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當(dāng)你拿著手機(jī)觀看頭條新聞、聊微信、刷抖音的時候，你是否想過，這一切是如何實現(xiàn)的？有的稍微了解過的朋友可能知道通信基站在其中的功勞很大。今天，咱們就嘮一嘮世界上最復(fù)雜的基站。  基站室外結(jié)構(gòu) 首先來了解一下什么是基站。 基站是移動設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的接口設(shè)備，也是無線電臺站的一種形式，是指在一定的無線電覆蓋區(qū)中，通過移動通信交換中心，與移動終端之間進(jìn)行信息傳遞的無線電收發(fā)的電臺。  基站在通信中的位置 簡單來說基站就是為我們的手機(jī)提供信號的設(shè)備，它通過天線進(jìn)行信息的收發(fā)。  基站天線 那基站主要包括哪些部分呢？ 基站的功能主要包括基帶處理和射頻，其物理結(jié)構(gòu)由基帶模塊、射頻模塊、天線模塊三部分組成。  基站物理結(jié)構(gòu) 它的安裝方式比較統(tǒng)一，一般都有室內(nèi)+室外兩部分，由電網(wǎng)及蓄電池供電，所以即使停電了我們的手機(jī)也依然能夠通話和上網(wǎng)。  4G基站設(shè)備安裝簡圖 下面簡單介紹一下基站的三大模塊。 1.基帶模塊。簡單說就是主機(jī)，主要完成基帶的調(diào)制與解調(diào)、無線資源的分配、呼叫處理、功率控制與軟件切換等功能。  基帶模塊 什么 是基帶？基帶Baseband，指信源（信息源，也稱發(fā)射端）發(fā)出的沒有經(jīng)過調(diào)制（頻譜搬移和變換）的原始電信號所固有的頻帶（頻率帶寬），稱為基本頻帶，簡稱基帶。  各種形式的電信號 2.射頻模塊。主要完成空中射頻信道和基帶數(shù)字信道之間的轉(zhuǎn)換，以及射頻信道的放大、收發(fā)等功能。  射頻模塊 射頻原理：電流流過導(dǎo)體時，導(dǎo)體周圍會形成磁場。交流電通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。  電磁波激發(fā)原理 電磁波頻率高于100kHz時，可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。這種具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波就稱為射頻。  電離層反射電磁波示意圖 3.天線模塊。即信號的發(fā)射與接收設(shè)備，有全向和定向之分，一般有三種配置方式：發(fā)全向、收全向；發(fā)全向、收定向；發(fā)定向、收定向。發(fā)全向即全方位的信號發(fā)送，收全向即全方位的信號接收，定向就是只朝一個固定的角度進(jìn)行發(fā)送和接收。  天線模塊 一般情況下，頻道數(shù)、用戶較少的基站，如位于鄉(xiāng)村、郊區(qū)等，常采用發(fā)全向、收全向方式。 發(fā)全向、收全向天線 而頻道數(shù)、用戶較多的基站多采用發(fā)全向、收定向的方式，且數(shù)量也較為密集。 發(fā)全向、收定向天線 那發(fā)定向、收定向的天線用在什么地方呢？這個一般用于地球同步衛(wèi)星的信號接收，例如我們生活中最常見的電視衛(wèi)星信號接收天線，調(diào)好了角度就不能再動了。 發(fā)定向、收定向天線 基站的常識情況咱們就介紹到這里，下面說一說5G。5G即第五代通信技術(shù)，采用的依然是與4G相同的數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備通過無線電波與所處蜂窩中的基站進(jìn)行通信。但速度最高可達(dá)10Gbit/s，比4G快100倍，而且延遲低于1ms，4G為30~70ms。 5G 那5G為什么能夠這么快呢？它是怎樣在一秒鐘的時間里傳輸10Gbit也就是1.25億byte的數(shù)據(jù)的呢？ 想象一下以前的電報機(jī)，按下去代表通電，也就是1，松開代表不通電，也就是0，電報機(jī)的原理就是用0和1組成的摩斯密碼傳遞信息。 電報機(jī)發(fā)報 那么如果我想傳遞的信息很多，又很著急，該怎么辦呢？那當(dāng)然是催發(fā)報員按快一點啦，也就是提高頻率?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通信的最基本原理依然是1和0，只不過不是通過電信號的有或無表示，而是通過電磁波的振幅、相位等的變化來表示。 正弦波波形圖 為了提高信息傳輸?shù)乃俣?，那就要提高電磁波的頻率，在單位時間內(nèi)發(fā)送更多波形，包含更多的振幅、相位信息來表示0和1。 各種電磁波的波長 還有一個名詞叫做帶寬。帶寬在模擬信號系統(tǒng)又叫頻寬，指單位時間內(nèi)可傳輸?shù)男畔⒘?，即在傳輸管道中傳遞數(shù)據(jù)的能力，通常以bps來表示。我們常說的家里裝了多少M的寬帶，實際上就是帶寬。而且商家欺負(fù)我們是小白，宣傳的時并不說明，100M的帶寬，并不是網(wǎng)速能達(dá)到100MB/s，而是100Mbps，等于12.5MB/s。所以家里裝了個20M寬帶網(wǎng)線的你，可別再打電話給維修人員說網(wǎng)速太慢了，畢竟理論最高速度也只有2.5MB/s。 100M寬帶速度最高12.5MB/s哦 提高電磁波頻率解決了數(shù)據(jù)的高速無線傳輸問題，提高帶寬就是解決數(shù)據(jù)的高速有線傳輸問題。大家都知道現(xiàn)在有線傳輸都靠光纖，提高帶寬的方式也就很明了了——增加光纖數(shù)量和提高光信號處理器的性能。 光纖 光信號處理器 說到現(xiàn)在，世界上最復(fù)雜的5G全頻段+Massive MIMO基站終于可以浮出水面了。它的品牌想必大家都知道，我就不說了，以免說我和特朗普搶生意。 5G全頻段+Massive MIMO基站 它采用了極簡BBU（基帶處理模塊），支持5G全頻段調(diào)制解碼，RRU（遠(yuǎn)端射頻模塊)可直接安裝至樓層，BBU與RRU之間采用光纖傳輸，RRU再通過同軸電纜及功分器等連接至天線模塊。 極簡基帶處理模塊 遠(yuǎn)端射頻模塊 BBU與RRU采用光纖連接 基帶處理模塊可以說是基站的核心，尤其是5G基站的BBU，面對的是超大流量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，其科技含量甚至不亞于手機(jī)。 BBU主板 該品牌的5G基站采用了自研的天罡芯片。愧對大家，找遍全網(wǎng)也沒有找到一張?zhí)祛感酒奶貙懻掌?，這張已經(jīng)是能最大程度顯示它的了。 天罡芯片 5G基站還面臨著一個大問題，那就是發(fā)射的電磁波波長太短。根據(jù)電磁波頻率與波長公式，頻率越大，波長越短。而短波信號在無線傳輸過程中衰減的很厲害，傳播距離也不夠遠(yuǎn)。 電磁波頻率與波長公式 衰減的原理是：自由空間中，信號強(qiáng)度與距離的平方成反比。增加天線數(shù)量可以增強(qiáng)信號強(qiáng)度，叫做天線增益G，算進(jìn)去即可得到信號強(qiáng)度的公式。 信號強(qiáng)度的公式 為了讓大家的手機(jī)都有良好的5G信號，有四個辦法。一是提高發(fā)射功率Ptx，但是耗電；二是縮短手機(jī)與基站間的距離R，讓大家去基站下玩手機(jī)那不合適;三是增加波長λ，可是速度就慢了；四是增加天線數(shù)量，可取。 增加天線數(shù)量 但是天線數(shù)量多了也有問題，信號會互相干擾。為了解決這個問題，廠家又發(fā)明了波束賦形。即天線系統(tǒng)可以控制每一個天線單元發(fā)射（或接收）信號的相位和角度，產(chǎn)生具有指向性的波束，消除來自四面八方的干擾，增強(qiáng)波束方向的信號。簡單來說就是一對一精準(zhǔn)服務(wù)。 波束賦形技術(shù) 下面兩個動圖可以簡單展示傳統(tǒng)電磁波傳輸和波束賦形傳輸?shù)膮^(qū)別。 傳統(tǒng)電磁波傳輸 波束賦形傳輸 這項技術(shù)就叫做Massive MIMO， 大規(guī)模天線技術(shù)的縮寫。其原理是：收集信道狀態(tài)信息，即各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合，用一個矩陣(H)來表示，通過線性預(yù)編碼，計算出最大比率(MR)、迫零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)，最終得出天線應(yīng)有的相位和角度。 矩陣(H 線性預(yù)編碼 線性預(yù)編碼 到這里，大家應(yīng)該知道那家公司為什么會白白養(yǎng)一個只會做數(shù)學(xué)的俄羅斯小伙子十幾年了吧？真是學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕。使用Massive MIMO技術(shù)的天線就長這樣。 5G Massive MIMO天線 一臺這么復(fù)雜5G基站，到底要多少錢呢？答案是60萬元人民幣。而且隨著5G的全面鋪開，未來價格還會進(jìn)一步降低，真想買一臺回家當(dāng)路由器啊。 |
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