Изучение базовых станций

1. Изучение базовых станций

2.

Актуальность: Кратко о роли беспроводной связи в современном
мире. Базовые станции (БС) — это фундамент всей мобильной
инфраструктуры (2G-5G, IoT).
Цель работы: Систематизировать знания о архитектуре, принципах
работы и основных характеристиках базовых станций сотовой связи.
Задачи:
Раскрыть теоретические основы построения и функционирования
БС.
Рассмотреть ключевые компоненты и их назначение.
Привести простой практический пример идентификации параметров
ближайшей БС с помощью смартфона.
Сделать выводы о принципах организации сотовой сети.

3. Введение в концепцию

Базовая станция является фундаментальным элементом
архитектуры сотовой связи, реализующим интерфейс между
абонентскими терминалами (UE - User Equipment) и
опорной сетью (Core Network). Теоретически, БС — это не
просто антенна, а сложный программно-аппаратный
комплекс, функционирование которого базируется на
принципах клеточного разбиения, множественного доступа
и цифровой обработки сигналов.

4. 1. Архитектурные принципы построения БС

Теоретическое построение БС можно разделить на три ключевых архитектурных уровня: радиомодуль, модуль
базовой обработки и система управления.
1.1. Функциональное
архитектуре
разделение:
Эволюция
от
монолитной
к
децентрализованной
Классическая архитектура (BTS - Base Transceiver Station): Все функции обработки сигнала (кодирование,
модуляция, формирование луча) выполнялись в оборудовании, расположенном в непосредственной близости от
антенн. Это создавало проблемы с масштабируемостью и энергопотреблением.
Архитектура D-RAN (Distributed RAN): Радиомодули (RRH - Remote Radio Head) вынесены на мачту, а
базовое оборудование (BBU - Base Band Unit) размещается в более защищенном помещении у подножия.
Соединение между RRH и BBU осуществляется через оптоволоконный интерфейс CPRI (Common Public Radio
Interface). Это снижает потери в кабеле и повышает гибкость.
Архитектура C-RAN (Cloud/Centralized RAN): Теоретической вершиной эволюции является концепция CRAN. Множество BBU из разных сайтов централизуются в одном дата-центре, образуя пул ресурсов базовой
обработки. Это позволяет динамически распределять вычислительные мощности между сотнами в зависимости от
нагрузки, реализуя принцип "виртуализации сетевых функций" (NFV - Network Functions Virtualization).

5.

1.2. Ключевые компоненты БС с точки зрения теории связи:
RRH (Remote Radio Head): Выполняет функции преобразования сигналов из
цифровой формы в аналоговую (ЦАП) и обратно (АЦП), усиление мощности на
восходящем и нисходящем каналах, фильтрацию. Теоретической основой является
теория цифровой обработки сигналов (ЦОС) и теория информации Шеннона.
BBU (Base Band Unit): Является "мозгом" БС. Реализует физические процедуры
(PHY): кодирование/декодирование канала, модуляцию/демодуляцию, обработку
MIMO-антенн. Также выполняет функции MAC (Medium Access Control) и RLC (Radio
Link Control) уровней. Теоретической базой здесь выступают методы
помехоустойчивого кодирования (Турбо-коды, LDPC), алгоритмы цифровой модуляции
(QPSK, 16/64/256-QAM) и теория многоантенной связи (MIMO).

6. 2. Теоретические основы функционирования БС

Функционирование БС — это непрерывный процесс управления радиоканалом и обеспечения
множественного доступа.
2.1. Реализация принципа множественного доступа
БС должна одновременно обслуживать множество абонентов. Теоретически это решается методами
разделения каналов:
FDMA/TDMA (2G GSM): Частотное и временное разделение.
CDMA (3G UMTS):
последовательностей.
OFDMA (4G LTE, 5G NR на нисходящем канале): Ортогональное частотное разделение с множественным
доступом. Теоретической основой является быстрое преобразование Фурье (БПФ), которое позволяет
создать множество узкополосных ортогональных поднесущих, устойчивых к межсимвольной
интерференции.
SC-FDMA (4G LTE, 5G NR на восходящем канале): Частотное разделение с одной несущей и
множественным доступом. Используется для снижения пик-фактора мощности абонентских устройств.
Кодовое
разделение,
основанное
на
теории
ортогональных
кодовых

7.

2.2. Управление радиоканалом (Radio Resource Management - RRM)
Это ядро интеллектуального функционирования БС. Теоретической базой для RRM
являются теория управления, теория очередей и алгоритмы искусственного интеллекта.
К ключевым функциям RRM относятся:
Планирование ресурсов (Scheduler): Динамическое распределение ресурсных блоков
(время/частота) между абонентами на основе алгоритмов (напр., Proportional Fair),
которые балансируют между общей пропускной способностью сотны и
справедливостью.
Управление мощностью (Power Control): Непрерывная регулировка мощности
передачи для компенсации затухания сигнала (замираний) и минимизации
межканальных помех. Основано на теории замкнутых и разомкнутых систем
управления.
Управление мобильностью (Handover): Процедура передачи обслуживания абонента
между сотами. БС измеряет уровень сигнала от абонента и соседних станций и на
основе заданных алгоритмических порогов и гистерезиса инициирует бесшовную
передачу.

8.

2.3. Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Современная БС немыслима без MIMO. Теоретической основой
является линейная алгебра и теория матриц. MIMO использует
пространственное разнесение антенн для:
Повышения надежности (Space-Time Coding): Передача одного и
того же потока данных через разные антенны для компенсации
замираний.
Повышения
пропускной
способности
(Spatial
Multiplexing): Одновременная передача нескольких независимых
потоков данных через один и тот же частотный ресурс. В 5G эта
концепция эволюционирует в Massive MIMO, где используются
десятки и сотни антенных элементов, что позволяет формировать
узконаправленные лучи (Beamforming) к каждому абоненту,
кардинально повышая спектральную эффективность.

9. 3. Интерфейсы и взаимодействие с сетью

Теоретически БС не существует изолированно. Ее работа описывается моделью
взаимодействия "точка-точка".
Интерфейс "воздух" (Uu): Интерфейс между БС и абонентским устройством.
Регламентируется стандартами (3GPP).
Интерфейс с опорной сетью:
o В 4G: интерфейсы S1 (с ядром EPC) — для передачи данных и управления.
o В 5G: интерфейсы NG (с ядром 5GC) — обеспечивают более гибкую, сервис-
ориентированную архитектуру (SBA).
Интерфейс между БС (X2 в 4G, Xn в 5G): Прямой интерфейс для координации
между станциями, критически важен для эффективного хэндовера и управления
помехами (CoMP - Coordinated Multi-Point).

10. Ключевые компоненты базовой станции и их назначение

Современная базовая станция (БС) — это не просто антенна на вышке.
Это сложный аппаратно-программный комплекс, архитектура которого
эволюционировала от моноблоков к распределенным системам.
Ключевые компоненты можно разделить на две основные
группы: радиочасть (устанавливается на мачте) и базовая
часть (устанавливается внизу).

11. Антенная система (Antenna System)

Это наиболее видимая часть БС, представляющая собой набор прямоугольных панелей.
Назначение: Прием и передача радиосигналов на абонентские устройства (UE - User Equipment).
Конструкция и принцип работы:
Секторность: Станция typically делит зону покрытия на 3 сектора по 120° каждая. Каждая антенная
панель обслуживает свой сектор. Это позволяет повторно использовать одни и те же частоты в разных
секторах, увеличивая емкость сети.
Диаграмма направленности: Антенны не излучают сигнал равномерно во все стороны, а формируют
луч, сконцентрированный в горизонтальной плоскости (в направлении своего сектора) и определенным
образом суженный в вертикальной. Это позволяет "доставлять" сигнал на большее расстояние и
минимизировать помехи.
Поляризация: Современные антенны используют двойную круговую поляризацию (±45°). Это
позволяет принимать сигнал независимо от ориентации смартфона в пространстве и компенсировать
затухания, возникающие при отражениях сигнала от препятствий.

12.

MIMO (Multiple Input Multiple Output): В антеннах 4G и 5G реализована технология
MIMO. Фактически, одна антенная панель содержит несколько независимых антенных
элементов (например, 4, 8, 64). Это позволяет одновременно передавать несколько
потоков данных на одном частотном канале, что кратно увеличивает пропускную
способность.
2x2 MIMO: 2 передающих элемента, 2 приемных.
4x4 MIMO: 4 передающих элемента, 4 приемных.
Massive MIMO (для 5G): Используются антенны с десятками или сотнями элементов,
формирующие узконаправленные лучи к каждому абоненту.

13.

14. Радиоблок (Remote Radio Unit - RRU) или Active Antenna Unit (AAU)

Это компактный герметичный блок, который крепится непосредственно на мачте рядом с антеннами.
Назначение: Преобразование сигналов и их усиление.
Принцип работы и ключевые функции:
Прием сигнала: Принимает от антенны слабый аналоговый радиосигнал высокой частоты, усиливает его и
преобразует в цифровую форму (АЦП - Аналого-Цифровой Преобразователь).
Передача сигнала: Принимает от базового блока (BBU) цифровой сигнал, преобразует его в аналоговую форму
(ЦАП - Цифро-Аналоговый Преобразователь), усиливает до необходимой мощности и передает на антенну для
излучения.
Усиление мощности (Power Amplifier): Ключевой элемент RRU. Обеспечивает достаточную мощность сигнала для
покрытия расчетной площади соты.
Фильтрация: Очищает сигнал от помех.
Преимущество архитектуры RRU: Размещение радиоблока близко к антенне позволяет использовать короткие и
малошумящие фидерные линии (кабели), что значительно снижает потери мощности сигнала по сравнению со старой
архитектурой, где все оборудование стояло внизу, а к антенне шел длинный толстый кабель.

15.

16. Базовый блок (Base Band Unit - BBU)

Это "мозг" базовой станции. Обычно размещается в защищенном шкафу у основания мачты или в
специальном помещении.
Назначение: Цифровая обработка сигналов, управление ресурсами и взаимодействие с сетью
оператора.
Принцип работы и ключевые функции:
Цифровая обработка сигнала (Digital Signal Processing - DSP):
Кодирование/декодирование (Channel Coding/Decoding): Добавление избыточности к данным для
исправления ошибок, возникающих при передаче по радиоканалу.
Модуляция/демодуляция (Modulation/Demodulation): Преобразование цифровых битов в
радиосигнал (при передаче) и обратно (при приеме). От сложности схемы модуляции (QPSK, 16QAM,
64QAM, 256QAM) зависит скорость передачи данных.
Кодирование речи (Speech Coding): Для голосовых вызовов (2G, 3G).

17.

Управление радиоканалом (Radio Resource Management - RRM):
Распределение частотных ресурсов (Resource Blocks) между абонентами.
Управление мощностью передачи.
Организация и контроль хэндовера (передачи абонента между сотами).
Коммутация трафика: Передача пользовательских данных (голос,
интернет) и служебной информации по интерфейсу к контроллеру или
ядру сети (через транспортную сеть).
Синхронизация: Точная синхронизация по времени (часто по
GPS/ГЛОНАСС) критически важна для работы TDMA, LTE TDD и 5G.

18.

19. Вспомогательные системы

Система питания: Источник: ~220/380 В.
Резервирование: Обязательное наличие аккумуляторных батарей (АКБ) для автономной работы при
отключении электроэнергии (обычно на 4-8 часов). На критически важных объектах могут устанавливаться
дизельные генераторы.
Система охлаждения: Кондиционеры или термоконтроллеры для поддержания стабильной температуры в
шкафу с оборудованием. Перегрев приводит к сбоям и выходу из строя электроники.
Система мониторинга и управления: Датчики (температуры, влажности, дверные), которые передают
данные о состоянии станции в центр управления сетью (NOC - Network Operations Center). Позволяет
оперативно реагировать на неисправности.
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС): Обеспечивает транспортный канал для подключения BBU к
ядру сети. Имеет огромную пропускную способность, необходимую для агрегации трафика от сотен
абонентов.

20.

21.

22. Простой практический пример идентификации параметров ближайшей БС с помощью смартфона.

Чтобы посмотреть параметры ближайшей базовой станции на устройстве Android, воспользуйтесь
следующим способом:
1. Запустите приложение "Телефон" на вашем Android-устройстве.
2. Введите следующий специальный код: *#*#4636#*#*
3. После ввода кода откроется служебное меню с несколькими вкладками:
Информация о SIM-картах телефона
Информация о Wi-Fi

23.

4. Нажмите на вкладку «Информация о телефоне». Там вы найдете важную
информацию
о
вашей
SIM-карте
и
статусе
мобильной
сети
Здесь вы сможете просмотреть следующую информацию:
- CID: Cell ID (идентификатор ячейки)
- LAC/TAC: Location Area Code / Tracking Area Code (код зоны
местоположения)
- RSRP: Received Signal Reference Power (уровень мощности принимаемого
сигнала)
- EARFCN: EUTRA Absolute Radio Frequency Channel Number (радиочастота
канала)
- RSCP, Ec/Io, SNR и другие показатели качества сигнала
Таким образом, используя этот метод, вы получите точные данные о
ближайшем узле инфраструктуры мобильной сети, к которой ваше
устройство подключено в данный момент.

24.

Параметр
Что означает
Пример значения
Стандарт связи
Технология подключения (2G, 3G, 4G,
LTE
5G)
MCC (Mobile Country Code)
Код страны. Для России всегда 250.
MNC (Mobile Network Code)
Код оператора. Уникален для каждого. 01 (МТС), 02 (МегаФон)
TAC / LAC (Tracking/Location Area
Code)
Идентификатор зоны локации (группа
12345
вышек).
CID / CI (Cell Identity)
Уникальный идентификатор соты.
Главный параметр.
21567890
Частота (EARFCN / ARFCN)
Номер канала, по которому
определяется частота.
1750 (для Band 3)
RSRP (Reference Signal Received
Power)
Мощность принимаемого сигнала.
Ключевой показатель уровня сигнала.
Чем ближе к 0, тем лучше.
-95 дБм
RSRQ (Reference Signal Received
Quality)
Качество принимаемого сигнала.
-12 дБ
250
Ваше значение

25. Вывод

1. Теоретическая значимость: Было установлено, что базовая станция (БС) является ключевым элементом
сотовой сети, обеспечивающим радиопокрытие и связь между абонентскими устройствами и опорной сетью. Её
архитектура включает в себя антенные системы, радиомодули (RRU) и базовый блок (BBU), что позволяет
эффективно управлять трафиком и зоной обслуживания (сотами).
2. Функциональное многообразие: Изучение показало, что современные БС — это сложные многоканальные
устройства, способные одновременно работать в нескольких стандартах связи (2G, 3G, 4G) и на разных
частотных диапазонах. Это обеспечивает преемственность поколений и широкий охват услуг связи.
3. Результаты практического анализа: В рамках практической части был рассмотрен пример определения
местоположения и зоны покрытия ближайшей БС с помощью смартфона. Этот простой метод наглядно
продемонстрировал принцип действия сотовых сетей, а именно — возможность устройства идентифицировать
обслуживающую станцию и оценить уровень её сигнала, что напрямую влияет на качество связи.
4. Баланс мощности и экологии: Подтверждено, что работа БС требует значительных энергозатрат, что делает
актуальными задачи по оптимизации их энергопотребления (например, использование sleep-режимов в ночное
время). Этот аспект является важным экологичного подхода к развитию сетевой инфраструктуры.
5. Перспективы развития: Анализ подтвердил, что эволюция базовых станций неразрывно связана с
внедрением технологий 5G и Massive MIMO, что ведет к увеличению скорости передачи данных, снижению
задержек и росту плотности подключений на квадратный километр.

26. Заключение

Основополагающие принципы проектирования и работы базовой станции строятся на
интеграции таких важнейших областей знаний, как теория коммуникаций, цифровая обработка
сигналов, теория управления и сетевые технологии. Развитие архитектуры базовой станции от
цельной структуры к виртуализированной и облачной (C-RAN) отражает общую тенденцию к
увеличению адаптивности, производительности и интеллектуализации сетей. Важнейшие задачи
базовой станции, например, управление ресурсами с использованием OFDMA/SC-FDMA,
внедрение технологии Massive MIMO и точное управление мобильностью, представляют собой
практическую реализацию сложных математических моделей и алгоритмов, которые
обеспечивают высокоскоростную мобильную связь.
Базовые станции – это сложные технические устройства, которые обеспечивают покрытие и
пропускную способность сотовой сети. Их конструкция развивается в направлении
распределенных систем (RRU+BBU) и поддержки новых стандартов связи. Знание конструкции
и принципов работы базовых станций крайне важно для инженеров, работающих в сфере
телекоммуникаций, как для развертывания сетей, так и для их оптимизации и устранения
неисправностей. Прогресс в технологиях Massive MIMO, виртуализации сети (vRAN) и
применение миллиметровых волн в сетях 5G открывают новые горизонты для увеличения
скорости передачи данных и уменьшения задержек.