深度:4G/5G基站结构和PCB用量

原标题:深度:4G/5G基站结构和PCB用量

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4G/5G基站结构和PCB用量

(一)基站的基本结构及高频PCB的应用

移动通信信息以电磁波为媒介进行传输,基站的主要功能和作用是负责接收与发送无线信号、以及将无线信号转换成易于传输的光/电信号,实现信息在不同终端之间的传输并将不同频率的信号识别区分出来

3G、4G、5G基站的基本原理相似,但在具体设计上存在一定的差异。

4G基站设备主要包含三个部分:基带处理单元(BBU)、远端射频处理单元(RRU)和天线系统。目前在4G通信基站中,天线系统和RRU均要用到高频&高速PCB、BBU主要用到高速PCB。

基带处理单元BBU:完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能,同时需要提供与上层网元的接口功能。

射频处理单元RRU:是天线系统和基带处理单元沟通的中间桥梁:接收信号时,RRU将天线传来的射频信号经滤波、低噪声放大、转化成光信号,传输给BBU;发送信号时,RRU将从BBU传来的光信号转成射频信号通过天线放大发送出去。

天线系统:主要进行信号的接受和发送,是基站设备与终端用户之间的信息能量转换器。

从4G到5G,基站结构和基材诉求并没有发生本质改变,只是用量和参数的显著升级而已,因此研究4G基站结构及高频PCB的应用,对5G会有参考意义。

高频通信材料是基站天线功能实现的关键基础材料

天线是整个通信系统中的“眼睛”和“耳朵”,对无线通信网络质量具有一票否决的关键作用。

信号发送时,调制后的射频电流能量经过基站天线转换为电磁波能量,并以一定强度向预定区域(手机用户)辐射出去;

信号接受时,用户信息经调制后的电磁波能量,由基站天线接收,有效地转换为射频电流能量,传输至主设备。

天线作为能量转化与定向辐射及接收的装备,是整个基站运转的核心,其内部主要由辐射单元、馈电网络、反射板、封装平台、电调天线控制器(RCU)五个核心关键部件组成(4G基站天线)。

辐射单元:将来自射频电缆的电信号转化成空间的电磁波信号或相反将电磁波信号转变成传输线中信号的装置,其核心部件为振子。

馈电网络:又称为功率分配网络,主要作用是实现能量在端口与振子间的传输以及振子间幅度相位分配,其核心部件有PCB或同轴电缆、移相器、功分器等。

电调天线控制器(RCU):检测和控制移相器运动,实现调整电调天线下倾角的功能。

反射板:起着支撑天线各部件的作用,并对天线的前后比特性及水平面辐射产生影响。

天线外罩:保护天线系统免受外部环境影响的结构物。

(二)4G基站PCB用量测算

4G基站用到PCB主要分为天线系统、RRU和BBU,其中:按一个BBU拖带3副天线3副RRU计算,天线系统PCB总面积约0.684平方米,RRU PCB总面积约0.3米,合计面积0.984平米。

根据产业调研信息,4G天线和RRU PCB均价约为2500元/平米。则单基站RRU和天线部分,ASP约为2500元。

BBU部分,尺寸约为440X86X310mm。

BBU单板数量在3-6块之间,各块单板通过接口与背板连接。BBU单板在BBU内的槽位分布和单板配置原则是:GTMU占用5、6槽位,为主控传输单元,其余槽位可以安装TDL基带板和主控板,基带板可以实现接口能力,可将其所收的CPRI数据转发到其他单板。

主控板、星卡板、基带处理板、基带射频接口板总面积约为0.3平米,电源板约为0.03平米,防浪涌板约为0.008平米,总单站价值量约为992元。

4G基站背板面积约为0.5平米,一般22层板即可,单价约4000元/平米。

故此4G基站用PCB总价值量约是2000+992+2500=5492元/站。

截止2018年,中国大陆4G基站总量约为372万站,其中2018年新增约为44万站,假设2014-2018年中国大陆4G基站建设量占比全球约为45%-60%(各年份不同,前期占比高,后期低,因中国4G进展快于全球平均,渗透率高于全球平均,非中国大陆地区后续4G基站建设力度和时间跨度将超过中国),则全球各年份4G基站建设用PCB市场空间约为40-80亿元。

对应CCL,在4G基站中,天线和功放所需用到的高频CCL,性能要求低于5G,一般采用碳氢或者PTFE材质,且多与普通FR4压合在一起。高速CCL多用在BBU等其他区域,其材质一般采用FR4改性即可。整体而言,高频高速CCL占基站PCB价值量约为20%,对应单一年份的全球市场空间约在10-20亿元之间。

(三)5G带来的技术变革和演进节奏

频谱、芯片和终端进展

到2019年一月,GSA已经囊括了了201个运营商,在83个国家各自进行5G的商用测试、预商用、商用。尤其是美国、韩国、日本、英国、中国等地区,是率先推行5G商用化建设的国家,它们将在2019-2020年实现5G的商用网络建设。

中国三大运营商已经在5大城市开启了5G商用测试,其中中国移动计划在2019年布设1000+5G基站,后续全国范围内的商用会在2020年

技术上,华为、高通、三星等厂商积极加入5G基带芯片和终端研发,促进5G产业链成熟。

芯片端,高通、海思和三星在2018年底发布了5G商用芯片。Intel和Mediatek也将在2019年发布自己的5G基带芯片。

设备端,华为于2018年发布了全球首款5G CPE(相当于路由器,把5G信号转化为WiFi信号发射出去)。另外,三星、华为和小米等20多家厂商将于2019年推出5G商用手机。5G开发初期,CPE等固定终端对终端尺寸和功耗要求较低。只要成本降低到一定水平,产品稳定,终端就可以大规模上市。CPE等5G固定终端预计2019年底前成熟。

移动终端需要的成熟期相对长,基于7-10nm制造工艺和独立基带芯片的5G手机预计将于2019年上市,基于SOC的多模芯片平台的5G手机有望在2020年下半年实现商业化。未来,随着终端研发,采用最新射频前端技术的产品如小型可穿戴5G终端、全频段5G手机有望在2021年成熟。

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组网方式

为了快速引进5G技术并顺利发展,3GPP定义了几个架构选项。在版本R15中,方案3(NSA)已于2018年3月完成,方案2(SA)在6月完成,其他选项计划为R15扩展的内容,例如方案4、5和7。

然而可选项的相互排列导致更高的成本、互操作性风险、碎片化、设备复杂性。到目前为止方案3和方案2是运营商主要选择的方向。

非独立组网(NSA):指的是使用现有的4G基础设施,进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据,其控制信令仍通过4G网络传输。

独立组网(SA):新建5G网络,包括新基站、回程链路以及核心网。SA引入了全新网元与接口的同时,还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术,并与5GNR结合,同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3G和4G系统。

NSA架构可以在初期帮助运营商实现更快速的5G建网,但后期为了实现连续覆盖和支持全部的5G场景,向SA的演进势在必行。相比直接采用SA架构建网而言,采用先NSA后SA的方式建网更快但总的资本支出也会增加约18%-24%。

CU/DU分离

基站系统是无线接入网最主要的构成部分,包括射频和基带功能(物理层、第二层(MAC、RLC、PDCP等子层)以及第三层(如RRC)等协议功能层构成)。

5G接入网架构相对于4G而言的改变之一是支持DU(分布式单元)和CU(集中单元)功能划分:CU/DU合设方案、CU/DU分离方案。

1.CU/DU合设方案类似4G中的BBU设备,在单一物理实体中同时实现CU和DU的逻辑功能,并基于电信专用架构采用ASIC等专用芯片实现。考虑到4G BBU多采用主控传输板+基带处理板组合的方式,类似的,5G BBU也可类似沿用CU板+DU板的架构方式,以同样保证后续扩容和新功能引入的灵活性,合设的优点是可靠性较高、体积较小、功耗较小、且环境适配性较好,对机房配套条件要求较低。

2. CU/DU分离方案则存在两种类型的物理设备:独立的DU设备和独立的CU设备。按照3GPP的标准架构,DU负责完成RLC/MAC/PHY等实时性要求较高的协议栈处理功能,而CU负责完成PDCP/RRC/SDAP等实时性要求较低的协议栈处理功能。

分离方案中的DU设备:

由于高实时性要求,Massive-MIMO技术(如64T64R)和大带宽(如100 MHz载波带宽)的引入,吞吐量相比4G有数十倍到百倍量级的提升,且物理层涉及大量并行的密集型复数矩阵运算以及百Gbps级别的高速数据交换,使得信号处理复杂度相比4G也有高达百倍量级的提升。

考虑到专用芯片采用了特定设计的专用加速器,其芯片面积、功耗和处理能力都显著优于通用芯片,DU一般采用电信专用架构实现,主处理芯片采用集成硬件加速器的专用芯片,以满足5G层1和层2的高处理能力要求和实时性要求。此外,专用架构对所部署机房的配套条件也具有良好的环境适应性。

另一方面,考虑到设备型号需要尽可能少,以降低硬件开发成本及提高设备出货量,独立的DU设备和CU/DU合设方案中的BBU设备可采用同一款硬件和板卡,可有如下两种方案:保持BBU中板卡不变,移除CU相关的软件功能,仅支持DU相关的软件功能;或者去掉BBU中的CU板,仅保留DU板并仅支持DU相关的软件功能。

分离方案中的CU设备:

CU对实时性要求相对较低,因此可基于通用架构实现,使用CPU等通用芯片。当然,也可沿用传统的专用架构实现。两种架构各有优劣:通用架构扩展性更好,更易于虚拟化和软硬解耦,便于池化部署、动态扩容和备份容灾,后续也可基于同样的虚拟化硬件平台,扩展支持MEC(multi-access edgecomputing,多接入边缘计算),以及NGC等需要下沉的相关功能。

然而,由于其是通用架构,对机房环境的要求较高,长期可靠工作时温度需保持在5℃-40℃之间,尺寸和功耗较大,如单机柜深度一般在1m左右,且需预留数kw的供电能力。而CU如基于电信级专用架构实现,对部署机房的环境要求则相对较低,但后续扩展性较差。

综上所述,5G CU-DU架构会存在两种设备型态:BBU设备和独立CU设备。

其中,BBU设备一般基于专用芯片采用专用架构实现,可用于CU/DU合设方案,同时完成CU和DU所有的逻辑功能,或在CU/DU分离方案中用作DU,负责完成DU的逻辑功能。

独立CU设备可基于通用架构或专用架构实现,只用于CU/DU分离方案,负责完成CU的逻辑功能。

(参考资料:《5G中CU-DU架构、设备实现及应用探讨》;作者:闫渊 陈卓;来源:《移动通信》)

Massive-MIMO技术

该项技术是5G中用于提高频谱效率的重要技术之一。在给定的空间中可以布置大量的天线,来增加波束形成并满足大量增长的容量需求。

与传统的只有一个垂直方向的二维MIMO相比,三维MIMO提供了更大覆盖范围、容量。在高楼密集的城区,与传统的8t8r相比,64t64r大规模MIMO提供了3到5倍的性能容量。

经过几代改进后,Massive-MIMO模块变得更小更轻,5G Massive-MIMO模块可以很容易地安装在大多数场景下,如屋顶杆、单极天线、监控器杆和壁挂设备。Massive-MIMO只需要两名工程师安装。

Massive-MIMO设备,PA、过滤器和芯片组等是主要成本,且随着部署数量增加,成本持续下降,最终目标是2倍于8T8R RRU。最终,5G Massive-MIMO目标是使单位数据的传输成本降低10倍。

(四)5G基站建设所需PCB市场空间分析

5G基站的结构

不同于4G基站,5G时代为了满足增强移动宽带(eMBB)、大规模物联网(mMTC)和低时延高可靠物联网(uRLLC)三大要求,并提高资源利用率,将基站结构做了一定的改变:

BBU被拆分为CU(Centre unit 控制单元)、DU(Distributed unit 分布单元),即将高层协议处理(PDCP/RRC)分离出来成为独立的逻辑单元集中由CU处理,底层协议处理(MAC/PHY)仍保留在在站点分部处理,该架构有利于实现多连接、高低频协作、简化切换流程、利于平台开放,但是CU的部署位置与业务时延要求是个矛盾(越远离DU越时延),且运维复杂化;

天线和RRU被集成在一个AAU中,完成信号收发、缩放、滤波、光电转换等工作。

关于5G宏基站、室分站的PCB市场空间测算,假设:

1.每个宏站包含三个AAU和一个BBU(CU&DU)。

2.AAU里面包含天线系统(振子&馈电网络)、收发单元(DSP;DAC/ADC;PA;LNA;Filter等器件),其中振子(自身含PCB材质)集成在一块PCB(含馈电网络)上,收发单元的面积主要以PA和TRX两块PCB为主,其中PA板集成在TRX板上。

3.天线底板尺寸约0.4*0.75m,采用高频材料如Rogers4730(陶瓷碳氢材料,热固性)等,2-4层板,有些用6层板,单价接近10000元/平米,双面板可低至3300元/平米,在此计算中取均价7300元/平米(按3300占40%,10000占60%计算)。天线振子尺寸约为28*28mm,数量为64枚,一般可用松下M4高速材料,单价约2000元/平米。

4.TRX板层数10-20层均有,材料一般为高速材料如松下M4,尺寸约为0.4*0.75m,单价约为4000元/平米。

5.PA板集成在TRX上,一共有4块,每块尺寸约0.15*0.18m,陶瓷基材高频CCL制成的双面板(如Rogers4350),单价约2300元/平米。

6.BBU尺寸与4G差异不大,一共3-5块板,尺寸0.48*0.3m,20-30层板,9000元/平米,松下M4M6M7等高速基材为主。

5G宏基站内PCB价值量约为15104元/站,室分站PCB价值量约是宏站的30%-40%约5286元/站。可以看出,5G宏基站PCB价值量是4G(4692元)的3.2倍,提升空间比较大。

考虑5G建设进度,假设2018-2022年宏基站和室分站布设节奏,可以得出单一年份5G基站建设对PCB带来的增量市场空间(假设单站PCB&CCL价值量每年下降6%)。

可以看出,2022-2023高峰年度,5G基站建设带来的PCB单年度需求约为210-240亿元(其中中国大陆约占50%-60%),相比于4G时代的80亿元,是接近3倍的提升。

对应CCL(大部分均为高频高速CCL)市场空间约为80亿元(其中中国大陆约占50%-60%),对应4G时代的25亿元是接近3倍的提升。

分结构来看,假设各部分PCB价格每年下降6%,则天线用PCB峰值年份市场空间约为80亿元/年;TRX用PCB市场空间,峰值年份约为40亿元人民币;PA用PCB市场空间峰值年份约为9亿元;BBU 用PCB市场空间,峰值年份约为50亿元。

参考来源:刘翔电子研究,PCB行业融合新媒体根据网络整理转载,图文均为公开资料并已备注来源,转载目的在于分享交流,版权归原始作者所有!本号对文章内容保持中立态度,若有侵权或疏漏,请联系更正或删除!

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