3GPP关于5G若干技术规范辑录（四）：基站射频设备规范

钟 旻

0 引言

在3GPP关于5G若干技术规范辑录（一）中已明确，接入网中的gNB的物理实体就是基站（BS），用于提供5G空口协议功能，支持与用户设备、核心网之间的通信（图1）。

图1 基站的作用

基站一般由基带单元（BBU）、射频单元（RU）和天线三个部分组成。基带信号是代表文字、语音、图像、视频、数据等原本信息的电信号，其所占频带称为基带。在5G通信中，BBU负责基带信号传输和交换等协议处理，包括用户面（UP）及控制面（CP）协议处理功能，并提供与核心网之间的回传接口（NG接口）以及基站间互连接口（Xn接口）。射频单元中的发送链路，是将基带信号通过调制成为为射频信号，经发射机送到天线向空间发射；射频单元中的接收链路，是将天线接收到的射频信号经接收机解调还原成基带信号，送给基带单元处理。之前基站的BBU、RU和天线都是“绑”在一起的，为了提高适应性和灵活性，将BBU安放在机房内，再将RU拉远到靠近天线成为“拉远射频单元”（又称远端射频单元）（RRU），如图2(a)所示。进一步，众多的BBU可集中起来，构成“BBU池”，分别与多个基站天线相连（图2(b)）。

图2 (a) 基站BBU、RRU和天线连接架构 图2(b) “BBU池”与多基站天线的连接（图来源：网络）

为了容纳更多的用户和业务，5G引入了“多入多出”（MIMO）技术，采用多个阵元组成的阵列天线，射频部分也相应采用收发信机阵列，通过无线分布网络（RDN）将二者连接起来。再进一步采用有源阵列天线，即一个天线阵元与一射频电路（收或发）结合组成有源阵元，再进而构成阵列，记作AAU。如图3所示。

图3 有源天线阵列 （图来源：网络）

1 基站的基本类型

1.1 按技术分类的基站

1.1.1 1-C型基站

这是一种“单发、单收”型基站，“1”表示工作频率范围规定为“FR1”（说明见后），“C”表示“传导”（Conduct），即参考面端口是传导（“有线”连接）型的。如图4(a)、图4(b)所示，对于常态运作下构成的完整收发信机基站，其技术性能要求参考点为天线连接器（A端口）。若使用某些外加装置，如放大器、滤波器或此二者的组合时，其技术要求参考点为远端天线连接器（B端口）。

图4 (a) 1-C型基站发射机接口

图4 (b) 1-C型基站接收机接口

1.1.2 1-H型基站

这是一种“多发、多收”型基站，“1”表示工作频率范围规定为“FR1”，“H”表示“混合”（Hybrid），即参考面端口有传导型和辐射型两种。如图5所示，其技术性能要求由两个参考点定义，分别用辐射要求和传导要求表示。无线分布网络（RDN）也就是射频分发网络，即收发信机单元输出通过该网络连接到天线阵列，以形成天线多波束。

图5 1-H型基站要求由传导和辐射两个接口边界定义

1.1.3 1-O型和2-O型基站

如图6所示，其中，“1”射频范围为FR1；“2”表示射频范围为FR2。这两种基站的辐射特性由通过空气（Over The Air，OTA）的辐射来定义，即命名中的“O”，其间工作频带规定的辐射接口参考作为辐射接口边界（RIB）。辐射要求也即OTA要求。空间特性中OTA要求用于每一要求的详细说明。

图6 1-O型和2-O型基站的辐射参考点

对于1-O型基站的收发信机单元阵列，至少有8个发射机单元和接收机单元。它们能够并行地发、收独立的已调码元流。

与1-H型基站的示意图相比，1-O或2-O型基站同样包含了收发信单元阵列（TRXUA）、射频分发网络（RDN）以及天线阵列（AA）这三个模块，但它们已经紧密融合成了一个不可分割的整体，并没有定义任何的内部接口。因此，这种类型的设备就只能定义空口信号辐射（OTA）指标，FR1和FR2这两个频段都有可能有这样的设备，因此，用1-O或2-O型基站这个名称是很贴切的。对于毫米波FR2，只有2-O型基站这一种类型。

1.2 5G基站的分级

典型的5G蜂窝通信覆盖如图7所示，一个宏小区（Marco Cell）包含有若干个微小区（Micro Cell）和微微小区（Pico Cell），分别架设不同级别的基站。用于宏小区的基站称为宏站，微小区和微微小区的基站称为小站。

图7 典型的5G蜂窝通信覆盖示意图

因此，按覆盖范围划分，5G的基站分为广域基站，中等距离基站和局域基站。

1.2.1 1-O、2-O型基站的划分

广域基站又称为宏站，即在宏小区（Marco Cell）中，基站到用户沿地面的覆盖最小距离为35 m；中距离基站又称为小站，即在微小区（Micro Cell）中，基站到用户沿地面的覆盖最小距离为5 m；局域基站，即在皮小区（Pico Cell）中，基站到用户沿地面的覆盖最小距离为2 m。

1.2.2 1-C和1-H型基站的划分

广域基站又称为宏站，即在宏小区（Marco Cell）中，基站到用户最小耦合损耗等于70 dB；中距离基站又称为小站，即在微小区（Micro Cell）中，基站到用户最小耦合损耗等于53 dB；局域基站，即在皮小区（Pico Cell）中，基站到用户最小耦合损耗等于45 dB。

（注：在电子学中，耦合指从一个电路部分到另一个电路部分的能量传递。例如，通过电导性耦合（Conductivecoupling），能量从一个电压源传播到负载上。5G中最小耦合损耗（Minimum Coupling Loss，MCL）定义了基站和手机之间最小的耦合损耗，该损耗是基站天线连接器与UE天线连接器之间的最小路径损耗，单位为dB，用MCL表示，MCL过小则会导致系统的上行噪声上升，从而影响网络的性能。因此，应该通过合理的方案设计，以保证系统的路径损耗和天线至最近终端间的空间损耗之和大于允许的最小耦合损耗。）

小基站与宏基站的主要区别如下。

（1）安装环境。5G宏基站需要标准化铁塔、抱杆、机房，主要由运营商向铁塔公司租用；5G小基站不需机房、不需占用点，可以灵活抱杆安装或挂墙安装。

（2）配电。5G宏基站需要配备专用UPS或开关电源供直流电；5G小基站一般使用民用交流电。

（3）传输。5G宏基站由光缆或者微波接入核心网；5G小基站支持自组织IP网接入核心网，支持流量本地卸载，大大减轻传输与核心网负担，减少扩容压力。

（4）安装部署。5G宏基站需要专业的通信施工单位按照国家标准进行安装、开通；5G小基站在极端情况下可以由用户自行安装、开通。

（5）建设成本。5G宏基站单扇区成本为5万元左右，机房配套成本为数十万元或更高；5G小基站单扇区成本数千元，几乎无配套成本，总体造价低于传统DAS，可充分利用现有传输资源、站址资源、供电，支持快速实现网络部署。

（6）设备功率。5G宏基站多为64通道×200 W；5G小基站主要为4通道×1 W或4通道×125 mW。

应对全球气候变化是人类共同的责任，我们必须增强适应气候能力，从减灾走向低碳经济，增强区域间合作和政府政策的协调，加强关于气候变化有关问题更多的研究，把全球气候变化带来的经济方面的危机变成经济未来发展的机遇，努力缓解全球气候变暖问题，促进可持续发展。

（7）设备模式。5G宏基站的基带、射频、天线高度集成，单扇区总质量为50 kg左右；5G小基站的基带、射频、天线同样高度集成，但单扇区总质量最低仅为0.5 kg左右。

（8）网络规划与优化。5G宏基站需要设计院规划选址，也需要专业优化队伍进行网络优化；5G小基站可由用户自行决定部署位置，支持自动开站、自动优化，能有效降低运维成本。

为保证5G的无缝覆盖，将建设大量的宏基站，但仍不能满足需求，这样对小站的需求量（包括中距离站和局域站）将更大，本文最后附录给出了一些小站产品的介绍，供参考。

2 性能要求

对5G基站射频的性能要求列于表1中。表中所提出的一些要求仅在一定的范围中（局域或区域）使用，或者是作为任选，或者作为必须的要求，由使用的局域或区域确定。

表1 5G基站射频性能的要求设定适用范围

（续上表）

表1要求设定中的数字是规范中所列的条款，分别对左边的各项要求给出了定义，包括物理释义与定量指标。有兴趣的读者可阅读该文件（3GPP TS 38.104 V16.5.0）。

3 工作频带和信道排列

3.1 已确定5G的射频范围

已确定5G的射频范围如表2所示。

表2 已确定5G的射频范围

3.2 工作频带

表3、表4给出了5G的工作频带。窄带互物联网使用的频带为表3中的n1，n2，n3，n5，n7，n8，n12，n14，n18，n20，n25，n26，n28，n41，n65，n66，n70，n71，n74，n90。

表3 FR1中5G的工作频带

表4 FR2中5G的工作频带

n34 2010-2025 MHz 2010-2025 MHz TDD n38 2570-2620 MHz 2570-2620 MHz TDD n39 1880-1920 MHz 1880-1920 MHz TDD n40 2300-2400 MHz 2300-2400 MHz TDD n41 2496- 2690 MHz 2496- 2690 MHz TDD n46 5150-5925 MHz 5150-5925 MHz TDD3 n48 3550-3700 MHz 3550-3700 MHz TDD n50 1432-1517 MHz 1432-1517 MHz TDD n51 1427-1432 MHz 1427-1432 MHz TDD n53 2483.5-2495 MHz 2483.5-2495 MHz TDD n65 1920-2010 MHz 2110-2200 MHz FDD n66 1710-1780 MHz 2110-2200 MHz FDD n70 1695-1710 MHz 1995-2020 MHz FDD n71 663-698 MHz 617-652 MHz FDD n74 1427-1470 MHz 1475-1518 MHz FDD n75 无 1432-1517 MHz SDL n76 无 1427-1432 MHz SDL n77 3300-4200 MHz 3300-4200 MHz FDD n78 3300-3800 MHz 3300-3800 MHz FDD n79 4400-5000 MHz 4400-5000 MHz FDD n80 1710-1785 MHz 无 SUL n81 880-915 MHz 无 SUL n82 832-862 MHz 无 SUL n83 703-748 MHz 无 SUL n84 1920-1980 MHz 无 SUL n86 1710-1780 MHz 无 SUL n89 824-849 MHz 无 SUL n90 2496-2690 MHz 2496-2690 MHz TDD n91 832-862 MHz 1427-1432 MHz FDD2 n92 832-862 MHz 1432-1517 MHz FDD2 n93 880-915 MHz 1427-1432 MHz FDD2 n94 880-915 MHz 1432-1517 MHz FDD2 n951 2010-2025 MHz 无 SUL n964 5925-7125 MHz 5925-7125 MHz TDD3

（窄带物联网（Narrow Band Internet，NB-IoT）是万物互联网的一个重要分支，经3GPP通过，成为低功耗广域的标准，是一种为物联网设计的窄带射频技术，以室内覆盖、低成本、低功耗和广域连接为特点。）

注2 可变的双工运作，不能由网络动态变化双工的设置，只用于在频带任何有效的频率范围内，独立地支持上行链路（UL）和下行链路（DL）频率范围。

注3 该频带限于与共享频谱信道接入。

注4 该频带限于美国使用。

表3、表4中，TDD为时分双工，FDD为频分双工，SUL为增扩（补充）的上行链路，SDL为增扩的下行链路。

3.3 基站的信道带宽

3.3.1 概述

（这里的信道是指射频信道，其意义是承载特定无线电信号的一段指定的射频频谱。）在5G中，基站信道带宽支持基站的上行链路或下行链路的单个射频载波，可支持不同的用户（UE）信道带宽，用于发送或接收来自连接到基站具有相同的频谱的UE。UE信道带宽的布局是灵活的，但只能完全在基站信道带宽之内。基站能发射和/或接收来自一个或更多用户带宽的一部分，这一部分带宽小于或等于射频载波的资源块数。基站信道带宽、保护频带和传输带宽构成的关系如图8所示。

图8 基站信道带宽、保护频带和传输带宽构成的关系

3.3.2 传输带宽的设置

用于每一基站的信道带宽和子载波间隔（SCS）的传输带宽NRB设置如表5、表6所示。

表5 使用FR1的传输带宽设置

表6 使用FR2的传输带宽设置

3.3.3 最小保护频带的传输带宽的设置

为了避免基站相邻载波靠边缘处信号之间相互干扰，两相邻载波间须留出一定的频率间隔，作为保护频带，3GPP规定的最小保护频带如表7、8所列。

表7 最小保护频带（kHz）（FR1）

表8 最小保护频带（kHz）（FR2）

此外，对于FR2增扩（补充）的子载波间隔为240 kHz的物理广播信道（SS/PBCH)，对应于带宽为100 MHz、200 MHz、400 MHz的最小保护频带也做了规定。

3.3.4 每个工作频带的基站信道带宽

这里的规定用于基站带宽，子载波间隔（SCS）和工作频带的配合，为使读者理解，摘取频带n1～n3和n257～n58作为例子，如表9、10所列。

表9 FR1中工作频带的基站带宽和SCS

表10 FR2中工作频带的基站带宽和SCS

3.3.5 载波聚合

载波聚合就是载波空间的排队、交叉、重叠，从而提高载波空间的利用率，载波的利用率提高了，以支持宽带高数据速率的传输。在载波聚合中，它可以将多个载波聚合成一个更宽的频谱，同时也可以把一些不连续的频谱碎片聚合到一起。

3.3.5.1 频带内连续的载波聚合

在频带内连续的载波聚合中，基站的信道带宽配置如图9所示。

图9 频带内连续载波聚合基站信道带宽配置

这里，聚合的基站信道带宽为

3.3.5.2 频带内不连续的载波聚合

在频带内不连续的载波聚合中，基站的信道带宽配置如图10所示。

图10 频带内不连续载波聚合基站信道带宽配置

3.4 信道排列

3.4.1 信道间隔

3.4.1.1 用于相邻新无线（NR）载波的信道间隔

载波之间的间隔取决于所部署的场景，可供利用的频率块的大小，以及基站的信道带宽。

⊙ 对于具有100 kHz信道栅格的NR FR1的工作频带，额定信道间隔＝(BWChannel(1)+ BWChannel(2))/2。

⊙ 对于具有15 kHz信道栅格的NR FR1的工作频带，额定信道间隔＝(BWChannel(1)+ BWChannel(2))/2 + {-5 kHz, 0 kHz, 5 kHz}。

⊙ 对于具有30 kHz信道栅格的NR FR1的工作频带，额定信道间隔＝(BWChannel(1)+ BWChannel(2))/2 + {-10 kHz, 0 kHz, 10 kHz}。

⊙ 对于具有60 kHz信道栅格的NR FR2的工作频带，额定信道间隔＝(BWChannel(1)+ BWChannel(2))/2 +{-20 kHz, 0 kHz, 20 kHz}。

⊙ 对于具有120 kHz信道栅格的NR FR2的工作频带，额定信道间隔＝(BWChannel(1)+ BWChannel(2))/2 +{-40 kHz, 0 kHz, 40 kHz}。

式中，(BWChannel(1)、BWChannel(2))分别为第1、2信道的带宽。

3.4.1.2 频带内连续的载波聚合

在3GPP TS 38.104 V16.5.0中也做了相应的规定。

3.4.2 信道栅格

3.4.2.1 NR-绝对射频信道号码（NR-ARFCN）和信道栅格

全局频率栅格定义了一组射频（RF）参考频率，用于在信令中识别RF信道，扩充（补充）业务和其他元素的位置。全局频率栅格对0~100 GHz都做了规定。其“颗粒度”表为ΔFGlobal。RF参考频率使用一NR绝对射频信道号码（NR-ARFCN）在[0…3279165]范围内通过全局频率栅格设定。NR-ARFCN与RF参考频率FREF（单位MHz）之间的关系为

式中，FREF-Offs和NRef-Offs由表11给出，而NREF则是NRARFCN。

表11 用于全局频率栅格的NR-ARFCN

另外，信道栅格规定了一个RF参考频率子集，用以识别在上、下行链路中RF信道的位置。RF参考频率用于一RF信道通过载波映射到资源块。

3.4.2.2 用于每个工作频带的信道栅格集

4 对基站发射机功率、接收机灵敏度的要求

在表1中，列出了对各类基站收发信机的性能要求，下面给出的是对基站发射机功率、接收机灵敏度的要求，这是最基本、最重要的指标。

在之前的5G讲座中（参见《数字通信世界》2018年11期）已说明，在接收端接收到的信号质量取决于信噪比：

式（3）用分贝表示时为

可见，当其他参数一定时，信噪比与发射功率成正比。发射机功率越大，传输信号的能力越强；当接收机接收灵敏度一定时，发射信号可获得更远的传输距离；当传输距离相同时，可传送更高速率的信号，等等。关于接收机灵敏度按照Rec.ITU-R SM.331-4建议书，接收机灵敏度的定义是：接收弱信号并输出强度合适和质量可接受的能力度量。质量可接受的能力在数字通信中通常是指，误码率的下限（不能再坏的差错率）所对应的信噪比，进而给出相应的信号功率。因此，灵敏度越高，接收微弱信号的能力越强；对于相同的通信距离，所需的发射功率越小，或发射功率一定时，通信距离越远，或通信距离一定时，可传输的信号速率越高，也即吞吐量越大，等等。接收机灵敏度通常用参考面上接收到的功率电平（dBm）定义。在5G通信网络中，直接将接收机灵敏度与吞吐量挂钩，即设备能接收的最大数据速率所需要的接收功率。由于噪声功率与带宽成正比，当信道带宽增加时，信号功率也应相应增加，也即接收灵敏度功率电平增加。另外，吞吐量与信号的调制、编码方式有关，因此，不同的信道带宽和调制编码方式，接收灵敏度是不同的。

4.1 发射机的额定功率

3GPP对各型基站的射频额定功率的规定如表12、表13和表14所列。

表12 1-C型各级基站额定输出功率限制

表13 1-H型各级基站额定输出功率限制

表14 1-C型各级基站额定输出功率限制

如前所述，1-H基站参考面端口有传导型和辐射型两种，相对应的额定输出功率分别为Prated.c.TABC和Prated.c.sys。

4.2 接收机的参考灵敏度功率电平（PREFSENS）

4.2.1 1-C和1-H型基站的最小要求

对于1-C型基站，是在天线连接器接收到的最小平均功率；对于1-H型基站，是TAB连接器接收到的最小平均功率。所有用于规定的参考测量信道应满足要求。各级别基站的要求如表15～表17所示。

表15 广域基站参考灵敏度电平

表16 中距离基站参考灵敏度电平

表17 局域基站参考灵敏度电平

3GPP TS 38.104 V16.5.0还规定了中距离基站采用频段n46（5 150～5 925 MHz）、广域站采用n46、n96（5 925～7 125 MHz）频段参考灵敏度电平。

5 结束语

功率与频率是无线通信最基本、最必要的资源，本讲座辑录了3GPP TS 38.104 V16.5.0关于基站的频带分配、收发设备的发射功率和接收灵敏度指标要求。除此之外，为了保证通信质量，还有一套完整的指标体系（见本讲座），有兴趣的读者可参阅原文件。

附录：若干5G小基站的介绍

（1）华为Lampsite。华为在2018年发布了5G LampSite室内小站产品，包括BBU、RHUB和pRRU三层架构，其中，RHUB主要负责CPRI数据处理和提供高速接口，连接BBU和多个pRRU，并支持RHUB级联；pRRU（pico Remote Radio Unit）为射频拉远单元，主要负责射频信号处理。

图片来源：华为

2020年，华为5G LampSite升级，推出了支持更大带宽（200~300MHz）的第二代5G LampSite产品，还针对低话务场景推出了轻量化的5G LightSite，针对行业场景推出了LampSite EE（Enterprise Edition）产品。

随后，华为将室外Massive MIMO技术与室内LampSite产品融合，可成倍提升室内容量。

（2）中兴Qcell。中兴5G Qcell由BBU、pBridge、picoRRU三部分组成，支持100 MHz至300 MHz大带宽，可满足5G时代的室内大带宽、多业务需求，也可针对不同场景深度定制差异化的部署方案。

图片来源：中兴

其中，pBridge支持多级级联，picoRRU支持Cat-6a网线或光电复合缆一体化轻型线缆连接，还可将多个pico RRU合并成一个超级小区，利于减少切换和干扰，以及灵活调度无线资源。

面对容量和覆盖均需求不高，对于需要的picoRRU数量较少的场景，中兴还推出了无须pBridge，BBU直连picoRRU的方案，成本也大幅降低。

（3）爱立信RDS。2018年巴展前，爱立信宣布于2019年推出支持5G NR的室内小站解决方案Radio Dot System，指出由于5G NR采用更高频段，传统无源室分面临馈线传输损耗大、向多MIMO演进存在扩容困难等挑战，而有源室分面临产品复杂度高、无法利旧老设备等问题，认为Small Cells是“The next big thing”。

图片来源：爱立信

爱立信Radio Dot System也是三级架构，包括基带单元DU、IRU（Indoor Radio Unit）和天线部分Radio Dot。Radio Dot与IRU之间支持Cat-6a网线，IRU与DU之间采用光纤连接。RDS还是爱立信5G私网产品之一，目前已在海外一些5G专频专网中部署，比如德国博世的5G私网就采用了RDS。

（4）诺基亚ASiR。诺基亚AirScale indooR（ASiR）系统主要由数字基带、Smart HUB和p-RRH三部分组成，p-RRH同样支持Cat-6a网线和POE供电，整套产品小巧而隐蔽，可在公共室内和企业场景中快速、轻松地完成部署。

图片来源：诺基亚

诺基亚表示，该系统外观小巧、配置灵活、支持小区合并和分裂、易于扩展升级，且能远程可管可控，是替代复杂而昂贵的传统室分系统的理想解决方案。

（5）中国信科Pico。中国信科已发布用于室内覆盖的4TR Pico产品，还面向酒店、宾馆、商超等场景开发了PinLight 4G/5G双模数字化室分解决方案。PinLight方案主要由基带单元、多端口汇聚单元和远端单元组成。

（6）京信5G云小站。京信5G云小站组网架构包括5G主机单元（AU）、5G扩展单元（SW）和5G远端单元（DP）三部分。

图片来源：京信

其中，AU采用通用服务器，支持软硬件解耦，支持云化、虚拟化部署，可通过通用硬件和开放架构实现灵活、按需定制化部署；SW负责下行数据分发和上行数据汇聚，并通过光电混合缆给DP远程供电；DP负责射频收发功能。

（7）新华三5G云化小基站。新华三推出的5G云化小基站由基带处理单元（BBU）、扩展单元（FSW）和远端射频单元（pRRU）组成。扩展单元支持级联，并连接多个远端射频单元。扩展单元和BBU之间通过光纤连接，扩展单元与射频单元之间通过光电混合缆连接。

图片来源：新华三

与京信5G云小站相似，该方案采用开放理念、云化设计，以通用服务器作为BBU硬件，支持容器化、云化部署，支持与UPF、MEC共部署，可定制化满足多样化的室内覆盖场景。

（8）锐捷网络5G云小站。锐捷网络在2019年发布了基于X86+FGPA架构的5G数字室分小站解决方案，可灵活经济地满足室内场景部署。该方案主要由皮站主机（BBU）、扩展单元（pHUB）、远端单元（pRRU）三部分组成，并支持BBU、pHUB、轻量核心网、UPF等一体化交付。

图片来源：锐捷网络

（9）佰才邦5G扩展型小基站。佰才邦5G扩展型小基站包括5G BBU、rHUB和pRRU三部分，也基于开放平台和软硬件解耦设计，可通过软件实现小区合并和分裂，具有灵活、经济特点。

图片来源：佰才邦