蜂窝塔如何助您与外界保持联系

蜂窝塔由天线、基站收发台、桅杆和地面设备等多种组件构成，可通过管理来自移动设备的信号实现高效蜂窝通信。4G和5G蜂窝塔的区别在于：5G技术改进了蜂窝塔的速度、容量以及延迟。执行全面测试可为实现蜂窝塔最佳性能和可靠性提供保障。

NI为构建可靠的无线基础设施
提供助力

如今世界的紧密联系程度前所未有，而保持我们所依赖的网络稳定运行则需要海量资源。蜂窝塔（也称蜂窝基站或基站收发台）是现代电信系统的重要组成部分。其物理结构包含用于传输和接收特定“蜂窝”或区域无线电信号的必要设备，因而得名。蜂窝塔可促进移动设备和网络之间的无线通信。其结构是无线通信生态系统的重要组成部分，可帮助人们通过移动设备拨打电话、发送短信以及访问互联网，因而需要对其进行大量测试。

NI致力于为复杂新技术的测试提供灵活、可扩展且经济高效的解决方案，全力助您构建可靠的无线基础设施。 随着6G技术的出现，无线技术在飞速发展中已变得日益复杂，因此创新型解决方案可帮助测试工程师深入了解保持蜂窝塔正常运行所需的网络设计和测试技术。

蜂窝塔组件

如果您环顾四周，肯定会发现蜂窝塔，只是有些蜂窝塔并不醒目。基站收发台尺寸各异，从常见的高塔到与烟雾探测器大小相当的小型设备一应俱全。这完全取决于该区域所需的覆盖范围和通信密度。

但是蜂窝塔的外观如何？蜂窝塔类似于高大的垂直桅杆，并装饰有3向或4向天线阵列，外形独特，易于识别。但并非所有蜂窝塔都如此醒目。隐形塔更加隐蔽，可以隐藏在其所处的环境中，低调地融入现有建筑，例如屋顶甚至教堂尖顶。无论是一目了然还是巧妙融入周围环境，这些位于高处的装置都配备了一系列关键设备，可确保其在服务区域内顺利实现蜂窝连接。

尽管蜂窝塔因网络需求及特定服务区域的要求而略有不同，但大多具备以下组件：

• 天线－在特定蜂窝塔覆盖范围内，天线对于移动设备收发信号至关重要。蜂窝塔天线主要有2种类型：
  • 平板天线－这是一种扁平的矩形设备，应用范围较广。其用途广泛，可按各种配置进行排列，以实现所需覆盖范围和容量。平板天线可使用MIMO（多输入多输出）技术，通过在同一信道上传输多个数据流以增加容量。
  • 扇形天线－扇形天线通常在蜂窝塔上以3个或4个为一组，旨在覆盖特定方向或“扇区”。 这种分区可有效拓宽整体覆盖范围并减少信号之间的干扰。扇形天线通常按照几何形状配置排列，以提供360°全方位信号覆盖。
• 基站收发台(Base Transceiver Station, BTS)－BTS包含用于接收和发送RF信号的无线电收发仪。其中每个收发仪或信道都支持一定数量的并发呼叫。BTS还包含用于加密和解密通信的设备、频谱滤波工具、双工器和放大器。
• 铁塔或桅杆－此高大的物理结构可将天线置于高处，通常由钢制成。其重点在于高：天线越高，覆盖区域越广。该结构还必须能够承受环境压力，如风和设备的重量载荷。
• 地面设备－包括用于容纳各种辅助系统的外壳或防护罩，例如蜂窝塔电源系统（通常是用以提高可靠性的备用电池）、用于温度控制的HVAC系统以及用于处理呼叫数据的基带接收器。
• 微波天线－对于未通过物理线缆连接到电信网络的蜂窝塔（通常位于偏远地区），可使用微波天线进行回程连接。这种天线有助于与其他蜂窝塔或网络节点进行点对点通信。它们通常安装在蜂窝塔侧面，非常适用于无法铺设线缆的区域。
• 布线－蜂窝塔所有组件通过布线连接，从而能够相互通信。布线会用到各种类型的线缆，例如同轴线缆、用于微波传输的波导和光纤线缆。从BTS连接到天线的RF线缆，以及用于数据传输的网络线缆。

以上蜂窝塔组件的无缝协同组合便构成了无线通信网络主干的基础。

蜂窝塔的工作原理是什么？

蜂窝塔充当移动设备和电信网络之间的中介。通俗地说，蜂窝塔的工作原理是从移动设备处接收信号并将其转换为数字格式，然后将信号发送至目的地（例如另一部手机或互联网）。来电或传入数据的过程与此相反。该过程貌似很简单，但却包含许多步骤和设备。下文将详细介绍。

当移动设备（如手机）发送信号时，通信过程就开始了。这种信号是一种电磁波（具体来说是RF波），其本质上是用户语音或数据的调制版本。该信号由安装在桅杆上的天线接收。这些天线可使用MIMO技术在同一信道上传输多个数据流，以增加容量。

信号被天线接收后，通过一系列高频同轴线缆或波导到达位于蜂窝塔底部的BTS。BTS将RF信号转换为网络可处理的数字格式。处理后的信号通过回程连接发送至移动交换中心(Mobile Switching Center, MSC)。根据位置和基础设施的不同，可能是物理连接（例如，适用于城市或郊区的光纤线缆），也可能是无线连接（例如，适用于偏远地区的微波链路）。

MSC是蜂窝网络的神经中枢，用于将呼叫或数据路由至正确的目的地，该目的地可能是另一个移动设备或互联网上的服务器。来电或传入数据的过程与此相反。MSC将信号发送至BTS，然后BTS将其上变频回RF信号。随后，该RF信号由蜂窝塔的天线发送至指定移动设备。

蜂窝塔信号的覆盖范围如何？

蜂窝塔最远可向位于20英里外农村地区的手机发送信号。在人口稠密的城市中，建筑物等物理障碍物较多，其覆盖范围可能缩小至1或2英里。蜂窝塔可同时处理数千个电话或互联网连接。

有多种因素会显著影响蜂窝塔的覆盖范围（技术上称为蜂窝半径）。5G网络常用信号等高频信号的传输距离更短，但容量更大，而通常在农村地区使用的4G LTE低频信号传输距离更长，但传输的数据量较少。天线的高度和类型对覆盖范围也有影响。天线越高越容易避开障碍物，从而覆盖更大的区域。扇形天线等天线类型可提供特定方向的目标覆盖，而平板天线则可提供更为广泛的覆盖范围。高级MIMO设置中的波束成形技术也可用于将信号聚焦到特定用户，以扩大覆盖范围并提高信号质量。

为了同时处理数千个请求，现代蜂窝塔采用了先进的技术，以最大限度地增加并发呼叫或数据会话的处理数量。MIMO支持同时发送和接收多个数据流，从而在无需额外增加带宽的情况下有效扩大容量。正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)等先进频谱效率技术也可增加每赫兹带宽容量。还可通过特定技术改变容量。例如，毫米波技术可支持更高带宽，从而显著提高容量。此外，分配给特定区域蜂窝使用的频率范围（也称为可用频谱量）也会影响容量。

无线通信中的视距

在无线通信中，视距是指无线电波从发射天线（如蜂窝塔）到接收天线（如智能手机）之间通畅无阻的传输路径。

为了获得最佳的信号强度和质量，发射器和接收器之间必须保持清晰的视距。建筑物、树木、山丘甚至大气条件等障碍物均可能导致信号衰减或减弱，并且多路径传播（即信号从表面反弹并在不同时间到达接收器）也可能会干扰信号并降低性能。

视距在5G网络等更高的频段中尤为重要，因为其波长更短，更易于被障碍物吸收或反射。因此，受视距因素影响，蜂窝塔通常建在高处，且使用波束成形等技术将无线电信号集中并朝向接收器。

蜂窝塔的类型

蜂窝塔因其结构、位置和采用技术分为不同类型。最常见的蜂窝塔类型包括单管塔、格构式塔、拉线塔、隐形塔、屋顶塔和小型塔。

单管塔

单管塔是最简单常用的蜂窝塔，城市中使用居多。单管塔是一根独立的杆，通常高50－200英尺。其天线通常位于管内顶部或安装在外部。

格构式塔

格构式塔常见于乡村或高速公路沿线。比单管塔更高更坚固，并且可搭载更多设备。格构式塔为独立式且具有由水平和对角杆组成的框架，因此呈现格架外观效果。 

拉线塔

拉线塔通过拉线进行固定。拉线塔是最轻且最具成本效益的蜂窝塔，但由于拉线从蜂窝塔到地面的距离非常远，因此需要大量空间。拉线塔通常用于空间开阔的农村地区。

隐形塔

顾名思义，隐形塔或隐藏塔旨在与周围环境融为一体。隐形塔的设计外观可能类似于树木（通常称为“仿生树”）、钟楼、旗杆、教堂尖塔，甚至可融入建筑物或标牌等现有结构中。

屋顶塔

在人口稠密的城市地区，建造独立式蜂窝塔难度较大。在这种情况下，可将天线安装在建筑物或其他现有房屋结构的屋顶上。尽管设施的高度可能远低于传统蜂窝塔，但由于其通常需要更密集地放置以提供足够的覆盖范围，因此可忽略其高度上的缺陷。

小型塔

随着5G技术的出现，小型塔日益普遍。这些称为微蜂窝、微微蜂窝或毫微蜂窝的小型塔传输距离较短，但可快速传输大量数据。小型塔通常安装在高密度区域的路灯、电线杆或建筑物上。

上述不同类型的蜂窝塔具有相同的基本用途，即发送和接收来自移动设备的信号。蜂窝塔类型的选择取决于多种因素，例如地理位置、人口密度和移动网络的具体要求。

4G和5G蜂窝塔

4G和5G蜂窝塔之间的主要区别在于影响无线网络速度、容量和延迟的技术变革。通常情况下，4G网络的运行频段较低，最高为2.5 GHz，而5G技术旨在使用更宽的频谱在更高的频段（可高达100 GHz）上运行。频率越高（尤其是24 GHz以上的毫米波频段）网络传输越快，但传输范围越小。

最主要的差异在于数据传输速率。5G蜂窝塔的数据传输速度显著高于4G蜂窝塔。从这个角度来看，虽然4G LTE网络可提供约100 Mbps的峰值速度，但5G网络在理论上可提供高达10 Gbps的速度，速度提高了100倍。

低延迟（即数据传输指令后的数据传输延迟）是5G技术的另一项优势。与4G网络约50毫秒的典型延迟相比，5G可将延迟缩短至仅有几毫秒，对自动驾驶汽车等实时应用意义非凡。由于频率越高覆盖范围越小，5G技术所需的蜂窝塔密度更高，尤其是在人口密度高的地区或室内范围内。为应对这一挑战，运营商使用小型塔扩大覆盖范围和容量。

与4G蜂窝塔相比，5G蜂窝塔在单个塔上集成了更多天线，称为大规模MIMO（多输入多输出），从而提高了网络的容量和效率。此外，还利用了波束成形技术将无线信号聚焦在特定方向，这与4G蜂窝塔向各个方向无差别传输信号并不相同。该方法有助于提高蜂窝塔信号强度并减少干扰。

4G和5G技术尽管存在差异，但值得注意的是二者并不相互排斥。大多数5G网络与4G网络共享回程和全网结构，二者仅在无线接口上有所不同。这些部署类型通常称为NSA（非独立组网）网络。NSA网络能够普及的原因在于，除基站外的所有组件均可重复使用，从而降低了网络构建成本。一些独立组网络（SA网络）确实具有更大的容量，但这些网络需要从头开始构建所有网络组件，从而大大增加了网络构建成本。因此，大多数设备均可按照NSA网络要求在4G和5G之间切换。

蜂窝塔和无线基础设施测试

测试对于保证蜂窝塔基础设施的可靠性至关重要，因为测试可识别并纠正潜在问题，保证最佳性能、持续正常运行，并为用户提供稳健、顺畅的无线连接。O-RAN测试用于评估开放式无线接入网组件的性能和互操作性，对于保证先进蜂窝网络的无缝运行尤为重要。 

NI可提供灵活、可扩展且经济高效的解决方案，在蜂窝塔组件测试方面发挥着举足轻重的作用。随着6G技术崭露头角，无线技术在飞速发展中已变得日益复杂，通信行业对创新型测试解决方案的需求也在不断增加。NI凭借着高质量RF测量技术与丰富的无线通信测试专业知识，为通信行业的高速发展提供助力。

近年来，在分散部署基站组件过程中从专有协议转向标准接口需要进行专门的在环测试和仿真。NI可提供相应的专业测试及高质量RF测量。基于数十年的无线行业经验，NI能够为合作伙伴提供稳健的测试解决方案。 详细了解快速互联的无线基础设施开发解决方案。