基站
基站
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审阅专家孙锐
基站即公用移动通信基站，是移动设备接入互联网的接口设备，也是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。移动通信基站的建设是移动通信运营商投资的重要部分，移动通信基站的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展，移动通信基站的发展趋势也必然是宽带化、大覆盖面建设及IP化。[1]
中文名
基站
外文名
Base Station，
性质
提供支持
全称
公用移动通信基站
快速
导航
工作原理组成构成5G基站室外基站无线勘察和设计通信基站噪声分析建立
定义
基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。简单的来说，基站用来保证我们在移动的过程中手机可以随时随地保持着有信号，可以保证通话以及收发信息等需求。我们日常中看到的尖尖的高高的铁塔上面的带有移动标志的设备是基站。基站通过天线来进行消息的收发。
工作原理
基站的主要功能就是提供无线覆盖，即实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。具体如图《基站在通信网络中的位置》所示。
基站在通信网络中的位置
前向信号传输流程如下：
1. 核心网侧的控制信令、语音呼叫或数据业务信息通过传输网络发送到基站（在2G、3G网络中，信号先传送到基站控制器，再传送到基站）。
2. 信号在基站侧经过基带和射频处理，然后通过射频馈线送到天线上进行发射。
3. 终端通过无线信道接收天线所发射的无线电波，然后解调出属于自己的信号。
反向信号传输流程与前向流程方向相反，但原理相似。
每个基站根据所连接的天线情况，可以包含有一个或多个扇区。基站扇区的覆盖范围可以达到几百到几十千米。不过在用户密集的地区，通常会对覆盖范围进行控制，避免对相邻的基站造成干扰。
基站的基带和射频处理能力，决定了基站的物理结构由基带模块和射频模块两大部分组成。基带模块主要是完成基带的调制与解调、无线资源的分配、呼叫处理、功率控制与软切换等功能。射频模块主要是完成空中射频信道和基带数字信道之间的转换，以及射频信道的放大、收发等功能。
组成构成 基础设施 通信基站是移动通信网络中最关键的基础设施。 移动通信基站有机房，电线，铁塔桅杆等结构部件，其中基站房主要配备信号收发器，监控装置，灭火装置，供电设备和空调设备， 以及塔杆包括防雷接地系统，塔体，基础，支架，电缆和辅助设施等几个部分的结构。 根据形状，塔桅杆可分为角钢塔，单管塔，顶杆，电缆塔等多种不同形式。 天线是天线框架，馈电系统和无限反射器的三层结构，有两种不同的应用场景，室内和室外。 根据不同的传输方向，天线也可以分为方向和全向。[2] 一个基站的选择，需从性能、配套、兼容性及使用要求等各方面综合考虑，其中特别注意的是基站设备必须与移动交换中心相兼容或配套，这样才能取得较好的通信效果。基站子系统主要包括两类设备：基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)。 基站位置选择 基站位置必须首先考虑通信基站周围的通信环境， 综合考虑基站密度，信号，交通量，现场条件等因素，尽量避免强电磁干扰，脉冲干扰区域和大量易燃物和爆炸产品商业，仓库附近。 另外，通信基站应该建在一个开阔的视野内，并且周围不应有高大的建筑物，以防止通信基站的信号传输受影响。 在基站通信建设过程中，机房的建设，设备的安装和塔的建设都是机械结构。施工机械和技术水平很高。施工前应先对施工区域的地理特征进行调查，充分利用有利的地形条件，便于施工和维护。[2] 塔楼选择 塔的选择必须首先考虑施工区的地质条件， 科学地建造桩基，并在此基础上选择合适的塔型。 在正式开展通信基站塔架选择的设计和实施之前，有必要对施工区域的地质条件进行全面调查，了解施工区域的地质条件和可能的地质风险。 在此基础上，给出了一系列有效的方法。 响应措施，选择合适的塔型，全面检查经济，技术和安全指标，并选择合适的铁塔形式。 对于桩基通信基站，塔的选择必须首先考虑桩体的性能，抗裂性和沉降，并对这些性能指标进行分析和验证。通信塔的整个负载基本上直接应用于基础。 为了提高塔的稳定性，必须特别注意基础施工。塔的基础施工有三种不同的形式：扩展基础，单桩基础和群桩基础。在需要的情况下，还可以增加系杆梁和地脚螺栓，并抵抗地基的液化处理，以进一步提高地基的承载能力。[2] 收发台 大家常看到房顶上高高的天线，就是基站收发台的一部分。一个完整的基站收发台包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。基站收发台可看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收、发送处理。一般情况下在某个区域内，多个子基站和收发台相互组成一个蜂窝状的网络，通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收来达到移动通信信号的传送，这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖面。如果没有了收发台，那就不可能完成手机信号的发送和接收。基站收发台不能覆盖的地区也就是手机信号的盲区。所以基站收发台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。[3] 基站收发台在基站控制器的控制下，完成基站的控制与无线信道之间的转换，实现手机通信信号的收发与移动平台之间通过空中无线传输及相关的控制功能。收发台可对每个用户的无线信号进行解码和发送。 基站使用的天线分为发射天线和接收天线，且有全向和定向之分，一般可有下列三种配置方式：发全向、收全向方式；发全向、收定向方式；发定向、收定向方式。从字面上我们就可以理解每种方式的不同，发全向主要负责全方位的信号发送；收全向自然就是个方位的接收信号了；定向的意思就是只朝一个固定的角度进行发送和接收。一般情况下，频道数较少的基站(如位于郊区)常采用发全向、收全向方式，而频道数较多的基站采用发全向、收定向的方式，且基站的建立也比郊区更为密集。 由于信号传输到基站时可能比较弱，并且有一定的信号干扰，所以要经预选器 。 模块滤波和放大，进行双重变频、放大和鉴频处理。输入的高频信号经放大后送入第一变频器，由变频器提供的第一本机振荡信号频率为766.9125-791.8875MHz，下变频后，产生123.1MHz的第一中频信号。第一中频信号经放大、滤波、混频后，产生第二中频信号(21.3875MHz)，它经过放大、滤波后送到中频集成块。由中频集成块(包含第二中频信号放大器、限幅器和鉴频器)产生的音频输出信号和接收信号强度指示信号(RSSI)送到音频/控制板，在音频信号控制板内，由分集开关不断地比较奇数和偶数信号，并选择其中的较强信号，通过音频电路传送到移动控制中心去。 基站发射机工作原理是：把由频率合成器提供的频率为766.9125-791.8875MHz的载频信号与168.1MHz的已调信号，分别经滤波进入双平衡变频器，并获得频率为935.0125-959.9875MHz的射频信号，此射频信号再经滤波和放大后进入驱动级，驱动级的输出功率约2.4W，然后加到功率放大器模块。功率控制电路采用负反馈技术自动调整前置驱动级或推动级的输出功率以使驱动级的输出功率保持在额定值上。也就是把接收到的信号加以稳定再发送出去，这样可有效地减少或避免通信信号在无线传输中的损失，保证用户的通信质量。功率放大器模块的作用是把信号放大到10W，不过这也依据实际情况而定，如果小区发射信号半径较大，也可采用25W或40W的功放模块，以增强信号的发送半径。 控制器 基站控制器包括无线收发信机、天线和有关的信号处理电路等，是基站子系统的控制部分。主要包括四个部件：小区控制器(CSC)、话音信道控制器(VCC)、信令信道控制器(SCC)和用于扩充的多路端接口(EMPI)。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，通过收发台和移动台的远端命令，基站控制器负责所有的移动通信接口管理，主要是无线信道的分配、释放和管理。当你使用移动电话时，它负责为你打开一个信号通道，通话结束时它又把这个信道关闭，留给其他人使用。除此之外，还对本控制区内移动台的越区切换进行控制。如你在使用手机时跨入另一个基站的信号收发范围时，控制器又负责在另一个基站之间相互切换，并保持始终与移动交换中心的连接。 GSM系统越区时采用切换方式，即当用户到达小区边界时，手机会先与原来的基站切断联系，然后再与新的服务小区的基站建立联系，当新的服务小区繁忙时，不能提供通话信道，这时就会发生掉线现象。因此，用户在使用手机通话时，应尽量避免在四角盲区使用，以减少通话掉线的机率。 控制器的核心是交换网络和公共处理器(CPR)。公共处理器对控制器内部各模块进行控制管理，并通过X.25通信协议与操作维护中心(OMC)相连接。交换网络将完成接口和接口之间的64kbit/s数据/话音业务信道的内部交换。控制器通过接口设备数字中继器(DTC)与移动交换中心相连，通过接口设备终端控制器(TCU)与收发台相连，构成一个简单的通信网络。 在整个蜂窝移动通信系统中，基站子系统是移动台与移动中心连接的桥梁，其地位极其重要。整个覆盖区中基站的数量、基站在蜂窝小区中的位置，基站子系统中相关组件的工作性能等因素决定了整个蜂窝系统的通信质量。基站的选型与建设，已成为组建现代移动通信网络的重要一环。 5G基站 5G基站架构 为了支持增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠与低延迟（uRLLC）、大规模机器类通信（mMTC） 等多种业务应用，5G网络将引入NR新空口和新的网络架构，以提升峰值速率、时延、容量等网络性能指标，并具备更大的组网灵活性和可扩展性，以满足多样化的业务需求。[4] 目前，3GPP R15标准已经定义了5G无线网络的整体架构，5G无线接入网（NG-RAN） 由多个5G基站（gNB）组成。gNB向UE提供NR空口协议的终结，并通过NG接口连接到AMF/UPF等5G 核心网（5GC）网元，gNB之间通过Xn接口实现相互连接。[4] 5G基站的逻辑架构 5G基站主要用于提供5G空口协议功能，支持与UE、核心网之间的通信。按照逻辑功能划分，5G基站可分为5G基带单元与5G射频单元，二者之间可通过CPRI或eCPRI接口连接。[4] 5G基带单元负责NR基带协议处理，包括整个用户 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）。[4] 5G射频单元主要完成NR基带信号与射频信号的转 换及NR射频信号的收发处理功能。在下行方向，接收从5G基带单元传来的基带信号，经过上变频、数模转换以及射频调制、滤波、信号放大等发射链路（TX） 处理后，经由开关、天线单元发射出去。在上行方向，5G射频单元通过天线单元接收上行射频信号，经过低噪放、滤波、解调等接收链路（RX）处理后，再进行模数转换、下变频，转换为基带信号并发送给5G 基带单元。[4] 5G基站设备体系 从设备架构角度划分，5G基站可分为BBU-AAU、CU-DU-AAU、BBU-RRU-Antenna、CU-DU-RRU- Antenna、一体化gNB等不同的架构。BBU-AAU架构中，基带单元映射为单独的一个物理设备BBU，AAU集成了射频单元与天线单元，若采用eCPRI接口，AAU内部还包含部分物理层底层处理功能。CU-DU-AAU架构中，基带功能分布到CU、DU两个物理设备上，二者共同完成构成5G 基带单元，CU与DU间的F1接口为中传接口。[4]BBURRU-Antenna架构中，RRU功能与AAU相同，区别在于RRU无内置天线单元，需要外接天线使用，主要用 于郊区等低容量需求或室内覆盖场景。一体化gNB架 构集成了5G基带单元、射频单元以及天线单元，属于高集成度、紧凑型设备，可用于局部区域补盲或室内覆盖等特殊场景。[4] 从设备形态角度划分，5G基站可分为基带设备、 射频设备、一体化gNB设备以及其他形态的设备。其中，5G基带设备又包含了BBU、CU、 DU不同类型的物理设备，5G射频设备包含了AAU和 RRU设备。[4] 天线测量技术 LTE 4G天线大部分为无源天线阵列，多采用射频模拟移相来调整天线下倾角度。而5G MassiveMIMO天线为收发通道与天线阵列集成一体的有源天线，其天线单元的幅度相位分配由数字基带部分完成。原无源天线的测试方法和指标不能满足5G天线的需求。5G天线要引入一些新的测试指标，以反应有源天线系统的设计优劣。[5] 无源测试指标 增益、方向图等天线无源参数的测量仍可采用以前的测试方法进行测试。[5] 有源下行指标 等效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power， EIRP）为无线电发射机供给天线的功率与在给定方向上天线绝对增益的乘积。各方向具有相同单位增益的理想全向天线，通常作为无线通信系统的参考天线。[5] 有源上行指标 等效全向灵敏度（EIS）：当信号从某个方向来时，使 接收机满足正常接收的电磁波功率密度乘以球面面积；对于 增益为G的天线，EIS等于用理想全向天线接收一个增添了以 G为增益的放大器时的灵敏度。[5] 带内阻塞指标 邻信道选择性（Adjacent Channel Selectivity，ACS）：考量的是接收频带内存在大的干扰信号时接收机的接收能力。该指标主要通过上行信道成型滤波器、接收通道增益线性范围以及AGC功能来保证。[5] 共址测试 由于目前运营商为了降低运营成本，很多不同系统基站都采取共址建设，即不同系统基站采用共用天面甚至共用抱杆。共址测试的目的是判断不同系统基站天线在共用天面甚至抱杆时，相互之间的干扰程度，主要测试阻塞干扰以及杂散干扰。阻塞干扰是指本系统接收信号时，受到接收频带附近、高频回路带内其他系统的强干扰信号，超出了接收机的线性范围，导致接收机因饱和而无法工作；杂散干扰是指由于干扰源（其他系统）滤波特性不理想，使干扰源的带外信号以噪声的形式出现在本系统相邻频段内，使本系统基站的基底噪声抬升，接收机灵敏度降低，上行链路性能变差。[5] OTA测试场分析 5G标准中定义的1-H，1-O 和2-O的站型，均规定了相应的 OTA（over the air）射频测试项。尤其是1-O 和2-O 的站型，没有了传统的传导测试的天线接口，所有的射频测试项都需要在OTA环境下进行测试，测试项包含有发射功率，调制质量，占用带宽，邻道泄漏功率比，杂散，互调，灵敏度，阻塞，等等。 所以用于OTA测试的全电波暗室例如：远场，紧缩场，中场，带有平面波产生器的小场等等成为必要的环境选择。3GPP标准中建议了远场，紧缩场，一维紧缩场，近场四种选择，并给出不同场的MU（Measurement Uncertainty）和相关测试项的校准和测试方法建议。对于一维紧缩场，目前已有机构根据类似的原理研发了平面波产生器，也进行了大量的系统测试和验证工作。[6] 室外基站无线勘察和设计 对基站的设计和布局是进行网络规划的首要工作，主要包括的内容就是根据频带宽度来确定频率复用方式，同时还要对容量预测、话务分布、覆盖等相对要求进行参照，进而对基站的数量进行确定，其次是对基站的位置确定和有关参数的确定等等。基站的勘察是对基站布局进行确定的重要组成部分，其中是现场勘察包括光测、频谱测量和站址调查等等，不管是何种勘察，都需要详细的准备。[7] 准备工作 首先就是要熟悉工程的具体情况，通过收集相关的资料进行准备工作，主要包括工程文件、背景资料、地图、配置清单、准备工具等等。[7] 覆盖要求 一个基站的覆盖范围是与相关的服务质量指标有着很大关系的，同时也与发射机的输出功率以及接收机的灵敏程度有一定的关系，另外，天线的方向以及使用的频段和传播的环境等，都是基站进行覆盖的主要要求。[7] 站址选择 在做好准备工作和对覆盖要求进行了解之后，要开始进行站址的选择工作，在确定站址的过程中，要对原有的网络状况进行考虑，当地的人口分布、习惯、城市的结构与主要街道的分布以及周围的社会环境和自然环境，只有进行综合全面的考虑，才能选出适合的地址。[7] 天馈设计 天馈系统主要是由合分路单元、馈线、塔放和天线等组合而成。合分路单元的主要作用就是完成收发信号的双向工作，发射信号的合路以及接收信号的滤波、低噪声放大和分路。并且提供塔放的馈电电路，进而实现将多个发射信号和多个接收信号共用一副天线的单元。塔放的作用就是用于提高基站接收系统的灵敏程度。馈线和天线都是根据实际的情况和选取原则进行选取，要大限度的达到良好的效果。[7] 天线选择 天线的选择主要是根据具体的地形或者话务的分布情况，把天线使用的环境进行分类，简单来说就是室外和室内，细致的分类就可以分为市区和郊区，农村和乡镇，山区和平原以及公路和隧道等等，可以根据具体的情况来进行分类。对于不同的环境来说，需要选用不同的天线，只有这样才能达到良好的效果。[7] 天线高度和天线方位角设计 同一个基站在不同小区是可以有不同高度的，这主要是由某个方向的受制高度来决定，也可以因为小区的整体规划而变化。一般来说，地势平坦的市区，天线的有效高度在25m左右，而郊县的基站，天线的高度可以进行适度的提高，一般在40m左右。 天线过高会出现“塔下黑”的问题，对于覆盖范围等产生一定的影响，进而影响网络的质量。 天线的方位角设计要从整个网络的布局出发，要在满足覆盖的基础上，保证市区的各个基站大三扇区方位角一致，在城郊结合的区域和交通主干道地区可以对覆盖的目标进行重点的关注， 根据天线的方位角进行一定程度的调整。对于天线的主瓣方向来说，它的指向应该在高话务密度区，这样可以对所在地区的信号强度进行一定的保证，可以对通话质量进行提高。另外，还要对同频小区进行注意，大可能的选择偏离，对可能出现的干扰现象要进行严格的控制。[7] 天线隔离度 基站的收、发信机是需要有一定的隔离的，天线之间的隔离度在天线的实际安装中，信号是从一个天线的端口到另一个人天线的端口进行衰减的。普遍来说，两个发射天线之间的或者是接收天线之间需要有一定的隔离度，一般至少要保持在30db。因为天线安装得越高，它的分集天线水平间距就会越大，能够减少天线之间的互相干扰。另外，想要进一步的控制天线的干扰问题，应该对分集天线进行重视，要保持它的水平间距在3m以上。[7] 勘察文档 勘察文档一般就是对基站的勘察报告，其中主要的内容就是一些数据信息，需要使用较为规范和准确的形式进行整理，进而为之后的网络优化工作打下基础性的工作。勘察文档对整个基站工程的质量也具有非常重要的影响，同时可以进行一定的网络扩容，对整体的基站建设来说，具有非常重要的基础性作用。[7] 通信基站噪声分析 通信基站的机房内安装GK-G016×2Mb/S型光终端机、 H950ZTE型发射机、DUM-48/50C4型电源柜、TYGT606045型通用机柜等设备。设备的底座尺寸为600 mm×600 mm， 高度为 900～200 mm 不等。机房设在居民住宅楼内，与居民住室仅一墙之隔。[8] 通信基站的设备噪声为电磁噪声和由多台小型冷却风扇 产生的机械噪声，现场实测噪声为61dB，实测噪声频谱 。 噪声呈低中频特性，250，500，1000Hz有峰值。相邻居民室内噪声为33dB，能听到设备运行时发出的“嗡嗡”声。由于设备直接安装在楼板上，没有采取隔振措施，因此振动通过楼板传播，存在着固体传声。 由现场实测可知，机房与居民住室之间隔墙的隔声量仅为28dB，大大低于1B砖墙（双面粉刷），应当有45dB 以上的隔声量。原因是由于间壁墙或楼板对低频声的隔声能力比较低，加之由于设备的振动产生固体传声，使间壁墙或楼板的隔声量降低。[8] 建立 工作程序 (1) 已获权运营的移动通信经营者在设置或增设移动通信基站时，要先填写《公用移动通信基站站址认定审批表》。 (2) 市委办在十五日内对递交的《公用移动通信基站站址认定审批表》予以答复，同意设置时，核发《公用移动通信基站选址认定书》。 (3) 运营单位建站后，即应报环保局申请《电磁辐射环境合格证》。环保局应在三个月试运期内测试，经验收后，核发《电磁辐射环境合格证》。 (4) 设台单位凭《公用移动通信基站选址认定书》、《台站技术资料表》、《电磁辐射环境合格证》申办电台执照。 法律依据 《中华人民共和国无线电管理条例》 、《中华人民共和国电信条例》分别从无线电管理、电信设施的角度对基站设置、保护等问题作了较原则的规定，如：《电信条例》中第四十七条规定：“基础电信业务经营者可以在民用建筑物上附挂电信线路或者设置小型天线、移动通信基站等公用电信设施，但是应当事先通知建筑物产权人或者使用人。”这为电信业务经营者在民用建筑物上设置基站提供了法律依据。 按照《中华人民共和国无线电管理条例》、《中华人民共和国电信条例》和《上海市公用移动通信基站设置管理办法》的规定，任何组织和个人不得阻挠经营者依法从事基站的设置和维护，违反规定损害基站设施或者妨害移动通信畅通的，应当恢复原状或者予以修复，并赔偿由此造成的经济损失。 参考资料参考资料