垂直行业应用都有其自身的需求点，存在碎片化、复杂化的特征，很难用统一的网络部署方式满足所有差异化的客户需求，这对网络和设备均提出了新的需求。

1.5.1 确定性

很多敏感性应用场景（如无人驾驶、智慧医疗等）对大带宽、低时延指标的确定性要求较高，例如，带宽100Mbps 的网络需要保障系统吞吐量每时每刻能够提供100Mbps，时延5ms 的网络需要保障时延指标每时每刻小于5ms。非确定性的网络指标将无法满足敏感性应用场景的应用需求。

1.5.2 安全性

很多行业对安全性的诉求明显高于运营商原来的公用网络，且提出了端到端的全网络安全要求，即要求从终端、基站、核心网到应用平台全链条是安全可信的，甚至要求数据不出厂。

1.5.3 融合性

随着IT 网络与CT 网络的融合，公有云、私有云与网络的融合，需要更加灵活、敏捷、开放的网络，以及融合的服务。比如对于生产环境的改造升级，需要考虑5G 网络如何与已有网络进行融合，以及如何与各种设备进行泛在化组网融合。

1.5.4 经济性

网络建设要求速度快且成本低，以及更低的网络维护和服务成本，最终能够带来生产成本的降低，这是工业互联网从当前的客户导入期转向市场选择期的关键所在。网络是否能够被市场选择，最终还是要看是否能真的带来用户体验的提升，带来工作效率的提升，带来生产力的提升。

2 5G 小基站及实现路径

小基站作为一种毫瓦级、瓦级功率规格，容量更加柔性的基站设备，在解决纵深覆盖、容量覆盖方面更加灵活，同时又更具性价比，因此，5G 时代的建网方式将是“宏基站+小基站”的多元化模式，甚至根据不同的用户容量需求，采用更多精细化的建网方式。小基站的价值优势在5G 室内应用也将迎来突破性的爆发。

2.1 小基站硬件实现路径

当前5G 小基站主要采用x86/ARM 通用平台结合加速卡的方案，各小基站厂家通过自研、定制或外购的方式提供满足企标和行标要求的5G 小基站基带硬件。与此同时，开放数据中心委员会OTII项目组也在制定OTII 服务器规范，明确设计规格、管理和环境适应性等要求，旨在形成面向5G 及边缘计算的深度定制、开放标准、统一规范的服务器技术方案及产品。从技术成熟度、产品商用化程度和产业链成熟度来看，目前x86 平台更具优势。x86 开放平台的设计理念使得其硬件平台可以非常灵活地实现与边缘计算的虚拟化融合部署，也可以与云基础设施硬件共平台，从而达到减少硬件投入，降低建网成本的目的。

目前通用平台基带硬件，从系统规格、功耗、性价比角度来看，更适合于具备一定容量需求的扩展型小基站应用场景。因此对于一体化小基站产品形态，仍建议采用SoC 芯片解决方案。但当前5G SoC 芯片方案还处于起步和发展阶段，功能和性能与主流芯片还存在较大差距，5G 一体化小基站还需要等待上游产业链的成熟。

2.2 小基站软件实现路径

从前传接口切分方案来看，三级架构的5G 扩展型小基站[4]有多种切分方案，如Option8←→Option8、Option7-2←→Option8、Option7-2←→Option7-2。Option8 方案一般采用传统的CPRI 协议，Option7-2 采用eCPRI 协议。目前有多个组织在推进前传接口的标准化，这将大大促进后续5G 小基站的前传解耦与开放。

从系统部署架构来看，5G 小基站与宏基站一样，当前均采取CU/DU 一体化的实现方案。随着5G 网络架构的整体演进，未来5G 小基站也可快速实现软件功能拆分，实现CU/DU 硬件分离。对于基于开放平台的5G 小基站，在CU/DU 分离架构下，更容易实现CU 的云化。

从网络管理来看，5G 小基站将延续4G 小基站南向接口统一的思路，在南向接口规范、南向接口数据配置模型等方面采用统一的标准，这有利于5G 小基站的统一网管，降低小基站网络管理和维护的复杂度，提升网络管理的质量和智能化水平。

2.3 工程场景化适配路径

2.3.1 小基站设计需考虑的工程因素

5G 小基站应用场景复杂多样，不同场景对频段要求、防护要求、供电要求、安装及维护要求都提出了制约条件，因此在5G 小基站设计时应考虑多方面工程因素。

2.3.1.1 频段要求

Sub-6G 频段是无线通信的黄金频段，在无线通信网发展过程中已经分配了大量的频段供2G/3G/4G/5G 等无线通信网使用，目前我国的频段分配情况如表2 所示。

基于通信系统的多样化、无线频段的多样化以及通信网络的未来发展，在进行5G 小基站设计时，应考虑以下两点：

（1）不同频段的共覆盖需求：由上述频段划分可见，每个运营商所属频段差异很大，各频段损耗差异也很大，因此平台设计应保证多模多频段时不同频段信号能共覆盖。

（2）频率重耕需求：目前，较低频段都已分配给2G/3G/4G 使用，随着2G/3G 网络的逐步退出，当前平台设计应考虑未来低频段向5G 系统的频率重耕。

2.3.1.2 防护要求

5G 小基站应用场景非常丰富，不同场景工程环境和条件都不同，因此对小基站设计提出了防护要求。

（1）防水要求：5G 小基站有的用在室外，有的用在地下坑道，有的用在供给水管廊，以及室内空调滴漏，这些都需要做好防水措施。

（2）防尘要求：工厂车间、矿山作业面、道路旁边等小基站安装位置，都存在大量的飞土扬尘，日积月累的沉积污垢会影响设备的散热、连接效果，从而导致网络故障等问题，防尘要求应作为考虑因素之一。

（3）防爆要求：制铝车间、煤矿井道、化工工厂等属于易爆区域，对应用于该类场景的小基站将提出严格的防爆要求。

（4）环路保护要求：小基站部署在生产车间，会存在机械碾压、装修改造、移动频繁等特点，从而容易造成传输路由的中断，而工厂需要严格保证生产的连续性，环路保护也是高可靠运行的基本保障要求。

表2 国内运营商频段分配

2.3.1.3 供电要求

在室内覆盖中，5G 小基站远端数量巨大，且分布在不同的楼层和区间，远端的供电问题也是小基站设计的重要考量因素。

（1）集中供电：由于远端设备过于分散，出于对控制取电点数量和方便计费考虑，需要远端设备集中供电。

（2）安全防护：在室内布线，需考虑鼠咬、短路、串电等安全问题，对供电线路进行安全防护。

（3）不间断供电：对于可靠性要求高的生产车间，需要考虑后备电源，保证不间断供电。

2.3.1.4 安装及维护要求

安装及维护方便性也是小基站设计的重要考虑因素之一，具体要求如下：

（1）安装要求：设备安装需要考虑现有环境的条件，如：空间大小、管道口径和拐弯半径、天花板承重能力、消防隔离等。

（2）维护要求：设备的设计需要考虑后期维护的方便性，如：体积重量、安装高度、上墙及拆卸、接口的联调等。

2.3.2 小基站工程实现路径

综合上述因素，小基站工程实现路径可以分为三类：

2.3.2.1 光纤型分布

如图1 所示是光纤型分布方式，近端将基带电信号转换成数字光信号，通过光缆分布到各个楼层和区域[3]，射频远端将光信号恢复成射频电信号，通过天线发射出去。室内型设备供电方式可采用复合光缆远程集中供电，不需要本地取电。

图1 光纤型分布

该类型方案的特点：

（1）传输速率高：传输带宽可达10Gbps/20Gbps/40Gbps，甚至更高，传输速率高，可支持多频多模大带宽系统信号传输。

（2）拉远距离大：光纤损耗小，拉远距离可达10/20km，满足长距离拉远需求。

（3）施工简单：光缆穿线及架设比较容易，施工相对简单；短距离可采用复合光缆远程供电，长距离一般是就近取电。

2.3.2.2 网线型分布

如图2 所示是网线型分布方式，近端将基带信号转换成数字信号，通过网线分布到各个楼层和区域[3]，射频远端将数字信号恢复成射频模拟信号，通过天线发射出去。网线型分布非常适合采用PoE远程供电，无需本地取电。

图2 网线型分布

该类型方案的特点：

（1）传输速率中等：采用Cat5e 网线传输速率可达1Gbps，采用Cat6A 网线传输速率可达10Gbps，一般只能传输单载波信号。

（2）拉远距离受限：网线损耗较大，拉远距离不超过100 米，因此一般用于室内星型组网。

（3）施工简单：网线施工比较简单，同时支持网线PoE 供电。

2.3.2.3 馈线型分布

如图3 所示是馈线型分布方式，近端将高频信号转换成中频信号（目的是减少损耗），通过馈线分布到各个楼层和区域，射频远端将中频信号恢复成高频信号，通过天线发射出去；馈线支持直流供电，可以为射频远端提供远程供电，在室内多远端组网时可集中供电。

图3 馈线型分布

该类型方案的特点：

（1）传输速率低：馈线是同轴电缆，传输数字信号的速率较低，一般仅是传输模拟信号；馈线支持频率带宽较大（0.5～8800MHz），因此可以支持多频多模信号同时传输。

（2）拉远距离较短：如表3 所示，频率越高馈线损耗越大，因此一般在室内覆盖中，馈线最大拉远距离不会超过300 米。

表3 馈线损耗表

（3）施工较难：馈线口径较大，且对最小弯曲半径有严格要求，同时要保证多路MIMO 平衡需保证路由一致，因此施工难度较大。馈线可支持直流远程供电。

2.4 运维智能化路径

2.4.1 网管云化路径

由于5G 小基站的开放化，软硬件解耦，参与5G 小基站开发的厂家众多，因此推进南向接口标准化、开放化，推进小基站网管系统向云化发展是大势所趋。

（1）统一管理：网管系统部署在统一的云平台上，方便运营商统一管理及维护，新功能也可以通过统一云平台快速升级迭代。

（2）虚拟化部署：运营商具有强大的云平台硬件基础，根据各省各市需求，可以分区分步虚拟化部署；并具有强大的容灾备份功能，提高网管系统的可靠性。

（3）强扩展性：将网管系统部署在云平台上，可以根据网元容量扩展管理能力，在网络扩容时不需要采购和部署新的硬件设备。

2.4.2 网优AI 路径

5G 时代，异构网络将会长期存在；同时同频组网存在干扰问题，需要更加强大的干扰协调功能；5G 小基站的网优参数比以往的网络多很多。如果仍然采用人工的网优方式，将满足不了网络的快速变化和终端的频繁迁移需求，因此，AI 网优将成为网络优化的发展方向。

（1）用户行为的记忆功能：通过以往业务统计，形成大数据模型，以典型人群的活动半径统计形成业务分布模型，从而形成一定周期内按时间顺序记忆下用户行为的典型模型；后期可以根据时间及业务模型快速恢复记忆配置，从而快速满足业务需求。

（2）小区分裂的最小边界训练：未来随着容量需求的增加，势必采用密集组网，但是频率资源有限，密集组网要保证小区间不受干扰；在不同的场景和区域内，建筑和物品的分布不一样，链路损耗模型也不一样，因此可以通过模测训练的方法筛选出最小覆盖边界；从而为后期扩容提供小区分裂模型。

（3）分层分域的立体优化模式：未来的5G 网络将是一个异构的立体网络，分层分域分频将成为主流组网方式，人工的规划无法准确测算立体的覆盖模型和干扰模型，只有通过AI 的辅助才能快速测算出立体解决方案的协同覆盖能力。

3 小基站发展规划建议

3.1 5G 室内分布建设

5G 室内覆盖将比4G 室内覆盖需求更多、密度更大、周期更长，而5G 小基站将成为5G 室内覆盖的主要解决方案；针对5G 室内覆盖，建议5G 小基站向多样化、场景化、多系统方向发展。

3.1.1 5G 小基站多样化发展

5G 建网成本较高，单一的设备形态很难满足多样化的客户需求；而随着参与开发5G 小基站的厂家越来越多，从而激发更多的技术创新，扩大产业生态圈，为客户的多样化需求提供更多的可选方案。

3.1.2 5G 小基站场景化发展

5G 室内覆盖场景非常丰富，不同场景的业务需求、工程条件和重要等级不一样，因此需按场景化规划不同的解决方案，从而更好地适配不同的场景需求。表4 为小基站场景选型参考建议：

表4 场景选型参考

3.1.3 多模小基站发展

如上所述，5G 网络建设是一个很长的过程，在5G 网络没能实现连续覆盖之前，将同时并存4G等网络，因此发展多模小基站是有必要的。

多模小基站可以共用传输线路，从而节省传输成本和施工成本；同时在业务需求不高时休眠高耗能系统，起到节能环保的效果，提高资源利用效率。

3.2 5G+行业应用

5G 网络除了面向公众用户的应用，更多的是赋能千行百业的工业互联网应用；而垂直行业的应用是多样化、个性化和分步建设的，因此面向垂直行业的5G 小基站规划应具有较高的柔性和较强的开放能力。其目标是实现行业原有网络与新增5G网络的深度融合，满足行业各种连接的最优化应用方案，实现行业全流程、全要素的全连接实时数据分析与决策，低成本高性能实现行业智能化应用承载。

3.2.1 5G 小基站的柔性发展

5G 小基站未来发展方向是软硬件解耦，可采用虚拟化部署，可根据企业的业务需求，灵活配置所需资源，从而实现效益的最大化。

3.2.2 5G 小基站的开放发展

面向千变万化的垂直行业应用，对网络能力开放提出了更多的要求；为赋能各行各业的多样化应用，5G 小基站应具有平台化的网络开放能力。

（1）第一是支持云化部署、虚拟化部署，支持与轻量化MEC 的集成[5]，支持基站基础能力以API 接口的开放方式，实现IT 与CT 的深度融合[1]。

（2）第二是接口的开放，泛在化的网络融合。5G 将会以泛在化组网形态存在，实现万物互联[1]。在生态产业链下，会存在多样化的组网形态，如5G 网络、光纤网络、Wi-Fi、蓝牙、UWB 等都将同时共存，并在各自擅长的领域发挥其极致优势。因此，5G 网络需要与泛在物联网络融合，构建一张效益比最优化的5G 泛在化网络，解决传统企业原有网络与5G 网络之间的融合与协同问题[6]。

4 结语

为了应对5G 时代深度覆盖和行业需求的诸多挑战，小基站解决方案相对于4G 时代的需求和重要性会急剧上升。在TO C 市场既有容量覆盖的需求，也有深度覆盖的爆发性需求；在TO B 市场，需要5G 和生产环境完美融合，且满足行业碎片化、个性化的需求，因此网络和产品需要具备开放的能力。小基站作为一种毫瓦级、瓦级功率规格，容量更加柔性的基站设备，在解决纵深覆盖、容量覆盖方面更加灵活、高效；采用开放式、云化架构设计，具有易部署、敏捷、高性价比的特性，更加容易与行业应用深度融合。以降低行业智能化改造成本，提高生产力为目标，5G 小基站将迎来可持续性健康发展的光明前景。