行動通訊基地台如何讓您保持連線

行動通訊基地台由多種元件組成，例如天線、基地收發台、天線桿與地面設備，能管理行動裝置所發出的訊號，進行有效率的行動通訊。4G 與 5G 基地台之間的差異在於 5G 技術的速度、傳輸量與潛時均有所提升。完整的測試能讓這些基地台確實保持最佳效能與穩定性。

NI 協助建構穩定的無線網路
基礎架構

我們的世界比以往任何時候更加緊密，因此需要大量資源才能讓不可或缺的網路保持穩定。行動通訊基地台又稱基地台或基地收發台，是現代電信系統的重要元件。其物理構造能容納收發特定「基地台」或區域無線電訊號時必須用到的設備，故因此得名。行動通訊基地台讓行動裝置和網路之間能夠進行無線通訊。這些構造在無線通訊生態系中發揮不可或缺的作用，讓我們可以能夠透過行動裝置打電話、傳簡訊、連線使用網際網路，而這些構造都必須經過密集的測試。

NI 提供靈活、可擴充且具經濟效益的解決方案，能測試新穎複雜的技術，對建構可靠的無線基礎架構貢獻良多。 無線技術推陳出新，也日益精密，6G 技術的問世更印證了這一點，創新解決方案可以協助測試工程師深入了解讓行動通訊基地台保持正常運作所不可或缺的網路設計與測試技術。

行動通訊基地台元件

放眼望去，不論您是否一眼認出行動通訊基地台，您的視線範圍內一定少不了它。基地收發台 (Base Transceiver station) 分成許多不同的尺寸，從最普遍的高塔型到不比煙霧偵測器大多少的小型裝置均屬之。其尺寸全然取決於所需的覆蓋範圍，以及該區域範圍內的流量密度。

行動通訊基地台到底是什麼模樣？行動通訊基地台就像是高聳且佈滿著許多天線的垂直天線桿，通常會分成 3 或 4 個方向，因此外觀相當特殊、顯眼。不過，也有不那麼顯眼的行動通訊基地台。隱匿式基地台較為隱蔽，能融入於所在環境中，謹慎地與屋頂甚至教堂尖塔之類的原有結構合而為一。不論是醒目顯眼，抑或是巧妙融入於週遭環境，這些高聳的建築結構裡都容納了許多重要設備，其作用是要讓服務範圍內全區的行動通訊順暢無礙。

每個行動通訊基地台會因為網路和特定服務區域的需求而略有不同，但通常會用到以下元件：

• 天線—要讓特定基地台範圍內的行動裝置彼此之間能夠順利收發訊號，這些是相當重要的元件。行動通訊基地台天線主要分成兩種類型：
  • 平板天線—扁平的矩形裝置，適用於廣大的區域。這類天線能發揮多種用途，也能按照不同的配置排列，以利達到理想的覆蓋範圍和傳輸量。這類天線能使用 MIMO (多重輸入/多重輸出) 技術，透過同一個頻道傳輸數個資料串流，從而提高傳輸量。
  • 扇形天線—一個基地台通常會安裝一組三或四個扇形天線，其設計概念是以覆蓋特定方向或「扇形區域」為主。 這樣的分段方式可以充分擴大整體覆蓋範圍，也能減少訊號之間的干擾。這些裝置通常採幾何分佈，能達到 360 度的覆蓋範圍。
• 基地收發台 (Base Transceiver Station, BTS) 裝有能收發 RF 訊號的無線電收發儀。每台收發儀或每個頻道各支援一定的並行呼叫次數。BTS 也裝有通訊加密/解密設備、頻譜濾波工具、雙工器以及放大器。
• 電波塔或天線桿—這種高聳的物理構造通常以鋼材製成，能將天線豎立在高處。其高度設計十分重要：天線越高，覆蓋範圍就越廣。其構造也必須能夠耐受環境壓力源，例如風以及設備重量。
• 地面設備—包括不同的機箱或防護罩，能容納各式輔助系統，例如行動通訊基地台供電系統 (為保持穩定，通常會有備用電池)、溫控 HVAC 系統，以及處理通話資料的基頻 (Baseband) 接收儀。
• 微波碟形—未以有形纜線連接至電信網路 (通常位於偏遠地帶) 的行動通訊基地台會使用微波碟形天線，這類天線能發揮回傳連線的作用。這些碟形天線有助於與其他基地台或網路節點進行點對點通訊。微波碟形天線通常出現在基地台的側面，特別適合用於無法佈線的區域。
• 接線—接線能將行動通訊基地台的所有元件連接起來，讓所有元件能夠相互通訊。接線又分多種類型，例如同軸電纜、用於微波傳輸的波導，以及光纖電纜。RF 連接線能將 BTS 連接至天線和網路連接線，用於傳輸資料。

這些行動通訊基地台元件彼此結合，發揮流暢而協調的作用，成為無線通訊網路的骨幹。

行動通訊基地台的運作方式

行動通訊基地台是行動裝置和電信網路之間的媒介。用淺顯易懂的話來解釋，行動通訊基地台會接收行動裝置發出的訊號、將訊號轉換成數位格式後，再傳送至目的地，也就是另一支手機或網際網路。接聽來電或接收資料的方式則相反。這樣的流程看似簡單，卻是步驟繁複，需要用到許多設備。接下來深入了解細節。

行動裝置 (如手機) 傳送訊號時，通訊流程隨即展開。這個訊號是電磁波，尤其是 RF 波，本質上就是使用者聲音或資料經過調變之後的版本。安裝在天線桿上的其中一根天線會接收訊號。這些天線可以使用 MIMO 技術，以同一個頻道傳輸多個資料串流，因此能提高傳輸量。

天線接收到訊號之後，會經由一系列的高頻率同軸纜線或波導，將訊號傳送至裝在基地台底部的 BTS。BTS 會將 RF 訊號轉換成能由網路處理的數位格式。訊號處理完畢後，再經由回傳連線傳送至行動交換中心 (MSC)。視位置與基礎架構而定，連接方式可以是實體連接，例如透過光纖電纜 (適用於市區或郊區)，也可以是像微波連結之類的無線連接 (適用於偏遠地帶)。

MSC 是行動網路的神經中樞，它會繼續將通話或資料轉傳至正確的目的地，可能是另一台行動裝置，或是網際網路上的伺服器。接聽來電或接收資料的方式則相反。MSC 會將訊號發送至 BTS，再由 BTS 升轉換回 RF 訊號。接下來會透過基地台的天線，將這個 RF 訊號傳送至預定接收的行動裝置。

行動通訊基地台的訊號傳輸範圍能有多遠？

在郊區，行動通訊基地台最遠可以將訊號傳送至 20 英里外。在人口稠密且有許多實體障礙物 (如建築物) 的城市裡，傳輸範圍可能會縮短到一或二英里。行動通訊基地台可以同時處理數千個通話或網際網路連線。

觀察無線通訊基地台的傳輸距離時，有幾項因素會大幅影響傳輸範圍 (也就是行動通訊半徑)。高頻訊號 (例如 5G 網路常用的訊號) 的傳輸範圍通常較短，但傳輸量較高，而低頻訊號 (以 4G LTE 來說通常用於郊區) 的傳輸距離較遠，但資料傳輸量較少。天線高度和類型也會影響覆蓋範圍。天線較高可以克服障礙物，因此能覆蓋較大的區域。扇形天線之類的天線類型能以特定方向為目標覆蓋範圍，而平板天線則能提供廣泛的覆蓋範圍。波束賦形 (Beamforming) 是一種用於進階 MIMO 設定的技術，亦可用於將訊號集中至特定使用者，從而擴大範圍並提升訊號品質。

為處理數千個同步要求，現代無線通訊基地台採用精密的技術，盡可能增加並行通話或資料連線階段數目。MIMO 能同步傳輸與接收多個資料串流，不必佔用額外頻寬即可充分讓傳輸量倍增。通常也會採用相位差振幅調變 (QAM) 之類的先進頻譜效率技術，讓每 Hz 頻寬傳輸更多位元數。所採用的特定技術會改變傳輸量。mmWave 技術有提高頻寬的空間，因此能大幅提高傳輸量。此外，在特定區域內分配給基地台使用的頻率範圍 (也就是所謂的可用頻譜數量) 也會影響傳輸量。

無線通訊中的視線傳播

就無線通訊而言，視線是指無線電波從發射天線 (如行動無線基地台) 到接收天線 (如智慧型手機) 之間直接、無阻礙的路徑。

若要達到最佳的訊號強度與品質，傳輸器與接收儀之間的視線必須保持暢通，建築物、樹木、山丘甚至是大氣條件等障礙物都有可能導致訊號衰減或變弱，而多路徑傳播 (訊號彈離表面並在不同的時間傳到接收儀) 有可能會造成干擾並降低效能。

在頻率較高的頻段 (例如 5G 網路所使用的頻段)，由於波長較短且太容易被障礙物吸收或反射，因此視線特別重要。無線通訊基地台通常設在高處，而且會採用波束賦形之類的技術，讓無線電訊號固定在朝向接收儀的方向，原因就在於視線。

行動通訊基地台類型

行動通訊基地台因其結構、位置以及所使用的技術類型而異。最常見的基地台類型包括單桿基地台、格狀基地台、拉索基地台、隱匿式基地台、屋頂基地台，以及小型基地台。

單桿基地台

最簡單的行動通訊基地台類型也是最常用的一種，尤其是在市區。單桿基地台是一種獨立桿狀物，高度通常介於 50 到 200 英尺之間。天線通常位於筒罐頂端或裝於外側。

格狀基地台

這類基地台常見於鄉間或高速公路旁。相較於單桿基地台，這類基地台更堅固，能支援更多設備並達到更高的高度。格狀基地台是獨立構造，有水平桿和對角桿，能產生晶格效果。 

拉索基地台

拉索基地台使用拉索保持穩定。這類基地台是最輕、最具經濟效益的行動通訊基地台，但由於拉索從基地台到地面的距離相當長，因此必須佔用相當大的空間。拉索基地台通常用於不太需要顧慮空間的郊區。

隱匿式基地台

顧名思義，隱匿式或隱形基地台的目的就是要與週遭環境合而為一。這類基地台的設計可能會採用樹木 (通常稱為「monopine」)、鐘樓、旗桿、教堂尖塔等造型，甚至可以和建築物或招牌之類的原有構造融為一體。

屋頂基地台

在人口稠密的市區架設獨立基地台不切實際，可能性也不高。在這些情況下，可以將天線裝在建築物屋頂或其他既有構造上。這幾類基地台的高度遠低於傳統基地台，但架設密度通常要更高，覆蓋範圍才會夠大。

小型基地台

隨著 5G 技術的出現，小型基地台越來越普遍。這些小型基地台稱為微型 (micro-) 基地台、微微 (pico-) 基地台或毫微 (femto-) 基地台，雖然範圍較短，但能迅速傳輸大量資料。小型基地台通常裝在路燈、電線桿或高密度區域裡的建築物上。

不同類型的基地台，基本用途是一樣的，可以收發行動裝置的訊號。應使用的基地台類型取決於諸多因素，例如地理位置、人口密度，以及行動網路的具體需求。

4G 相較於5G 行動通訊基地台

4G 和 5G 行動通訊基地台的主要差異，在於會影響無線網路速度、傳輸量與潛時的技術更迭。4G 網路通常使用較低頻段 (最高 2.5 GHz) 運作，而 5G 技術則是為了運用更廣的頻譜而設計的，最高能夠整合 100 GHz 的高頻段。使用較高的頻率 (尤其是超過 24 GHz 的毫米波頻段) 能加快網路傳輸速度，但範圍會更小。

最顯著的其中一項目差異在於資料傳輸率。5G 行動通訊基地台的資料傳輸速度遠高於 4G 基地台。換句話說，4G LTE 網路的速度可以達到 100 Mbps 左右，5G 網路速度理論上最高可以達到 10 Gbps，速度加快了 100 倍。

潛時 (Latency) 就是傳輸指令之後的資料傳輸延遲 (Latency)，這也是 5G 的另一項優勢。一般 4G 網路的潛時約 50 毫秒，相較之下，5G 的目標是將潛時縮短至數毫秒，就自駕車等即時應用而言，這個目標尤其重要。5G 技術講求密度更高的行動通訊基地台，在人口密度較高的地區或室內尤其如此，這是因為頻率越高傳輸範圍越短。為克服這方面的困境，可以使用小型基地台擴大覆蓋範圍與提高傳輸量。

相較於 4G 基地台，5G 基地台的一個基地台就能整合更多天線，這就是所謂的 Massive MIMO (多輸入多輸出)，因此能提升網路傳輸量與效率。5G 基地台還運用一種稱為波束賦形的技術，可以將把無線訊號集中在特定方向，不像 4G 無線通訊基地台無法定向，會在不加區別的情況下傳播訊號。這種方式有助於提升行動通訊基地台的訊號強度，也有助於減少干擾。

值得注意的是，4G 和 5G 技術雖有不同，兩者並不互斥。大多數的 5G 網路均與 4G 共用回傳與整個網路架構，不同之處只在於無線介面。這些部署類型通常稱為「非獨立」(Non-Stand Alone, NSA) 網路。NSA 網路之所以如此普及，主要是因為除基地台以外的所有元件均可重複使用，因此能夠降低網路建設成本。另外還有獨立式 (Stand-alone, SA) 網路，這類網路有機會能提高傳輸量，但必須從無到有建構所有網路元件，因此會導致建設成本過高。因此，大多數的裝置均可根據 NSA 網路的需求切換 4G 或 5G。

行動通訊基地台與無線基礎架構測試

測試對於行動訊號基地台基礎架構的穩定性而言十分重要，因為測試能夠發現並修正潛在問題，確保最佳效能、持續正常運作，以及為使用者提供穩定、順暢的無線連線功能。O-RAN 測試會評估開放式無線電存取網路元件的效能與互通性，讓進階行動網路確實保持順暢運作。 

NI 提供靈活、可擴充且具經濟效益的解決方案，在行動通訊基地台元件測試領域發揮相當重要的作用。無線技術推陳出新，也日益複雜，6G 技術問世後，對創新設解決方案的需求也與日俱增。NI 結合高品質的 RF 量測與無線通訊測試領域的豐富專業知識，充分能夠因應上述需求。

近年來，基地台元件分門別類後從專用協定轉為標準介面，因此必須進行專門的迴路測試與模擬。NI 提供這些特殊測試，輔以高品質的 RF 量測作業，能夠充分因應這樣的需求。與 NI 合作有助於運用深耕無線產業數十年的經驗，確實開發出穩定的測試解決方案。 深入了解快速且連線順暢的無線基礎架構開發作業。