5G 小基站应用场景综述*

张英辉，乔国繁，杨春亮，陈 舒，庄 鹏，张 波

（中移物联网有限公司成都分公司，四川 成都 610041）

0 引言

在4G 网络全面和深度覆盖下，移动互联网得到了空前繁荣的发展，而移动互联网的丰富应用又反过来增加了网络容量需求，为5G 网络的发展和建设提供了现实需求。工信部数据显示，截至2021年2 月底，国内累计建设5G 基站超过70 万个，其中北京、上海、广州以及杭州等城市已经实现了5G网络城区连片覆盖。2019 年12 月，单月5G 用户DoU（Dataflow of Usage，DoU）接近17 GB[1]。2020年12 月底，移动用户手机上网DoU 达到9.4 GB。这些流量有70%以上的业务需求来源于室内[2]，因此室内深度覆盖将成为下一阶段5G 网络建设的重点。5G 小基站在解决5G 网络室内深度覆盖和垂直行业网络需求方面具有高性能、低成本、部署灵活、运维可视化以及升级方便等特点，具有极大潜力和广阔的应用前景。因此，本文在介绍5G 小基站概念和架构的基础上，系统对比分析了5G 小基站与宏基站、传统分布式天线系统的特点，从公网和行业专网方面详细研究了5G 小基站的应用场景，分析了5G 小基站技术发展趋势，为5G 小基站的发展和应用提供了有价值的参考。

1 5G 小基站概念和架构

根据3GPP 规范定义，移动通信基站按照功率分为3 大类，分别为广域基站（宏基站）、中等覆盖范围基站（微基站）和局域基站（皮基站和飞基站），如表1 所示，其中微基站、皮基站和飞基站统称为小基站。本文中所称的小基站特指扩展型皮基站。

表1 移动通信基站分类

5G 小基站由3 级架构组成，包含基带处理单元（Base Band Unit，BBU）、交换机HUB 和射频处理单 元（Remote Radio Unit，RRU）[3]。BBU 实现5G 通信的基带处理，包含层1/层2/层3 的协议栈功能、同步、前传、回传、操作维护、综合管理等功能[3-4]。BBU 也可以进一步分解为分布单元（Distributed Unit，DU）和集中单元（Centralized Unit，CU）。CU 主要负责非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。DU 主要负责物理层功能和具有实时性需求的层2 功能。HUB 作为连接BBU 和RRU的桥梁，实现下行数据分发、上行数据汇聚以及供电远端单元等功能。RRU 实现射频信号的收发功能，包括上行信号的低噪声放大、滤波、采样，下行信号的滤波、放大，中频处理，前传接口等。BBU与HUB 之间通过光纤连接，HUB 与RRU 之间通过网线或光电复合缆连接。在室内应用中，BBU 部署于建筑物中心机房，交换机HUB 部署于建筑物各层弱电井，远端单元RRU 部署于用户的各个房间实现用户覆盖。在BBU 侧可以通过小区合并和分裂，动态满足不同的场景容量需求，也可实现精准定位、故障监控等传统室内分布系统无法处理的新功能。

2 5G 小基站与宏基站、DAS 对比分析

宏基站和传统分布式天线系统（Distributed Antenna System，DAS）是5G 无线网络建设的重要组成部分，与小基站具有功能相似性。5G 宏基站由CU、DU 和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）组成。AAU 通常支持32T32R 或64T64R。宏基站通常安装于室外，用于室外广覆盖和多用户接入，因此宏基站发射功率大、收发通道多、体积大、功耗大，需要专门的站址、供电系统等。DAS 主要由功分器、合路器、耦合器、馈线和天线等无源设备组成。收发通道为单路或双路。DAS 通常安装于室内，用于室内深度覆盖和小区域覆盖，因此DAS发射功率小、收发通道少、成本低，不需要专门的站址。5G 小基站与宏基站、DAS 的详细对比分析如表2 所示。

表2 5G 小基站与宏基站、DAS 对比分析

从表2 可以看出，5G 小基站在收发通道、扩容升级、室内外协同、网络演进、部署施工、可管可控等诸多方面优于DAS，在功耗、质量、体积、建设成本、不要专门站址和机房等方面优于宏基站，因此特别适用于室外建设成本过高的热点地区和盲区以及室内覆盖区域。

3 5G 小基站应用场景

根据5G 小基站容量、覆盖范围、成本等特点，5G 小基站应用场景可分为两大类：第一类为5G 公共移动通信网络；第二类为5G 行业专用网络。

3.1 5G 公共移动通信网络

针对5G 公共移动通信网络，在宏基站提供基础网络覆盖的基础上，5G 小基站在室外和室内都具有现实的应用场景需求。

在室外，5G 小基站的功能主要是实现“吸热”和“补盲”。在流量需求大的高热点地区如体育场馆、交通枢纽、会展中心和高校园区等，由于高密度建设宏基站的成本太高，可以高密度建设成本较低的5G 小基站来满足容量需求，提高覆盖的同时节省投资。在室外覆盖盲区（需要覆盖的区域远远小于宏基站的覆盖区域）建设宏基站会造成投资浪费，但通过建设5G 小基站可满足覆盖需求，同时节约成本投入。

在室内，5G 小基站的功能主要是实现深度覆盖和大容量。室内覆盖的特点是覆盖区域小，且有多种不同类型的墙等隔档物将覆盖区域分割为多块。在4G 时代，室内覆盖的主要解决方案有两种，一是室外覆盖室内（即用室外宏基站的信号穿透建筑物到室内），二是DAS 室内覆盖[1]。进入5G 时代，国内运营商的主力覆盖频段由1.8～2.3 GHz 提升至2.6～4.9 GHz，信号覆盖能力大幅下降。4G 时代的室内覆盖方案存在诸多局限性，具体表现如下。针对室外覆盖室内方案，由于5G 工作频段的上移，室外到室内的穿损增大6～10 dB，导致室外覆盖室内的能力大幅降低，只能做浅层室内覆盖，导致室内的5G 信号质量远远达不到用户覆盖和容量需求。针对DAS 室内覆盖方案，运营商为了充分保护以前的投资，采取利旧方案实现5G 覆盖。但是，DAS 主要存在以下局限。第一，DAS 的无源器件和馈线的频率响应性能无法满足2.7 GHz 以上系统建设要求，即3.5 GHz 及4.9 GHz 频段无法采用DAS方案。第二，对于2.6 GHz，现网4G 已部署的DAS超过90%为单路，导致通信容量难以达到5G 用户的需求（5G 用户终端常规配置2T4R）。为了支持5G 频段和多路特性，需对DAS 进行改造，但改造过程一方面存在器件成本，另一方面施工较为复杂，且灵活性差，同时存在新老支路一致性问题。因此，4G 时代室内覆盖的主要解决方案只能作为5G 建设初期实现快速覆盖的方案，不能解决5G 特有的大容量问题，不能体现5G 网络相对于4G 网络的优势，使后续5G 杀手级特有业务挖掘和发展受到了极大限制。

5G 小基站的应用可以从技术源头解决信号覆盖和容量问题，克服传统室内覆盖方案的局限性。5G 小基站具有收发通道多、网络容量大、部署施工难度小、扩容灵活以及运维可视化等优点，在5G 室内覆盖应用中具有广阔的前景。但是，应用于5G 公共移动通信网络的小基站在满足性能和覆盖等无线网络指标基础上应尽量实现成本最优化，对性能、功耗、体积和可靠性的要求都比较高，对成本较为敏感[3]。

3.2 5G 行业专用网络

5G 具有大带宽、低时延和大连接特性，匹配了智慧工厂、智慧医院、智慧矿山、智慧园区以及智慧港口等垂直行业的信息通信需求。因此，这些垂直行业期望能充分利用这些特性实现行业的数智化转型，降低生产制造成本，提升产业效率。

由于垂直行业众多，其需求碎片化、复杂化，很难用统一的网络部署方式满足所有差异化的客户需求。例如，智慧工厂的关键需求是数据不出厂的安全需求、确定性大带宽低时延需求以及泛在网络融合的需求；智慧医院的关键需求是医疗数据不出院的安全需求、均衡上下行的大带宽需求以及稳定的低时延需求；智慧矿山的关键需求是井下远程高清视频、危险作业面的稳定可靠的无人挖矿、矿井设备运行状态监控、井下人员资产信息的实时定位以及自动化巡检等。不同行业应用的关键需求点的多样性，造成了对设备的成本、性能、功耗、体积以及认证的差异化需求。例如，医疗设备除了常规的电子产品3C 认证外，还需要做医疗器械认证；矿井下设备除了入网认证，还需要做防爆认证、煤安认证等[4]。

面对碎片化、差异化的行业需求，需真正高效、全面、经济地满足其应用场景的所有需求，达到提高生产效率、降低成本的目标。由于宏基站在建设成本和站址灵活性方面不及小基站，而垂直行业应用多在封闭或局部区域环境中，因此小基站将成为5G 行业专用网络建设的主要解决方案，具有经济、快速、灵活的优势。

4 5G 小基站行业发展趋势

5G 小基站虽然有丰富的应用场景，但产业链发展还不均衡。主设备厂商的5G 小基站具备商用能力，但架构和能力较为封闭，架构不够开放，使得产业链非常集中竞争不够充分。能力不够开放，使得垂直行业在应用中业务定制开发不够灵活。因此，行业对5G 小基站的开放需求强烈。开放平台5G 小基站具有接口开放化、硬件白盒化、软件开源化以及网络管理智能化等特征，使得产业链更加丰富、分工更加明确、设备成本更加合理，可构建开放、敏捷、智能、灵活的端到端网络，通过高效快速的产品创新，满足新时期垂直行业客户广泛的数字化应用需求。但是，目前开放平台5G 小基站产业在开放计算平台、加速器芯片、覆盖场景、功能切分以及软硬件解耦等方面还存在诸多问题和挑战，需要全行业产业链各方共同推进才能实现行业繁荣发展，助力社会数字化转型[5]。

5 结语

在5G 时代，随着个人用户和行业用户对大容量、低时延、大连接移动通信需求的增加，单位面积的通信容量、时延和连接要求越来越高。由于传统覆盖方案的局限性，同时综合考虑建设、运营和维护成本，移动运营商只有增加基站密度才能满足需求。小基站在性能、成本、运营和维护等方面为运营商提供了灵活的选择，在室内、室外场景中都具有广阔的应用前景。但是，目前小基站尤其是开放平台小基站产业发展还不均衡，产业多集中在系统集成和整机研发，基础芯片、基础软件可选择的余地较小，导致软硬件架构较单一。同时，小基站在架构、能力、接口等方面的封闭性不利于5G 技术在垂直行业的广泛应用。因此，需要全行业开放合作，共同打造开放、丰富、共赢的产业新生态。