給忙碌者的5G基礎知識課(十九)——數據如何在5G基站下傳輸?

《給忙碌者的5G基礎知識課》前面的文章中講到了那麼多5G的新技術,但其實一直規避了一個根本性問題,那就是這些技術到底是如何落到實際網路中,進而真正把數據高速率、低時延的從基站傳輸到手機上的

接下來的幾篇文章,我將把前面的文章中的知識點,一一對應到現實的5G網路中,為各位同學展示一次完整的5G數據的傳輸。

為了便於大家理解,再次請出前面故事的主角李狗蛋。李狗蛋自從有了5G手機辦理了5G套餐,天天在同事面前嘚瑟:哎,你說這5G網路怎麼就這麼快,你看這4K的《慶余年》,進度條隨便拖,一點不卡!

當李狗蛋點開《慶余年》時,數據是怎麼從騰訊視頻的伺服器傳輸到他的手機上呢?

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一個完整的5G網路

在前面的文章中提到過,一個完整的移動通信系統其實是包含無線接入網、承載網和核心網三個部分的,不論是2345G萬變不離其宗。其中無線網是和用戶直接接觸的網路,也就是所謂基站與天線所組成、真正發射5G無線信號的網路。

而承載網和核心網,則是由在地下埋著的光纖線纜、運營商高度機密的各類機房中的各類電信級設備所組成的,對於用戶來說基本是看不到且感知不到的。

承載網在三張網路中更特殊一些,更像是無線接入網(也就是幾百萬的基站)與核心網(也就是核心網機房中各類很牛逼的設備)間傳輸數據的火車道,因此常常被忽略,於是5G網路可以簡化成這個樣子:

當李狗蛋點擊了《慶余年》視頻的播放按鈕,手機會把騰訊視頻APP這個播放請求(可能就是幾KB的數據),轉化成無線電波,通過無線電波上傳到基站(無線接入網),隨後由基站通過有線網路發送給承載網,再由承載網通過有線網路傳送到核心網,最終才能走出運營商的龐大「內網」,走進外網,來到騰訊視頻的存儲《慶余年》視頻數據的伺服器。

現實中,為在北京工作的李狗蛋服務的騰訊視頻伺服器,很有可能是布置在深圳的(舉個栗子而已,一般都會在全國各地布置N個伺服器),也就是說《慶余年》視頻是要跨越2000公里的物理里程才能傳輸到狗蛋的手機上

但是,李狗蛋在點擊了「播放視頻」按鈕後,明明是立刻就看到了播放出來的視頻啊。

這是因為,在現在的移動通信系統中,數據在地面下(光纖)地面上(無線電波)的傳輸速度都是與光速是一個量級的,因此幾千甚至上萬公里的數據的傳輸時間都是以毫秒為單位來計算的,1毫秒等於0.001秒,所以對於普通用戶來說根本感知不到這麼一丟丟時延。

對於5G網路來說,三張網路中變化最大、新技術最多的部分是無線接入網,原因就是目前制約移動通信網路速度、時延的主要瓶頸就在無線網路中。

這是因為「空氣」中的各類無線電波都要擠在那寶貴的幾千MHz(下圖是工信部目前給各類應用的無線電頻率劃分,是不是看著眼睛要瞎了)的頻率空間中壓榨香農定理的最後一點空間(給忙碌者的5G基礎知識課(二)——香農的詛咒),而地下的有線網路傳輸都可以在自己專屬的管線內互不干擾的自由傳輸,所以咱們的《給忙碌者的5G基礎知識課》主要講的也是5G在無線網中的關鍵技術,也就是基站中的關鍵技術。

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什麼是基站

對於非通信從業者,甚至很多通信從業者來說,都很少有人會搞清楚兩個概念,那就是基站與天線

其實,一套完整的基站系統,是由三部分組成的,分別是BBU、RRU與天線(天饋)。其中BBU,也就是基站處理單元才是通信人口中真正的基站設備,而RRU與天線則是為了將無線電波發射到用戶手機上的最後一道關卡。

BBU用戶一般是看不到的,因為BBU是外表上看上去像伺服器一樣的設備,被堆疊在運營商在各個不起眼角落裡的無線機房中,BBU的外型就是下面這個鬼樣子。

BBU是組成無線接入網的最核心部分。我們前面所講的所有的5G關鍵技術,比如調製(給忙碌者的5G基礎知識課(三)——進擊的調製)、編碼(給忙碌者的5G基礎知識課(四)——華為與高通的5G天王山之戰、給忙碌者的5G基礎知識課(五)——中國通信行業的「登頂」之役)、Massive MIMO的處理(給忙碌者的5G基礎知識課(六)——Massive MIMO:5G真正的大殺器、給忙碌者的5G基礎知識課(七)——Massive MIMO:香農極限?Who Care)、OFDM處理(給忙碌者的5G基礎知識課(十七)——神奇的OFDM、給忙碌者的5G基礎知識課(十八)——OFDM+NOMA強強聯手)中的絕大多數實現(還有一小部分在RRU中實現)都是在這個和電腦主機差不多大小的鐵盒子里完成的,而華為、中興、愛立信等設備廠家在5G時代主要爭奪的戰場就是BBU戰場。

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什麼是RRU

而RRU與天線,雖然也很重要,但技術含量遠遠不及BBU。其中RRU射頻拉遠單元主要是為了能將BBU處理完的數據(被稱為基帶信號)轉化成運營商所被分配的頻段上的無線電信號,並給無線電加上足夠大的功率,這樣才能發射出去,而且能傳播足夠遠(無線電的功率越大傳播越遠)。

RRU的外型如下圖,我個人覺得長得像暖氣片。下圖中下面那個就是暖氣片,大家不要搞混了。知道為什麼RRU設計成這個鬼樣子嗎?其實就是為了散熱,和暖氣片同理。。5G的功耗很多都耗在了RRU上(在5G中叫做AAU),畢竟它要負責給無線電信號加功率。

一般RRU都和天線掛在一起,而不是和BBU放在一起。因為BBU和RRU間是用光纖(可以用來傳輸基帶信號)連接的,傳播損耗極小,可以離遠一些比如幾百米或者公里級別。

RRU和天線之間是用饋線(用來傳輸已經被轉換到高頻上的無線電信號)連接的,損耗較大,所以不能傳輸太遠。如果大家下回看到掛著天線的鐵塔或者燈桿可以仔細瞅瞅旁邊是不是還有這麼個玩意。天線和「暖氣片」中間的一坨坨黑線就是饋線。

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什麼是天線

無線電信號最後要發射出去,就要靠經常被大家誤認為是基站的天線啦。在整個基站系統中,技術含量最低、最便宜、但最影響用戶實際感知的就是天線(畢竟它打向哪個方向哪個地方才會有信號)。天線一般長這樣:

但由於現在越來越多居民投訴小區里建基站影響他們智商了,而且天線的外型實在太好辨認了,逼得運營商只好想辦法把天線包裝起來,俗稱美化天線,比如這樣:

上面的太陽能電池板、空調外掛機中就藏著天線。。天線需要將RRU傳輸的信號最終轉化成無線電波發射出去,而用戶的手機同樣要使用天線來接收或者發射無線電信號。

什麼?你說你的手機沒天線?不存在的。現在手機的天線已經不是這樣嬸的了:

而是藏在手機的殼子裡面,比如這樣:

5G基站天線與手機天線的變化比較大,下篇文章再說。