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基站为什么要“上天”?

木马童年 2021-8-9 01:10 27 0

过去几十年来,移动通信技术从1G发展到5G,建设的基站越来越多,网络覆盖越来越好,到今天,我们几乎可以随时随地拿起手机上网、刷视频。 但你有没有发现一个问题,不管是3G、4G还是5G,提供的服务质量都不稳定,波 ...

过去几十年来,移动通信技术从1G发展到5G,建设的基站越来越多,网络覆盖越来越好,到今天,我们几乎可以随时随地拿起手机上网、刷视频。

但你有没有发现一个问题,不管是3G、4G还是5G,提供的服务质量都不稳定,波动较大,导致手机网速有时快,有时慢,甚至有时候明明信号满格,网速也非常慢。

具体而言,移动通信网络采用蜂窝式组网,将整个覆盖区域划分为多个呈六边形的小区,每个小区设置一个基站为本小区覆盖范围内的手机提供服务。这样一来,每个基站可以就近覆盖,手机可以和最近的小区之间进行通信。但在每个小区范围内,网络服务质量通常会随着手机与基站之间的距离加大而下降,造成用户体验相差较大,比如,小区近点、中点与小区边缘的网速相差很大。

这是什么原因导致的呢?有没有什么办法可以解决这个问题呢?

先让我们回到1G和2G语音通话时代。

1G网络采用模拟技术,通过频分复用的方式将带宽分配给不同的用户,不但网络容量低、保密性差,且网络极易受到干扰,当手机用户距离基站较远时,语音质量就会随之下降,从而导致每个小区的有效覆盖范围较小。

进入2G时代,GSM采用了数字技术,引入了低码率编码、更先进的纠错编码等技术,提升了系统容量、频谱利用率,以及系统抗干扰能力,大幅提升了用户通话质量,并使得小区的有效覆盖范围提升。

基站为什么要“上天”?

如上图,在1G网络下,用户的语音质量会随着手机与基站的距离增大而不断下降;而在2G网络下,这一下降趋势更加平坦,意味着2G基站可以在更大范围内为用户提供高质量的语音通话。

同时,由于GSM组网采用频率复用的方式,相邻小区之间采用不同的频率来避免相互干扰,在GSM系统中,即使用户处于小区边缘,网络依然能保障不错的网络质量,让用户能享受到不错的语音通话体验。

基站为什么要“上天”?

但进入3G/4G/5G数据时代,那些处于小区边缘的用户就不再那么幸运了。

进入3G时代,由于要支持数据业务,支持更大的带宽,为用户保障更高的上网速率,WCDMA系统采用了码分多址(CDMA)技术,全网所有小区使用相同的频率,从而不再需要频率复用规划,而是通过扰码规划来区分不同的小区和避免邻区干扰。

这意味着SINR(信号干扰噪声比)会随着手机与基站之间的距离增大而下降,小区边缘的SINR较低,导致用户在小区边缘体验到的网络速率远低于小区近点或中点。

不仅如此,由于WCMDA网络本身是一个自干扰系统,随着小区的用户数增加,网络业务量增多,网络干扰会增大,小区的有效覆盖范围会减小,这就是我们常说的小区呼吸效应,即小区覆盖范围随着用户数变化而变化。小区呼吸效应好比很多人在一间房里讲话,同时讲话的人越多,房间里的噪音越大,只能凑近才能听到对方的声音。

坦白而言,在3G WCDMA诞生的时候,尽管电信业经常高调的把码分多址宣传为新技术、新功能,但当网络建设完成后,运营商们才发现,这种新技术实际上让网络优化和服务保障工作非常头疼,也成为了移动通信技术发展到数据业务时代面临的主要挑战之一。

进入4G和5G时代,为了应对不断增长的数据业务需求,网络需要更大的带宽,所有小区依然使用相同的频带,尽管采用了OFDMA正交频分多址接入技术,小区内可通过子载波之间的正交性来避免用户之间的干扰,不再存在“呼吸效应”,但在小区边缘仍然会受到来自相邻小区的干扰,因此,当用户处于小区边缘时,由于相邻小区的干扰,加之本身距离基站较远,SINR仍然会减小,导致小区边缘用户服务质量差、速率低的情况。

基站为什么要“上天”?

简而言之,进入数据业务时代,从3G发展到5G,尽管蜂窝网络技术不断演进,解决了不断增长的网络流量需求,但它们存在一个共同的缺陷:网络服务质量的可变性太大,小区边缘速率与小区中心速率之间的差距太大,无法为每个用户保障一致性的体验。

而这一问题比2G GSM语音时代更加突出。

再来说说这个SINR,如上所述,SINR指有用信号功率与干扰功率和噪声功率之和的比值,直接反映接收信号质量。从SINR的定义可知,导致其较差的因素主要有两个:一是干扰大,有时候我们发现手机信号满格,信号接收电平很高,但网速却非常低,这就是因为干扰大引起的;二是信号接收电平较低,也就是网络覆盖较差,比如在小区边缘,手机距离基站的距离较远,信号接收电平很低,SINR值也很小。通常,信号接收电平较高,SINR不一定好,因为存在干扰较大,也会导致SINR值较低;但如果信号接收电平很低,SINR必然也差。

那为什么用户在小区边缘时,信号接收电平就很低呢?主要是因为,建设在地面上的基站铁塔的高度最高只有几十米,铁塔上的天线向手机发射信号时会受到建筑物、树木等各种障碍物阻挡,无线电波经过反射、散射、绕射和透射后信号衰减极大,从而导致我们距离基站较远时(比如处于小区边缘),信号电平会快速下降,甚至有时候即使离基站较近,信号接收电平也很低。

好了,讲了这么多,我们终于回到正题上,如果把基站从地面搬到空中,能不能解决以上这些问题?

以目前多家运营商正在试验的HAPS(High Altitude Platform System,高空平台)为例,其将基站设备安装在距离地面约20KM,位于平流层的飞行平台上,以空对地的方式向地面的手机或物联网终端提供连接服务。

在这种方式下,无线信号在视距(LOS)环境下传播,除了室内覆盖场景仍需无线信号穿透建筑物,其他场景下的无线传播路径几乎不受障碍物阻挡,且每一台终端与空中基站的距离几乎一样,从而可更好的解决在地面基站环境下,终端距离基站越远,信号电平越低的问题。

基站为什么要“上天”?

当然,问题来了,尽管空中基站与地面终端之间处于视距环境,信号传播损耗较小,但由于两者之间的距离在20KM以上,终端的发射功率和上行链路损耗是制约空中基站走进现实的短板。

基站为什么要“上天”?

问题也是可以解决的,目前业界的做法是采用大口径、高增益的有源天线,通过获得约30dB的接收增益来提升上行链路能力。这个天线非常大,2GHz频段下要获得有效的增益,直径达3米左右。

这种大规模有源天线也支持窄波束发射,其通过向地面发射多个窄波束(可达数百个),每个波束对应一个小区,通常每个小区的半径约1-2KM,从而在地面形成一片由多个小区组成的连续覆盖区域。

基站为什么要“上天”?

由于这些窄波束对干扰有良好的抑制能力,加之在空对地场景下每一台终端与空中基站的距离基本相等,这就可以更好的解决SINR随着终端与基站之间的距离加大而快速下降的问题,让地面上处于不同位置的终端都能获得良好的SINR,为所有用户带来一致的网络体验。

基站为什么要“上天”?

因此,“空中基站”不仅可以改善移动网络的广域覆盖,面向未来数据流量不断增长,它还能解决3/4/5G网络长期面临的挑战——小区边缘体验差,可让小区内的所有用户,无论其处于什么位置,都能获得良好的、一致的网络体验。这就是行业正努力探索将基站搬“上天”的主要原因之一。

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