行動通信基地台

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安裝在輸電塔的行動通信基地塔

蜂窩設置點(cell site),也稱行動通信基地塔蜂窩點蜂窩塔(cell tower),是一個蜂窩電信設置站點。在這個站點上,天線和電子通信設備被放置在,通常是一個無線電杆、塔架或其它高處位置,以便在一個蜂巢式網路中創建一個蜂窩(或毗鄰蜂窩)。這個被設在高處的結構通常支撐天線,以及一套或多套收發機、數位訊號處理器、控制電器、一個 GPS 接收器用於授時(對於 CDMA2000/IS-95 或 GSM 系統)、主備電源,以及外罩。[1]

在 GSM 網路中,正確的術語是基地收發機站(BTS),而口語中的同義詞是「行動電話桿」或「基地台」。術語「基地台設置點」(Base Station Site)可能會更好地反映現在日益增多的多運營商合併設點的情況,也就是多個基地台,設置在一個站點上。根據運營商所使用的技術的不同,即使一個只服務於單個運營商的站點,也可能放置多個基地台,每個基地台都為不同的空中介面技術(例如,CDMA2000 或 GSM)提供服務。

一些城市要求行動通信基地塔看起來不顯眼,例如與周圍環境合為一體。受到保護的森林景區經常將蜂窩塔藏在一個人造假樹或一個受到保護的樹上面。這些設施一般被稱為「隱蔽行動通信基地塔」或「秘密行動通信基地塔」。

行動通信基地台英語Cell site),是一個安裝天線和電子通訊設備的站點,用於行動電話使用的蜂巢式網路。信號站由天線塔 (或建在高架設施上的天線,像建築物)、無線電收發機數位訊號處理器、控制電路s,用於定時的GPS接收機,備份電源和機房組成。

行動通信基地塔通過T1 (專線微波)和T3s (專線,微波或光纖)連接到行動電話交換局(MTSO)的基地台控制器(BSC)。基地台控制器連接到接入公共交換電話網(PSTN)的電話交換機上。

"行動通信基地塔"的同義詞包括基地台,蜂窩塔(儘管很多行動通信基地塔天線布裝在塔上),行動電話桿(mobile phone mast) (英國英語)。

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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,透過電信線路及移動交換中心,形成一個完整通信鏈路

基地臺的佈建方式[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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。

運營[編輯]

範圍[編輯]

一個行動通信基地塔的工作範圍(移動設備能夠可靠地連接到該行動通信基地塔的範圍)並不是一個固定的值。它依賴於很多因素,包括但不限於:

  • 天線高出周圍地面的距離(Line-of-sight propagation,即視線傳播)。
  • 所使用的信號的頻率。
  • 一些技術對於時間的限制(例如,GSM 被限制為 35 公里,對於特殊設備來說,達到 70 公里也是有可能的)。
  • 發射機的功率。
  • 簽約用戶設備要求的上行/下行數據速率。[2]
  • 該站點的天線陣的方向性特徵。
  • 建築物或植被對無線電能量的反射和吸收。
  • 它還可能受限於當地的地理或管理因素,以及氣象條件。

總的來說,在那些存在足夠的行動通信基地塔來覆蓋廣泛區域的那些地方,每個行動通信基地塔的範圍將被設置為:

  • 確保有足夠的重疊部分用於與其它站點的切換(對於那些有能力處理這一點的技術來說,要將來自一個移動設備的信號,從一個行動通信基地塔移動到另一個 —— 例如當在汽車或火車上撥打一個 GSM 電話時)
  • 確保重疊區域不會太大,以最小化與其它站點的干擾問題。

實踐中,在人口密集、會有最多的潛在用戶的地區,行動通信基地塔被組合在一起。通過單個站點的蜂窩電話通信流量被基地台容量限制。基地台可以立即處理的呼叫或數據通信流量的數量是一個有限值。這個限制是影響蜂窩桿站點的空間分布的因素。在郊區,天線桿通常被放置在相隔 1 ~ 2 英里(2~3公里)的位置,而在密集城市區域,天線桿可能會近達相隔 1/4 ~ 1/2 英里(400 ~ 800 米)。

一個天線桿的最大範圍(不受限於相鄰其它天線桿的干擾)依賴於相同的環境。一些技術,例如 GSM,通常具有一個固定的 35 公里(22 英里)的最大範圍,這是由於技術限制所必需要求的。CDMA 和 IDEN 不存在與生俱來的限制,但是限制因素是一個低功率的個人蜂窩電話回傳到天線桿的能力。一個粗略的指導原則是,基於一個高聳的天線桿和平坦的地面,有能力達到 50 ~ 70 公里(30 ~ 45 英里)。當地面是多丘陵地帶時,由於中間物體侵入到信號的傳播中心的菲涅耳區(fresnel zone),因此最大距離會在最小 5 公里(3.1 英里)到 8 公里(5.0 英里)之間變化。根據地形和其它的環境因素,一個 GSM 塔可以替代 2 到 50 英里(80 公里)之間的纜線,用於固定的無線網路。

信道復用[編輯]

然而在一個蜂巢式網路中,「最大」範圍的概念是誤導性的。蜂巢式網路被設計為,在一個被授予牌照給提供蜂窩服務的運營商的有限數量的無線電信道中(進行會話所需的無線電頻譜的片段),支持支持很多的會話。為了克服這個限制,有必要在不同的位置上重複和重用相同的信道。如同當你旅行到另一個城市的時候,一個汽車無線電從一個本地台變換到另一個具有相同頻率的完全不同的本地台一樣,相同的無線電信道僅僅在數英里之外的蜂窩天線桿上就被重用。為了實現這一點,一個蜂窩天線桿的信號被故意地維持在一個較低的功率上,並且在許多情況下是斜向下的,以便限制它的覆蓋區域。這允許它覆蓋一個足夠小的區域,這樣就不必支持超過可用信道能夠承載的太多會話。由於發射塔上的天線的分扇面的布置,可以根據在本扇面視線內的其它塔架的覆蓋範圍,可以變換每個扇面的強度和角度。

信號限制因素[編輯]

一個蜂窩電話會因為離天線桿太遠,或者因為處於一個信號被建築物的厚牆、刪或其它結構遮擋而變弱的地方,在一些時候可能無法工作。信號不一定非要一個無遮擋的視線傳播,但是更強的無線電干擾會使得無線電接收惡化或抑制。當許多人在同一時間嘗試使用該蜂窩天線桿時,例如在堵車或體育賽事這樣的事件中,那麼在電話顯示上會看到信號,但是被阻止進行一個新的連接。其它的蜂窩電話的限制因素是從它的低電量的電池發送信號到行動通信基地塔的能力。一些蜂窩電話的表現會比那些低功率或低電量的電話要好,這通常是因為從電話發送發送較好的信號到天線桿的能力。

基地台控制器(一個中心計算機,專門處理電話連接)以及蜂窩電話的只能部分,保持相互追蹤,並且允許電話在一個會話期間,從一個天線桿切換到下一個。隨著一個用戶朝向一個天線桿移動,它拾取最強的信號,並釋放來自信號已經變弱的天線桿,這樣該天線桿的信道對於另一個用戶來說就可用了。

更多信息:頻率復用

地理定位[編輯]

蜂窩地理定位不像 GPS 那麼精確,但是可用於那些沒有 GPS 接收機的設備,以及 GPS 不可用的情況。這個系統的精度是會變化的,並且在那些可使用高級前向鏈路(Advanced Forward Link)方法的地方最高,而在那些只有一個單獨的行動通信基地塔可及的地方最低,這種情況下,只能指導地理位置是處於該站點的覆蓋範圍內的任意一處。

一個高級前向鏈路(Advanced Forward Link)是指一個設備處於至少三個行動通信基地塔的覆蓋範圍內,並且運營商實現了授時系統使用。

另一個方法是使用到達角度(Angle of Arrival,簡稱:AoA),這種方式出現在當設備處於至少兩個行動通信基地塔的範圍內時,得出一個程度中等的精確度。輔助 GPS 同時使用衛星和蜂窩電話信號。

在美國,緊急電話會使用位置數據(當地稱為「增強型911」),它被要求在 2005 年 12 月 31 日時,至少 95% 的蜂窩電話支持這個服務。許多運營商並未在這個最後期限之前完成,因此被 FCC 罰款。[3]

無線電功率和健康[編輯]

美國政府的職能部門,FCC,這樣提到: 「例如,獲取自各種來源的度量數據一致地指出,靠近一個典型的蜂窩塔的『最壞情況的』地面水平功率密度,在 1 毫瓦/平方厘米或更少的量級(通常情況是大大低於這個值)。」 更多信息:行動電話輻射和健康。[4]

蜂窩電話、蜂窩塔、Wi-Fi、智能儀錶(smart meters)、DECT電話、無線電話(cordless phones)、嬰兒監視器,以及其它無線設備發射的都是非電力無線電頻率,它被世界衛生組織(WHO)僅僅分級為「潛在致癌」(potential carcinogen)。

辛迪·賽吉(Cindy Sage)生物創新報告(Bioinitiative Report)的合作編輯者寫到:「WHO國際癌症研究局剛剛發布了它的關於『非電離無線電頻率輻射被定級為 2B (可能)致癌』的決定。這個分類與 DDT、鉛,以及引擎排放一樣。這照搬了 2001 年 IARC 的關於『極低頻(Extremely Low Frequency,簡稱:ELF)被定級為 2B (有可能)致癌』的發現。這牽涉到電力頻率(電力線及其裝置)的非電離輻射。這兩個發現確認了非電離輻射應當被考慮為一個癌症的潛在風險因素。而這樣的話,就迫切需要新的基於生物學的工種安全標準」。路易斯·斯萊森(Louis Slesin)博士已經就這個問題發表報告幾十年了。[5]

臨時設置點[編輯]

儘管蜂窩天線通常被附著在固定的建築結構上,運營商同時還保持著一些車隊,稱為「輪上蜂窩」(Cells-On-Wheels,簡稱:COWs),為臨時行動通信基地塔提供服務。它可能會包含一個發電機,以備在電網不可用的時候使用,而該系統可能擁有一個無線的回載(backhaul)鏈路,允許在無法使用有線鏈路時使用。

COW 也會在永久行動通信基地塔使用 —— 以便臨時替代受損的設備,在計劃內停機期間,以及在例如大會期間提升容量。

設施和人員利用[編輯]

行動通信基地塔工人被稱為攀塔人(Tower Climbers)或傳輸塔架工人。傳輸塔架工人經常在高達 1,500 英尺(約 460 米)的高度上工作,為蜂窩電話和其它無線通信公司進行維護和修復工作。

間諜機構設置[編輯]

根據迪耶·斯皮格爾(Die Spiegel)所泄露出的文檔,NSA 銷售了 4 萬美元的「活躍 GSM 基地台」,被用作一個工具來偽裝一個行動電話塔,並然後監視蜂窩電話。[6]

無電網系統[編輯]

一個無電網行動通信基地塔是不和公共電力網連接的。通常這樣的系統是因為難以連接或者缺乏基礎設施,而不連接到電網上。

燃料電池(fuel cell)或其它備用電源系統系統被添加到重要行動通信基地塔,來提供應急電源。更多站點則使用內燃機驅動的發電機組。[7][8]

然而,由於比公共電網的效率要低,它們增加了運營成本(OPEX),並且是一個污染源(大氣和噪音等),並且一些是處於受到環境和風景保護的。

可再生能源,例如太陽能風能在行動通信基地塔所處地點可能是可用的。它們可以被通過燃料發電機系統來備份,允許行動通信基地塔在可再生資源不足是仍然可以工作。

來自斷續源的能量被存儲在蓄電池(secondary batteries)中,通常被設計為擁有平均 5 天的自給能力,以允許維修人員在需要進行修復時,有足夠的事件到達。

可再生能源系統在可用時提供電力。燃料電池只有在自然資源不充足的時候才會激活,來提供系統所需的能量。緊急電源(燃料電池)被設計為持續平均 10 天。通過這種方式,該體系是完全自給的:這使得維護團隊只需要少量地到達該站點,因為通常那些地方都很難到達。

偽裝[編輯]

各站點當地常常會有新天線桿的反對,因為安全和外表。後者有時通過將天線桿偽裝成一些其它的東西來解決,例如一個旗杆、一個路燈,或一棵樹,或者屋頂設施,或城市設施,例如煙囪、裝飾板。

這些隱蔽行動通信基地塔可以通過偽裝成植物形狀或樹皮顏色來偽裝它們自己。所有這些天線的偽裝都由塑料材質的樹葉組成,它們被精確地設計,考慮了數量、形狀以及適合陣列的形狀,來完全地將天線和所有附屬部分都以自然的形式隱藏起來。所使用的材料保證絕對的無線電透明,並抵抗紫外線。暱稱包括「獨棕櫚」(monopalm),因為一個獨桿天線(monopole)被偽裝成一棵棕櫚樹(palm tree);或者「假松電話」,因為一個天線桿偽裝正一棵松樹(pine tree)。[9]在獨桿天線中,定向天線有時被藏在一個位於桿頂的塑料遮蔽物之中,這樣就可以去掉橫條了。

屋頂結構,例如隱藏的煙囪或者裝飾板,高約 6 到 12 米,可以在一個站點隱藏一個或多個行動電話運營商。屋頂遮蓋板可以被固定在現有的屋頂結構上,快速和便宜地改變樣式。

行動電話基地台正在變成一個時代的符號,連接和交織有形和無形的網路。天線形式是各種建築風格混合的蜂窩塔,是設計師和建築師合作的結果。

小型化[編輯]

阿爾卡特-朗訊的研究者開發出了一種行動通信基地塔,稱為「輕量無線電」(lightRadio),適合一個人的手掌。它的尺寸是一個魔方的大小。它能夠對 2G3G4G 信號進行中繼。它們的能量利用更高效,並且可以比當前的行動通信基地塔更高效地投送寬頻。它們可以被用於人口密度非常高的城市區域,為更多的無線電空間騰出地方。[10]

參見[編輯]

參考資料[編輯]

外部連結[編輯]