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蜂窝网络互连件的发展——从4G LTE eNodeB到5G gNB
材料来源:《微波杂志》2021年3/4月号            录入时间:2021/4/2 16:07:38

Cellular Network Interconnects: From the 4G LTE eNodeB to the 5G gNB

Pasternack

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蜂窝技术的发展要求同轴互连技术与时俱进。本文探讨了4G/5G基站的发展和部署情况,并分别对其回传架构及互连件加以讨论。

蜂窝信号塔的回传/中传/前传架构已发生巨大变化,早期的2G/3G基站配置有大型同轴馈线链路连接的天线,而如今的基站配置针对MIMO的高集成度有源天线系统(AAS)。除为了满足日益增长的业务需求而逐渐升级的底层无线电协议和硬件之外,此类变化还始终影响着系统中互连件的选择和使用。

 

基站的发展

早期的蜂窝基站架构以天线设备为中心,此类天线设备通过长距离(小于61米)同轴线缆与远程无线电单元(RRU)连接,而该RRU的另一侧通过光纤与基站处理单元或基带单元(BBU)相连(图1)。由于这一架构将无线电处理与天线系统分离,因此会导致严重的同轴线缆损耗。为了克服系统损耗问题,必须使用极为耗电的功率放大器以及配套的冷却装置和电池,从而造成能效和成本效益较低以及系统可扩展性较差。

分析基站的能效可知,功率放大器占总功耗的50-80%,其次为空调(20-30%)、信号处理(5-15%)以及电力供应(5-10%)1。随后发展出的蜂窝前传架构将无线电处理与基站剥离,并集成至天线结构内。其中,远程无线电头端(RRH)采用通用公共无线电接口(CPRI)协议,并通过光纤与基带处理功能相连,从而增大BBU与RRH之间的设置距离。CPRI协议可实现云无线电接入网络(C-RAN),该C-RAN允许单个或多个远程连接的BBU运行多个蜂窝信号塔,从而大幅提高带宽,并将前传距离增大至40公里。

 

互连件

长距离同轴线缆的设计具有一定的要求,从而使得普通RG同轴线缆可能无法满足相关要求。同轴线缆的每单位长度衰减或损耗急剧增大,而且衰减或损耗程度主要取决于所选用的电介质、同轴线缆截面尺寸以及护套2。同轴线缆固有损耗的原因在于介质材料的损耗角正切和传导电流以及金属材料的电阻损耗。介质损耗可通过使用相对介电常数较小的介质材料这一方式最大程度地降低,这通常意味着对发泡聚乙烯(PE)等发泡或微孔介电结构的使用。随着同轴线缆尺寸的增大,其内外导体的表面积也略微增大。因此,同轴线缆的尺寸越大,电阻损耗越小。

传统上,7/16DIN连接器(IEC60169-4标准)一直是首选的基站连接器。此类连接器不但具有功率处理能力高、插入损耗低、可在恶劣天气条件下使用的优点,而且由于设有螺固连接结构,因此还能够在反复插拔后仍保持良好的配接效果。然而,对于移动网络运营商而言,同轴器件的简单易用性是一项重要的考量因素。如果此类器件过于复杂,则当技术人员培训不到位时,有可能会使连接器的扭合过松或过紧,从而严重影响信号质量。此外,连接器配接过程中,有可能会对连接器与线缆的连接处造成意外扭伤,从而导致额外损耗。另外,由于此类连接器尺寸较大,其将大大减小每一天线的可用端口密度,遑论随着基站天线的尺寸越来越小,留给连接器的可用空间本已不多。

对于同轴连接的任何基站而言,蜂窝信号塔内同轴连接器的无源互调(PIM)引起的信号失真均是一项主要的考量因素。PIM多见于高功率多载波系统的无源部件,是一种因两个或两个以上信号在同一传输路径中的互混而导致不可测频率分量的现象,其中,所述频率分量会对高灵敏度的接收器造成干扰。PIM现象的原因通常为金属之间的接合以及顺磁/铁磁材料的使用,而同轴连接器恰恰同时存在这两种情况。当连接器的紧合程度过小或过大时,均可能导致PIM。

虽然7/16DIN连接器存在低PIM型号,但目前已推出的4.3-10连接器(IEC61169-54标准)通过强制性的低PIM性能要求解决了7/16连接器的此类缺点。PIM可通过合适的材料选择以及可靠且可重复的连接器配接方式得以降低。镍和铬为同轴连接器中常用的两种铁磁材料。为了避免这一潜在的PIM来源,低PIM连接器以非铁磁材料为基底,并在其外电镀黄铜、银或白青铜等材料。

4.3-10连接器通过简化配接方式,避免了金属之间因配接不充分或表面粗糙而发生的非线性接触。此类型连接器的配接方式包括螺固式、手旋式以及推挽式。其中,手旋和推挽两种方式允许在狭小安装空间中对线缆进行转动。7/16DIN连接器配接时需要高扭力,以确保最佳的电气性能和防风雨的密封效果。具体而言,当在此类连接器的O形圈顶面上施加压力时,可以形成“轴向”密封(图2)。由于电气性能和防风雨连接效果之间的这一相互依赖关系,如果O形橡胶垫圈上施加的轴向压力不充分时,便无法实现牢固的电气连接。与此相对,4.3-10连接器的密封效果通过向O形圈内表面施加压力的“径向”密封件实现,从而有效地消除了上述电气连接与机械配接之间的依赖关系,并实现了简单的手旋式或推挽式配接。此外,与7/16DIN连接器相比,4.3-10连接器在不牺牲功率处理、插入损耗或电压驻波比(VSWR)性能的同时,将尺寸减小了40%。

2016年底,下一代移动通信网络(NGMN)联盟正式提议,从2017年开始,在新一代的无线电单元和有源天线(4T4R)、纯时域双工(TDD)系统以及TDD/频分双工(FDD)混合系统中使用4.3-10连接器,而老式系统仍可继续使用7/16DIN连接器3

 

5G架构

5G下一代RAN(NG-RAN)架构在集中单元(CU)和一个或多个分布单元(DU)之间进行功能拆分。此外,通过另外添加无线电单元(RU),还可以以级联方式进行上述拆分。取决于预计业务量以及所需的数据速率和延迟,RAN可通过各种可能的部署方案与具体5G用途实现最佳匹配。此类部署方案可包括:CU/DU/RU单设;CU/DU集成;DU/RU集成;CU/DU/RU集成。如此,有可能会在上下各层协议之间的若干点上进行拆分,包括:物理层(PHY)与介质访问控制层(MAC)之间的拆分;MAC与无线电链路控制层(RLC)之间的拆分;以及RLC与分组数据汇聚层协议之间的拆分。所有此类拆分方式均具有其自身的功效和考量因素。

上述拆分还可实现5G所需的低延迟、高吞吐量通信,其中,CU用于处理非实时协议,而DU用于处理低延迟的实时业务。此外,作为一项必要举措,CU和DU之间的链路已从之前使用的CPRI协议升级至支持PHY内功能拆分的增强CPRI协议。5G gNB具有各种规模:设有集成CU/DU/RU的小型蜂窝基站或热点;采用大规模MIMO(mMIMO)及单设CU/DU/RU的宏基站;再生处理卫星,该卫星用作带有卫星链路的DU,或用作gNB CU及指向5G核心网络(5GC)的后续回传设备。

 

MIMO

MIMO通信技术已广泛用于通过空间分集提高链路可靠性和网络容量,其中的多个天线用于在不同路径上发送相同信号(即分集增益),或者用于在不同路径上发送多个信号(即复用增益)。该技术在5G中通过mMIMO得以扩展,从而大大提高无线系统的频谱效率。空间处理技术最初见于3GPP LTE第10版,该技术引入了通信链路随基站功能的不同(如波束成形、单用户MIMO、多用户MIMO)而变化的传输模式。5G新无线(NR)技术在LTE基础上增设4T4R、8T8R、16T16R、32T32R、64T64R信道,并增大无源和有源天线系统内的天线数量,从而得以进一步扩展。目前已经开始部署的中频带5G NR使用配有校准电路的TDD 8T8R无源天线,或16T16R、32T32R或64T64R有源天线4

随着天线端口密度的增大,对于采用MIMO数据流的基站而言,每一频段内无线电设备的增多以及如何在潜在PIM来源增多的情况下进行PIM管控成为新的考量因素。

采用无源MIMO技术的设备一般需要通过一系列跳线将天线连接至RRH或RRU,从而实现无线电端口与天线端口之间的连接(图3)。虽然这一做法能够通过免于使用较长的馈电线缆而最大程度地减小损耗,但与此同时,其不但增大了安装时发生错误的风险,而且还增加了PIM的潜在来源,从而导致信号可靠性降低,并极大地限制了潜在的扩展能力。出于这一原因,有源天线系统成为大型MIMO系统的首选,在该情形中,通过使用集成天线/无线电装置而免于使用跳线。对于有源天线系统而言,仅需一条光纤链路和一条直流供电链路便可同时实现供电、控制及基带处理功能。然而,这一方案仍旧未能消除PIM。因此,制造过程中必须加入PIM优化环节,以满足技术规格要求。

大型无源MIMO系统的实施中需要使用更小的连接器。NGMN联盟最近发布的公文提议在TDD 8T8R RRU和天线结构中使用MQ4/MQ5连接器5, 6。MQ4/MQ5为一种将多个射频端口组合于同一连接器内的集束连接器,不但可以提高端口密度,而且简单易用,从而减少安装时发生的错误。在使用传统同轴连接器时需要30个端口的八收八发(8T8R)系统在使用MQ5或MQ4连接器时仅需6~8个端口。在该MIMO具体应用情形中,其他可选连接器为2.2-5(IEC61169-66)或NEX10(IEC61169-XX)型连接器,以及NEX10兼容的M-LOC连接器。

NEX10连接器具有尺寸比4.3-10连接器小30%、低PIM性能(约-166dBc)、工作频率高达20GHz以及采用螺固式或推挽式配接方式的特点。同样地,NEX10连接器消除了电气连接与机械配接之间的关系,从而使得电气配接不受所使用扭力的限制。2.2-5系列连接器具有尺寸比4.3-10连接器小53%、高PIM性能稳定性(约-166dBc)、工作频率高达20GHz以及采用螺固式、手旋式及推挽配接方式的特点。

 

小型蜂窝基站

随着小型蜂窝基站的密度越来越高,性价比、可反复配接的能力以及连接可靠性成为其考量因素。NEX10和2.2-5连接器是新兴小型蜂窝基站架构的理想候选连接器,可在密集的城市环境中满足5G吞吐量/延迟需求(图4)。

此两类连接器不但以大幅减小的尺寸使狭窄空间中的安装更为容易,而且还能够在高达20GHz的频率下支持小型蜂窝基站功能。

 

结语

蜂窝技术的发展要求同轴互连件技术不断改进。虽然7/16DIN连接器因其反复插拔后仍能保持良好配接的能力以及优良的电气性能足以满足以往的应用需求,但是却存在尺寸和PIM较大的限制。随后开发的4.3-10连接器不但能够保证低PIM性能,而且尺寸也大幅减小。目前,随着大规模MIMO设备的使用以及基站尺寸的日益缩小,天线端口密度愈来愈高,从而要求更高水平的集成度和小型化。在这一背景下,2.2-5和NEX10连接器以及MQ4/MQ5等集束连接器能够为mMIMO和小型蜂窝基站等5G技术提供更可行的解决方案。

 

参考文献

1.            L. M. Correia, D. Zeller, O. Blume, D. Ferling, Y. Jading; I. Gódor, G. Auer and L. Van Der Perre, “Challenges and Enabling Technologies for Energy Aware Mobile Radio Networks,” IEEE Communications Magazine, Vol. 48, No. 11, November 2010, pp. 66-72.

2.            Pasternack, “Designing Coaxial Cable Assemblies for High Performance and Reliability,” Microwave Journal, Vol. 63, No. 3, March 2020, pp. 6-12.

3.            “4.3-10 RF Connector Migration Strategies,” Version 7.1, NGMN Alliance, December 2016.

4.            “Advanced Antenna Systems for 5G,” 5G Americas, August 2019, Web. https://www.5gamericas.org/wp-content/uploads/2019/08/5G-Americas_Advanced-Antenna-Systems-for-5G-White-Paper.pdf.

5.            “Recommendation for RF Cluster Connector for Use in 5G NR 8T8R TDD Deployment,” Version 1.13, NGMN Alliance, August 2019.

6.            “Recommendation for RF Cluster Connector Antenna to Radio Module Pinout Alignment,” Version 1.5, NGMN Alliance, May 2020.

 

 

图1:天线与RRU之间设置长距离同轴馈电链路的蜂窝站点(a)与天线中设置RRH的基于光纤的蜂窝站点(b)之比较。

 

图2:采用轴向密封结构的7/16DIN连接器O形环(a)以及采用径向密封结构的4.3-10连接器O形环(b)。

 

图3:蜂窝站点的天线与无线电设备间连接结构示意图4

 

图4:小型蜂窝基站安装示例。(出处:Small Cell Forum)


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