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行動通信基地臺

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安装在输电塔的蜂窝站

蜂窝设置点(cell site),也称蜂窝站蜂窝点蜂窝塔(cell tower),是一个蜂窝电信设置站点。在这个站点上,天线和电子通信设备被放置在,通常是一个无线电杆、塔架或其它高处位置,以便在一个蜂窝网络中创建一个蜂窝(或毗邻蜂窝)。这个被设在高处的结构通常支撑天线,以及一套或多套收发机、数字信号处理器、控制电器、一个 GPS 接收器用于授时(对于 CDMA2000/IS-95 或 GSM 系统)、主备电源,以及外罩。[1]

在 GSM 网络中,正确的术语是基地收发机站(BTS),而口语中的同义词是“移动电话杆”或“基站”。术语“基站设置点”(Base Station Site)可能会更好地反映现在日益增多的多运营商合并设点的情况,也就是多个基站,设置在一个站点上。根据运营商所使用的技术的不同,即使一个只服务于单个运营商的站点,也可能放置多个基站,每个基站都为不同的空中接口技术(例如,CDMA2000 或 GSM)提供服务。

一些城市要求蜂窝站看起来不显眼,例如与周围环境合为一体。受到保护的森林景区经常将蜂窝塔藏在一个人造假树或一个受到保护的树上面。这些设施一般被称为“隐蔽蜂窝站”或“秘密蜂窝站”。

行動通信基地台英语Cell site),是一个安装天线和电子通讯设备的站点,用于移动电话使用的蜂窝网络。信号站由天线塔 (或建在高架設施上的天線,像建築物)、无线电收发机数字信号处理器、控制电路s,用于定时的GPS接收机,备份电源和机房组成。

蜂窝站通过T1 (专线微波)和T3s (专线,微波或光纤)连接到移动电话交换局(MTSO)的基站控制器(BSC)。基站控制器连接到接入公共交换电话网(PSTN)的电话交换机上。

"蜂窝站"的同义词包括基站,蜂窝塔(尽管很多蜂窝站天线布装在塔上),移动电话杆(mobile phone mast) (英国英语)。

無線電波和癌症的關聯仍是爭論不休的議題,現行安全規範保護民眾,遠離過度暴露在蜂窩站無線電波的危險下。

電磁波簡介[编辑]

電磁波如同自然界的許多事物一樣,有不同的特質及呈現樣貌。例如:大氣層中水氣凝結的雲層,因摩擦而產生的閃電雷擊,會產生電磁波;太陽氫氣的燃燒而產生的光,也是一種電磁波;太空中到處亂射的宇宙射線,也是電磁波;種類繁多,不勝枚舉。但人類眼睛對於電磁波的感知範圍卻有其限度,僅能看見紅光至紫光的色彩,並非所有電磁波都看得見。

電磁波的運用[编辑]

1895年,義大利的馬可尼(Guglielmo Marconi)開創了無線電通信的新紀元,視為人類運用電磁波的始祖。現代生活當中,舉凡無線電視無線廣播行動通信氣象衛星衛星定位系統(GPS)、智慧型運輸系統(ITS)、微波爐X光機雷射筆光碟機……等,都必須運用到不同頻率的電磁波,提供生活的便利,推動各類工商業活動,可見電磁波在科技生活中,已扮演不可或缺的重要角色。

移動通信的原理[编辑]

行動電話傳遞聲音的方式原理就像傳聲筒,手機將聲音訊號轉換成電磁波,發射到基地臺,再藉由基地臺,透過電信線路及移动交换中心,形成一個完整通信鏈路

基地臺的佈建方式[编辑]

藉由控制基地臺電磁波發射能量,以有效使用電磁波資源並提高使用效率,使每個基地臺的服務範圍,限制在一定範圍內,再由多個基地臺構成行動通信網路系統,由於基地臺服務範圍彼此相鄰緊靠,就好像是蜜蜂窩一般,故稱為細胞(Cell)或蜂巢。

基地臺電磁波發射特性[编辑]

基地臺天線的電磁波輻射強度,隨著距離的增加,而快速衰減,因此只要與基地臺天線維持適當的距離,就不必擔心受到電磁波輻射的影響。

基地臺另外之功用[编辑]

由於手機與基地臺之間的通信是雙向的,只要手機處於有電且為開機狀態,則可以藉由基地臺對手機用戶進行定位,能有效地提供追蹤協尋的功能。

运营[编辑]

范围[编辑]

一个蜂窝站的工作范围(移动设备能够可靠地连接到该蜂窝站的范围)并不是一个固定的值。它依赖于很多因素,包括但不限于:

  • 天线高出周围地面的距离(Line-of-sight propagation,即视线传播)。
  • 所使用的信号的频率。
  • 一些技术对于时间的限制(例如,GSM 被限制为 35 公里,对于特殊设备来说,达到 70 公里也是有可能的)。
  • 发射机的功率。
  • 签约用户设备要求的上行/下行数据速率。[2]
  • 该站点的天线阵的方向性特征。
  • 建筑物或植被对无线电能量的反射和吸收。
  • 它还可能受限于当地的地理或管理因素,以及气象条件。

总的来说,在那些存在足够的蜂窝站来覆盖广泛区域的那些地方,每个蜂窝站的范围将被设置为:

  • 确保有足够的重叠部分用于与其它站点的切换(对于那些有能力处理这一点的技术来说,要将来自一个移动设备的信号,从一个蜂窝站移动到另一个 —— 例如当在汽车或火车上拨打一个 GSM 电话时)
  • 确保重叠区域不会太大,以最小化与其它站点的干扰问题。

实践中,在人口密集、会有最多的潜在用户的地区,蜂窝站被组合在一起。通过单个站点的蜂窝电话通信流量被基站容量限制。基站可以立即处理的呼叫或数据通信流量的数量是一个有限值。这个限制是影响蜂窝杆站点的空间分布的因素。在郊区,天线杆通常被放置在相隔 1 ~ 2 英里(2~3公里)的位置,而在密集城市区域,天线杆可能会近达相隔 1/4 ~ 1/2 英里(400 ~ 800 米)。

一个天线杆的最大范围(不受限于相邻其它天线杆的干扰)依赖于相同的环境。一些技术,例如 GSM,通常具有一个固定的 35 公里(22 英里)的最大范围,这是由于技术限制所必需要求的。CDMA 和 IDEN 不存在与生俱来的限制,但是限制因素是一个低功率的个人蜂窝电话回传到天线杆的能力。一个粗略的指导原则是,基于一个高耸的天线杆和平坦的地面,有能力达到 50 ~ 70 公里(30 ~ 45 英里)。当地面是多丘陵地带时,由于中间物体侵入到信号的传播中心的菲涅耳区(fresnel zone),因此最大距离会在最小 5 公里(3.1 英里)到 8 公里(5.0 英里)之间变化。根据地形和其它的环境因素,一个 GSM 塔可以替代 2 到 50 英里(80 公里)之间的缆线,用于固定的无线网络。

信道复用[编辑]

然而在一个蜂窝网络中,“最大”范围的概念是误导性的。蜂窝网络被设计为,在一个被授予牌照给提供蜂窝服务的运营商的有限数量的无线电信道中(进行会话所需的无线电频谱的片段),支持支持很多的会话。为了克服这个限制,有必要在不同的位置上重复和重用相同的信道。如同当你旅行到另一个城市的时候,一个汽车无线电从一个本地台变换到另一个具有相同频率的完全不同的本地台一样,相同的无线电信道仅仅在数英里之外的蜂窝天线杆上就被重用。为了实现这一点,一个蜂窝天线杆的信号被故意地维持在一个较低的功率上,并且在许多情况下是斜向下的,以便限制它的覆盖区域。这允许它覆盖一个足够小的区域,这样就不必支持超过可用信道能够承载的太多会话。由于发射塔上的天线的分扇面的布置,可以根据在本扇面视线内的其它塔架的覆盖范围,可以变换每个扇面的强度和角度。

信号限制因素[编辑]

一个蜂窝电话会因为离天线杆太远,或者因为处于一个信号被建筑物的厚墙、删或其它结构遮挡而变弱的地方,在一些时候可能无法工作。信号不一定非要一个无遮挡的视线传播,但是更强的无线电干扰会使得无线电接收恶化或抑制。当许多人在同一时间尝试使用该蜂窝天线杆时,例如在堵车或体育赛事这样的事件中,那么在电话显示上会看到信号,但是被阻止进行一个新的连接。其它的蜂窝电话的限制因素是从它的低电量的电池发送信号到蜂窝站的能力。一些蜂窝电话的表现会比那些低功率或低电量的电话要好,这通常是因为从电话发送发送较好的信号到天线杆的能力。

基站控制器(一个中心计算机,专门处理电话连接)以及蜂窝电话的只能部分,保持相互追踪,并且允许电话在一个会话期间,从一个天线杆切换到下一个。随着一个用户朝向一个天线杆移动,它拾取最强的信号,并释放来自信号已经变弱的天线杆,这样该天线杆的信道对于另一个用户来说就可用了。

更多信息:频率复用

地理定位[编辑]

蜂窝地理定位不像 GPS 那么精确,但是可用于那些没有 GPS 接收机的设备,以及 GPS 不可用的情况。这个系统的精度是会变化的,并且在那些可使用高级前向链路(Advanced Forward Link)方法的地方最高,而在那些只有一个单独的蜂窝站可及的地方最低,这种情况下,只能指导地理位置是处于该站点的覆盖范围内的任意一处。

一个高级前向链路(Advanced Forward Link)是指一个设备处于至少三个蜂窝站的覆盖范围内,并且运营商实现了授时系统使用。

另一个方法是使用到达角度(Angle of Arrival,简称:AoA),这种方式出现在当设备处于至少两个蜂窝站的范围内时,得出一个程度中等的精确度。辅助 GPS 同时使用卫星和蜂窝电话信号。

在美国,紧急电话会使用位置数据(当地称为“增强型911”),它被要求在 2005 年 12 月 31 日时,至少 95% 的蜂窝电话支持这个服务。许多运营商并未在这个最后期限之前完成,因此被 FCC 罚款。[3]

无线电功率和健康[编辑]

美国政府的职能部门,FCC,这样提到: “例如,获取自各种来源的度量数据一致地指出,靠近一个典型的蜂窝塔的‘最坏情况的’地面水平功率密度,在 1 毫瓦/平方厘米或更少的量级(通常情况是大大低于这个值)。” 更多信息:移动电话辐射和健康。[4]

蜂窝电话、蜂窝塔、Wi-Fi、智能仪表(smart meters)、DECT电话、无绳电话(cordless phones)、婴儿监视器,以及其它无线设备发射的都是非电力无线电频率,它被世界卫生组织(WHO)仅仅分级为“潜在致癌”(potential carcinogen)。

辛迪·赛吉(Cindy Sage)生物创新报告(Bioinitiative Report)的合作编辑者写到:“WHO国际癌症研究局刚刚发布了它的关于‘非电离无线电频率辐射被定级为 2B (可能)致癌’的决定。这个分类与 DDT、铅,以及引擎排放一样。这照搬了 2001 年 IARC 的关于‘极低频(Extremely Low Frequency,简称:ELF)被定级为 2B (有可能)致癌’的发现。这牵涉到电力频率(电力线及其装置)的非电离辐射。这两个发现确认了非电离辐射应当被考虑为一个癌症的潜在风险因素。而这样的话,就迫切需要新的基于生物学的工种安全标准”。路易斯·斯莱森(Louis Slesin)博士已经就这个问题发表报告几十年了。[5]

临时设置点[编辑]

尽管蜂窝天线通常被附着在固定的建筑结构上,运营商同时还保持着一些车队,称为“轮上蜂窝”(Cells-On-Wheels,简称:COWs),为临时蜂窝站提供服务。它可能会包含一个发电机,以备在电网不可用的时候使用,而该系统可能拥有一个无线的回载(backhaul)链路,允许在无法使用有线链路时使用。

COW 也会在永久蜂窝站使用 —— 以便临时替代受损的设备,在计划内停机期间,以及在例如大会期间提升容量。

设施和人员利用[编辑]

蜂窝站工人被称为攀塔人(Tower Climbers)或传输塔架工人。传输塔架工人经常在高达 1,500 英尺(约 460 米)的高度上工作,为蜂窝电话和其它无线通信公司进行维护和修复工作。

间谍机构设置[编辑]

根据迪耶·斯皮格尔(Die Spiegel)所泄露出的文档,NSA 销售了 4 万美元的“活跃 GSM 基站”,被用作一个工具来伪装一个移动电话塔,并然后监视蜂窝电话。[6]

无电网系统[编辑]

一个无电网蜂窝站是不和公共电力网连接的。通常这样的系统是因为难以连接或者缺乏基础设施,而不连接到电网上。

燃料电池(fuel cell)或其它备用电源系统系统被添加到重要蜂窝站,来提供应急电源。更多站点则使用内燃机驱动的发电机组。[7][8]

然而,由于比公共电网的效率要低,它们增加了运营成本(OPEX),并且是一个污染源(大气和噪音等),并且一些是处于受到环境和风景保护的。

可再生能源,例如太阳能风能在蜂窝站所处地点可能是可用的。它们可以被通过燃料发电机系统来备份,允许蜂窝站在可再生资源不足是仍然可以工作。

来自断续源的能量被存储在蓄电池(secondary batteries)中,通常被设计为拥有平均 5 天的自给能力,以允许维修人员在需要进行修复时,有足够的事件到达。

可再生能源系统在可用时提供电力。燃料电池只有在自然资源不充足的时候才会激活,来提供系统所需的能量。紧急电源(燃料电池)被设计为持续平均 10 天。通过这种方式,该体系是完全自给的:这使得维护团队只需要少量地到达该站点,因为通常那些地方都很难到达。

伪装[编辑]

各站点当地常常会有新天线杆的反对,因为安全和外表。后者有时通过将天线杆伪装成一些其它的东西来解决,例如一个旗杆、一个路灯,或一棵树,或者屋顶设施,或城市设施,例如烟囱、装饰板。

这些隐蔽蜂窝站可以通过伪装成植物形状或树皮颜色来伪装它们自己。所有这些天线的伪装都由塑料材质的树叶组成,它们被精确地设计,考虑了数量、形状以及适合阵列的形状,来完全地将天线和所有附属部分都以自然的形式隐藏起来。所使用的材料保证绝对的无线电透明,并抵抗紫外线。昵称包括“独棕榈”(monopalm),因为一个独杆天线(monopole)被伪装成一棵棕榈树(palm tree);或者“假松电话”,因为一个天线杆伪装正一棵松树(pine tree)。[9]在独杆天线中,定向天线有时被藏在一个位于杆顶的塑料遮蔽物之中,这样就可以去掉横条了。

屋顶结构,例如隐藏的烟囱或者装饰板,高约 6 到 12 米,可以在一个站点隐藏一个或多个移动电话运营商。屋顶遮盖板可以被固定在现有的屋顶结构上,快速和便宜地改变样式。

移动电话基站正在变成一个时代的符号,连接和交织有形和无形的网络。天线形式是各种建筑风格混合的蜂窝塔,是设计师和建筑师合作的结果。

小型化[编辑]

阿尔卡特-朗讯的研究者开发出了一种蜂窝站,称为“轻量无线电”(lightRadio),适合一个人的手掌。它的尺寸是一个魔方的大小。它能够对 2G3G4G 信号进行中继。它们的能量利用更高效,并且可以比当前的蜂窝站更高效地投送宽频。它们可以被用于人口密度非常高的城市区域,为更多的无线电空间腾出地方。[10]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

外部链接[编辑]