跨越千年的基站进化史

分享到:

话说作者在思考基站进化史这个主题时,忽然想到,以基站为标志的移动通信系统,就正如地球上的生命的发展史一样,大多数的岁月寂寂无声,到最后突然加速。

地球的历史已有46亿年,如果把这段漫长的时光压缩到一天的话:前4个小时一片死寂,之后的十几个小时仅有微生物活动,直到晚上8点,各种高级生命才得以爆发。

而人类,则要在最后的20秒才登场,之后经过漫长的野蛮矇昧时代,上下五千年的文明只占了1/10秒而已。

基站的历史,也和上面的过程类似。因此,蜉蝣君参考地质年代,把基站的历史划分为了“三宙三代”:冥古宙,太古宙,元古宙,古生代,中生代,新生代。其中“宙”的时间远长于“代”。

1、冥古宙:马拉松

“欢庆吧,雅典人,我们胜利了!”

上气不接下气地说完这句话,菲迪皮茨一头倒在地上,再也没能起来。42.193公里的长途奔跑,已经耗尽了他的生命。这一切,只为传达胜利的喜讯。

时值公元前490年,面对波斯帝国大军的侵犯,古希腊的雅典人奋起抵抗,终于在“马拉松”这个地方获得了大胜。

主帅遂命令有“飞毛腿”之称的士兵菲迪皮茨速速回去报信,于是就有了这一段著名的“马拉松之跑”。

1.1

这就是通信的冥古宙,这是一个通信基本靠吼,送信基本靠腿的时代。基站这种高级装备还没有诞生。

在所有通信需求中,毋庸置疑,最重要的就是关乎生死存亡的军事信息。

2、太古宙:烽火台

烽火台上,浓烟滚滚,直冲天际。

临近烽火台上的士兵,看到信号之后,也纷纷燃起烽火,释放浓烟,这外敌入侵的信号,十万火急。

随着一座座烽火台的接力传播,一时间整个国家狼烟四起。

1.2

大事不好,天子有难!驻扎在各地的诸侯看到之后,纷纷厉兵秣马,连夜奔袭,前往京师勤王。

然而到达京城之后,只见处处歌舞升平,战事全无。高台之上,周幽王深情地凝视着爱姬褒姒,似乎在等待着什么。

“辛苦大家了!这里没什么大事,我就是点烽火玩玩,逗爱妃一笑而已!”周幽王如是向诸侯们说。

褒姒看着诸侯们忙乱又无奈的窘相,千军万马万里奔袭只因儿戏,不禁嫣然一笑。

话说烽火台就相当于基站,在上面燃烧狼粪,浓烟冲天,可以视为信息的编码和传送。

当然其中的信息只有两个可能:

0、不燃烽烟,国泰民安

1、狼烟四起,敌国来犯

虽然如今看来,只有一个比特的信息,但由于传递的迅速又准确,烽火台在中国得到了非常广泛的应用。

1.3

大家最熟悉的就是长城上的烽火台。从春秋战国开始修长城,后面秦朝在修,汉朝在修,明朝也在修。

绵延万里的长城,串起了无数的烽火台,作为军事通信使用了两千余年。

3、元古宙:信号塔

“巴黎无事,良民皆安!”

1799年,拿破仑发动雾月政变,登上权力巅峰。随后他下令用当时最先进的通信设备给全国发送了上面那句话。

很显然,这么复杂的句子,用烽火台是难以完成的。这就需要另外一种更为高级的“基站”。

这是法国的克洛德发明的一种新型通信塔。塔上架着一根横梁,横梁两端是两个巨大的悬臂,分别由缆索操纵。

1.4

其中每个悬臂都可以形成7个角度,横梁也可以有两个旋转角度。这样一来,就一共有7*7*2种组合,理论上可以表示98个符号。

事实上,克洛德对这些符号进行了复杂的编码,不但含有信息内容,还有相关的控制信令(包括停止,确认,冲突等控制信息),最终形成了一个长达八千多条的码本,囊括了字词,音节,人名,地名等诸多信息。

这种原始的“基站”是怎样传递信息的呢?首先由发端根据需要不断调整信号塔的上的造型,每分钟最多可以发送3个信号,然后下一个节点的操作员用望远镜观察并记下这些信号,再在自己所在的塔上复制这些信号,供下下一个节点接收。

信号就这样一级一级的往下传递,直至最后一级的操作员记下所有的信号,并查询码本进行解码,复原出里面的原始信息。

这个系统自发明之后,很快被用于战争中。一个信号从法国东南的土伦传到巴黎,沿线经过120座信号塔,跨越760余公里,能够做到只需10到20分钟。它传递的第一条信息正是法国军队打败了奥地利军队的捷报。

1.5

这种信号塔曾遍布法国全国,辉煌一时。

此时的欧洲充满活力,对于电磁这种神秘力量的研究日渐深入。随着电磁波用于通信的研究和实验的日渐深入,现代电报系统已呼之欲出。

这种由原始机械驱动的“基站”还未惠及大众,就面临着被淘汰的命运。时代的发展,无线通信发展的即将进入快车道。

4、古生代:一体化基站

上世纪70年代末,第一代移动通信发展起来,真正意义上的基站正式诞生。

当时,手机因为可以自由移动,因此叫做“移动台”,基站固定不动,因此叫做“固定台”更为准确。如论如何,基站此时已经初具雏形。

此时的基站主要由一体化的基站机柜(内含基站主设备),传输射频信号的馈线,还有收发信号的天线组成。其中馈线和天线跟现在并无二致,主要是机房里基站机柜这个大家伙有所差异。

基站机柜里的设备可以完成基带信号的处理和射频信号的生成。基带信号就是最原始的信号,频率很低,不适合直接发送,因此需要经过调制,让一个频率较高的载波把基带信号携带上成为射频信号,才可以在空中进行发送。

这一点从1G到5G是基本一致的。不同的是,1G是模拟系统,容量低、语音质量差,也没有保密性,只能满足最基本的通话需求。

到了2G,基站的进化成为了数字系统,内部处理更为复杂,但其外在长相并没有太大的变化。都是基带和射频在同一个单元上进行处理,射频信号需要经过长长的馈线才能到达铁塔上的天线,损耗很大,因此必须使用很大的机顶功率。

下面我们来看看一个真实的2G基站的组成…

1.6

爱立信RBS2206

上面这个爱立信的2G基站主要包括公共单元、收发单元、合分路单元,其中,公共单元包括供电单元、传输接口单元、时钟分配单元等。

收发单元,全称Transmission Receiver Unit,简称TRX或TRU,指收信器和发信器的合称,我们通信人通常叫它“载频”。

最早期2G收发单元的功能包含无线信号的收发、放大、调制/解调、编解码和DSP数字处理等,这其实就是将基带和射频部分的处理集于于一体。

1.7

摩托罗拉的2G基站

5、中生代:SDR基站

随着基站从2G向3G进化,设备的硬件能力逐渐增强,人们也逐渐意识到,基站上面处理基带的模块体积小,功耗低,而处理射频的模块则体积大,功耗高。那么何不把这两者分离呢?

这样一来就形成了基带单元和射频单元。基带单元专注处理基带功能,能力更为强大;而射频单元则可以拉远放在塔顶,没有了馈线损耗,输出功率也可以得以降低。并且,射频单元可以使用自然散热,不在需要风扇,总功耗也可以降低。

此时,基带单元得名为BBU,是英文Baseband Unit的缩写;而射频单元则得名为RRU,是英文Remote Radio Unit的缩写,注意里面含Remote这个字眼,因为RRU可以拉远到铁塔顶上近天线安装。

1.8

BBU加上RRU,就组成了SDR的概念。SDR就是Software Defined Radio的缩写,意为软件定义无线电。硬核的基站这下忽然软了起来,这又是何解?

如前所述,在2G一体化基站中,一个载频(TRX或者TRU),可支持一路特定频率的信号收发,同时也是个硬件模块,含有独立的功率放大器。基站要支持多个载频,需要用射频线缆跟合路器把这些载频合路起来再连接到天线。

而在SDR架构中,一个RRU中的一个功放可以同时支持多个载频,只需要通过软件进行配置即可。这样一来,载频就从硬件的概念变成了软件上的概念,多个载频可从同一个射频口发射功率,无需合路器。

1.9

并且,一个RRU不但可以从软件上支持2G的载频,还能同时支持3G和4G的载波,多种制式可以和谐共存于同一个基站当中,就形成了Single-RAN或者UniRAN的概念。不管是Single-RAN还是UniRAN,都意味着单个基站能同时支持多种制式,无所不能。

目前的基站,早已是SDR的天下,早期的一体化基站由于缺点太多,只余少量的2G基站在苟延残喘,由于早已结束生命周期,随时可能被搬迁或者退网。

6、新生代:5G CU/DU分离态基站

随着5G时代的到来,因为虚拟化技术已经成熟,同时考虑到对高速率,大连接,低时延的支持,5G基站需要再次进行的进化。

首先,由于5G对超高速孜孜不倦的渴求,传统的2x2MIMO和4x4MIMO已无法满足需求,需求直指Massive MIMO。而Massive MIMO需要一个几十甚至上百根天线,这样一来,不但RRU吃不消,天线也很为难:要这么多端口,连线还不成刺猬了?

因此,RRU和天线直接合体成AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元),信号直接在内部进行对接,不用外部出端口连线了,大大简化了实现。

然后,由于5G需要面向多业务,低时延应用需更加靠近用户,超大规模物联网应用需高效的处理能力,5G基站应具备灵活的扩展功能。

因此BBU把不需实时处理的部分切分出来组成CU(Centralized Unit,集中单元),剩余的需实时处理的部分组成DU(Distributed Unit)。其中CU可以使用虚拟化技术部署在大容量的通用服务器上,管理多个站点的DU。

于是,便有了下面这张4G到5G的基站变身图。

1.10

如果要细分到协议栈的话,画风是下图这样的。

1.11

那么,从看得见摸得着的外观方面,5G基站到底有哪些变化?

用一句话来说:AAU长得像发胖的天线,DU的长相继承了BBU的衣钵,而CU,由于使用了通用服务器,仅仅作为软件的存在,将隐没在机房中难觅踪迹。

好了,基站的进化史就讲到这里,希望对大家有所帮助。

来源: 无线深海

继续阅读
超宽带技术的优缺点是什么?

超宽带无线通信技术(UWB)是一种无载波通信技术,UWB不使用载波,而是使用短的能量脉冲序列,并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。

3G→4G→5G:一张图看懂核心网演进史

3GPP诞生于1998年,旨在对第三代(3G)移动通信网络进行技术规范。1999年,3GPP基于2G系统发布了首版标准Release 99。在Release 99中,核心网分为电路交换域和分组交换域两部分。

为什么灾后通信能快速恢复?

为什么灾后通信能快速恢复?

5G 毫米波为啥这么难?

如果把 sub 6GHz 5G 网络比喻为在一座老城里扩建一条单车道公路,那么毫米波 5G 就相当于在一座新城里新修一条四至八车道公路。

无人机基站是怎么回事?

据报道,这是中国移动受命应急管理部,紧急派出的搭载基站设备的翼龙无人机,从贵州安顺长途奔袭至河南省巩义米河镇,完成了应急通信保障后,让灾区群众能报个平安。