移动蜂窝网络基站工作原理探究

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移动网络通信不断进行技术更新迭代，从早期的2G，到现在的5G。那么究竟是什么发生了变化。手机射频天线变了？手机CPU芯片变了？基站变了？通信协议变了？其实都变了。今天我们就来聊一聊基站。

据官方数据显示，2G，3G，4G，5G基站覆盖距离的典型值如下：

可以发现，现在普遍建设的5G基站，覆盖半径不到1公里。意味着每隔大约2公里就要部署一台基站，也就是说我们周围到处都是基站。但是有人就问了，我咋没看见啊，基站长啥样啊。

基站（Base Station，BS），一般指“公用移动通信基站”，基站就是给手机提供接入网络的入口。

我们看到的高耸的铁塔，有的上面还会写“中国移动”四个大字，以为这就是基站，看起来辐射很强的样子，让人压抑地胆战心惊。实际上，上图只是铁塔和天线，是基站的一个组成部分，基站除了这些看得见的部分，还包括很多看不见的部分。通常由以下几个部分组成：

天馈系统：负责信号的发送和接收，包含天线和馈线；

射频单元：负责信号的生成和提取，我最重要的部分；

基带单元：负责信息的加工和处理，核心的中的核心；

配套系统：为上述各个系统提供支撑，包含铁塔，机房，电源空调等设备。

在2G、3G时代，基站分为两层结构。如图：

到了4G LTE时代，两层精简成了一层，变成了单独的eNodeB，如下图：

我们那4G基站eNodeB为例，一般包括以下组成部分：

注意：天馈=天线+馈线。像上图那种高高的铁塔，一般建在农村。大多数基站是不需要专门建塔的，直接建在现有楼顶上即可。房顶上有一排竖起来略微向下倾斜的板状物体，一般就是天线了。如果在房屋稀少的地方，就会专门建挂基站用的通信塔，在铁塔的顶部，有一圈长方形板状的东西在熠熠闪光，那就是天线。

天线用来收发信号，可以把从射频单元送来的信号聚焦在正确的方向上发送给手机，甚至还能像手电筒的光束一样，用信号形成的电磁波束来随着手机移动，精准发射。

同时，它还能感知并接收手机发来的微弱信号（手机的功率很小），并把这些信号收集起来发给射频单元来从中提取信息。上图的基站包含三幅天线，每个向周边120度的方向发射信号，加起来就可以提供360度的无缝覆盖了。

在天线的底部，有一股黑色细线向下延伸，这些线缆就是馈线，用来连接射频单元并传播电磁波到天线上，和天线一起组成天馈系统。

考虑到市容以及居民对基站辐射的排斥，一般城区的基站会进行美化，如下图：

这是美化成空调外机的样子。还有伪装成树的，如下图：

农村，高速公路，高铁，景区等场景基本都是铁塔，就是我们所熟知的基站。铁塔一般都建得比较高，目的是为了覆盖更远。

城市里面用的最多的是美化罩，就是在楼顶看起来像空调外机一样的东西。住宅小区用的最多的是射灯天线，主要安装在住宅楼顶，看起来像灯罩，实际是天线，主要覆盖小区住户。

还有一种主要是运用到车库，过道等室内环境的。我们叫室内分布，如下图：

还可以伪装成下水道盖，如图：

作这些伪装，一是为了城市美观，看起来和周围建筑协调一点。二是为了减少投诉，纠纷。有信号的地方就有辐射，有辐射的地方就有纠纷。辐射主要来自射频单元。在天线背后有个银色盒子，这就是射频单元，如图：

射频单元简称RRU，其英文为Remote Radio Unit，直译过来就是“远端射频单元”的意思，也可以叫“射频拉远单元”。国内很多人喜欢叫RRU，但是也有很多公司喜欢叫RRH, RFU， 其实都是说的相同或者近似的东西。

这里用了“远端”这个词，因为射频单元和基带单元是一起配合工作的，但基带单元在铁塔底下的机房里，而射频单元却高高地挂在塔上，两者离得比较远。RRU主要负责无线信号的生成和提取。

信号的生成，就是把要发送的信息转化成电磁波，然后通过馈线传给天线，最后发射到空气中。信号的提取，就是把天线接收到的几路微弱的手机信号合并起来，在通过各种办法去除干扰的影响，并从中提取出有用的信息再发个基带单元去处理。

RRU内部可以分成很多模块，分别负责2G，3G，4G或5G信号的发送，有人会疑问，那么高大的铁塔发射这么多信号，功率是不是很大？实际上，一个RRU的最大发射功率也就是80瓦，120瓦，160瓦这些值。注意，这是峰值，一般情况下都不会配满，而且空闲时间发射的信号强度就更小了。一般家用微波炉功率在1000瓦左右。相比之下，铁塔的辐射十分微小。

从2G到5G，我们的技术越来越进步，能使用的频率越来越高，但是基站的辐射，却是在不断下降的。因为基站体积在不断变小。在2G时代，我们的基站是庞然大物，如图：

为什么要这么大，因为一个基站要覆盖10公里内所有的信号，信号发射器的功率必须很大。但是到了5G时代就不一样了，因为频率太高，波长太短，绕射能力不足，一个基站控制的范围仅有200~500m，基站修大了也没用。因为功率大和功率小，都不影响覆盖范围的面积，所以每一个基站，都修的非常迷你。任正非接受媒体采访时说：

“5G基站只有一点点大，20公斤，就像装文件的手提箱那么大，不需要铁塔了，可以随意装在杆子上、挂在墙上；我们还有耐腐蚀材料，几十年不会腐蚀，可以把5G装在下水道里。”

一个5G基站，十分小巧，如图：

这个5G基站的功率非常小，不到20w，还不如一个灯泡耗能大。连功率都没有，自然没有什么辐射可言。此外，我们国家对通讯基站的功率设定的标准非常严格，远远高于美国和欧盟标准，仅40微瓦/平方厘米，而美国的标准，则是600微瓦，足足高出了15倍。

举个身边的例子：我们平时使用的电吹风，对着脑袋的辐射大概是100微瓦/平方厘米。家里的无线路由器，在距离1m左右的时候，辐射量大概是60微瓦/平方厘米。距离电磁炉0.5m左右，产生的辐射量是580微瓦/平方厘米。

根据电磁波的物理特性，当你距离电器的距离拉长的时候，其辐射量会急剧下降，仅拉开30厘米，辐射量下跌超百倍。

可以看到，辐射量随距离成指数下降。只要我们不把脸贴在基站上，是不用担心辐射的。注意，当基站信号微弱的时候，手机会自动提升天线发射功率来捕捉信号，对你的辐射可能会达到50微瓦/平方厘米的级别。

我们离开射频单元，沿着电源线一路向下，就到了机房了。

机房的作用就是为内部核心的设备——基带单元遮蔽风雨，提供电源，以及空调降温的。

现在改成一体化站房了：

自带底座，吊机找个地方一放，就完事了（有的甚至自带轮子，可以拉着走）。基带单元是一个约十厘米高，不到半米宽的盒子，上面插满线缆，面板上有些绿色的LED灯在快速地闪烁着，伴随着风扇转动的嘶鸣声。

基带单元，也叫BBU，英文是Base Band Unit。BBU的作用是完成原始信息的加工处理的，然后就可以发送给RRU来生成无线电信号，然后通过天线发送给手机了。反过来，手机发出的信号也是要通过天线接受进来，经过RRU的初步处理，最终到达BBU来提取信息。

有很多红色黑色蓝色线（电源线）的，带很多开关拨扭的一般是电源设备。有很多光纤口、网口的，插了很多黄色光纤线之类的一般是传输设备。BBU，RRU和天线是基站最核心的部件，它们协同工作，完成打电话，发短信，上网等通信功能。

早在2018年全国就有648万个基站，彼此紧密相连成网络，为所有人提供无缝覆盖的通信服务。《中国互联网发展报告（2021）》数据显示，2020年，我国移动通信总基站已达931万个。不到两年新增了近300万个，增长近50%。

2021年，全国移动通信基站总数达996万个，其中5G基站有142.5万个，总量占全球60％以上。也就是说，全球200多个国家的5G基站，我国占了超过60%，位居世界第一，超过美国和欧洲。

室内的信号覆盖一直是很头疼的问题，基站一般都建在楼顶啊之类的高处，人一旦进了楼里，手机就容易没有信号，尤其是地下室、停车场、还有电梯。针对室内环境，会专门布设室内分布系统。也就是业内常说的“室分”，其实也就是信号的二次中继和增强覆盖。从信源（例如微蜂窝基站或直放站）接出馈线然后到各个房间再利用天线发出信号。

大家经常在办公室头顶上看到的这个像奶嘴一样的就是——全向吸顶天线。

还会用到板状定向天线，挂墙安装：