给忙碌者的5G基础知识课(十九)——数据如何在5G基站下传输?

2020年01月04日21:50:17 科技 1676

《给忙碌者的5G基础知识课》前面的文章中讲到了那么多5G的新技术,但其实一直规避了一个根本性问题,那就是这些技术到底是如何落到实际网络中,进而真正把数据高速率、低时延的从基站传输到手机上的


接下来的几篇文章,我将把前面的文章中的知识点,一一对应到现实的5G网络中,为各位同学展示一次完整的5G数据的传输。


为了便于大家理解,再次请出前面故事的主角李狗蛋。李狗蛋自从有了5G手机办理了5G套餐,天天在同事面前嘚瑟:哎,你说这5G网络怎么就这么快,你看这4K的《庆余年》,进度条随便拖,一点不卡!


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当李狗蛋点开《庆余年》时,数据是怎么从腾讯视频的服务器传输到他的手机上呢?


01


一个完整的5G网络


在前面的文章中提到过,一个完整的移动通信系统其实是包含无线接入网、承载网和核心网三个部分的,不论是2345G万变不离其宗。其中无线网是和用户直接接触的网络,也就是所谓基站与天线所组成、真正发射5G无线信号的网络。


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而承载网和核心网,则是由在地下埋着的光纤线缆、运营商高度机密的各类机房中的各类电信级设备所组成的,对于用户来说基本是看不到且感知不到的。


承载网在三张网络中更特殊一些,更像是无线接入网(也就是几百万的基站)与核心网(也就是核心网机房中各类很牛逼的设备)间传输数据的火车道,因此常常被忽略,于是5G网络可以简化成这个样子:


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当李狗蛋点击了《庆余年》视频的播放按钮,手机会把腾讯视频APP这个播放请求(可能就是几KB的数据),转化成无线电波,通过无线电波上传到基站(无线接入网),随后由基站通过有线网络发送给承载网,再由承载网通过有线网络传送到核心网,最终才能走出运营商的庞大“内网”,走进外网,来到腾讯视频的存储《庆余年》视频数据的服务器。


现实中,为在北京工作的李狗蛋服务的腾讯视频服务器,很有可能是布置在深圳的(举个栗子而已,一般都会在全国各地布置N个服务器),也就是说《庆余年》视频是要跨越2000公里的物理里程才能传输到狗蛋的手机上


但是,李狗蛋在点击了“播放视频”按钮后,明明是立刻就看到了播放出来的视频啊。


这是因为,在现在的移动通信系统中,数据在地面下(光纤)地面上(无线电波)的传输速度都是与光速是一个量级的,因此几千甚至上万公里的数据的传输时间都是以毫秒为单位来计算的,1毫秒等于0.001秒,所以对于普通用户来说根本感知不到这么一丢丢时延。


对于5G网络来说,三张网络中变化最大、新技术最多的部分是无线接入网,原因就是目前制约移动通信网络速度、时延的主要瓶颈就在无线网络中。


这是因为“空气”中的各类无线电波都要挤在那宝贵的几千MHz(下图是工信部目前给各类应用的无线电频率划分,是不是看着眼睛要瞎了)的频率空间中压榨香农定理的最后一点空间(给忙碌者的5G基础知识课(二)——香农的诅咒),而地下的有线网络传输都可以在自己专属的管线内互不干扰的自由传输,所以咱们的《给忙碌者的5G基础知识课》主要讲的也是5G在无线网中的关键技术,也就是基站中的关键技术。


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02


什么是基站


对于非通信从业者,甚至很多通信从业者来说,都很少有人会搞清楚两个概念,那就是基站与天线


其实,一套完整的基站系统,是由三部分组成的,分别是BBU、RRU与天线(天馈)。其中BBU,也就是基站处理单元才是通信人口中真正的基站设备,而RRU与天线则是为了将无线电波发射到用户手机上的最后一道关卡。


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BBU用户一般是看不到的,因为BBU是外表上看上去像服务器一样的设备,被堆叠在运营商在各个不起眼角落里的无线机房中,BBU的外型就是下面这个鬼样子。


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BBU是组成无线接入网的最核心部分。我们前面所讲的所有的5G关键技术,比如调制(给忙碌者的5G基础知识课(三)——进击的调制)、编码(给忙碌者的5G基础知识课(四)——华为与高通的5G天王山之战、给忙碌者的5G基础知识课(五)——中国通信行业的“登顶”之役)、Massive MIMO的处理(给忙碌者的5G基础知识课(六)——Massive MIMO:5G真正的大杀器、给忙碌者的5G基础知识课(七)——Massive MIMO:香农极限?Who Care)、OFDM处理(给忙碌者的5G基础知识课(十七)——神奇的OFDM、给忙碌者的5G基础知识课(十八)——OFDM+NOMA强强联手)中的绝大多数实现(还有一小部分在RRU中实现)都是在这个和电脑主机差不多大小的铁盒子里完成的,而华为、中兴、爱立信等设备厂家在5G时代主要争夺的战场就是BBU战场。


03


什么是RRU


而RRU与天线,虽然也很重要,但技术含量远远不及BBU。其中RRU射频拉远单元主要是为了能将BBU处理完的数据(被称为基带信号)转化成运营商所被分配的频段上的无线电信号,并给无线电加上足够大的功率,这样才能发射出去,而且能传播足够远(无线电的功率越大传播越远)。


RRU的外型如下图,我个人觉得长得像暖气片。下图中下面那个就是暖气片,大家不要搞混了。知道为什么RRU设计成这个鬼样子吗?其实就是为了散热,和暖气片同理。。5G的功耗很多都耗在了RRU上(在5G中叫做AAU),毕竟它要负责给无线电信号加功率。


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一般RRU都和天线挂在一起,而不是和BBU放在一起。因为BBU和RRU间是用光纤(可以用来传输基带信号)连接的,传播损耗极小,可以离远一些比如几百米或者公里级别。


RRU和天线之间是用馈线(用来传输已经被转换到高频上的无线电信号)连接的,损耗较大,所以不能传输太远。如果大家下回看到挂着天线的铁塔或者灯杆可以仔细瞅瞅旁边是不是还有这么个玩意。天线和“暖气片”中间的一坨坨黑线就是馈线。


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04


什么是天线


无线电信号最后要发射出去,就要靠经常被大家误认为是基站的天线啦。在整个基站系统中,技术含量最低、最便宜、但最影响用户实际感知的就是天线(毕竟它打向哪个方向哪个地方才会有信号)。天线一般长这样:


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但由于现在越来越多居民投诉小区里建基站影响他们智商了,而且天线的外型实在太好辨认了,逼得运营商只好想办法把天线包装起来,俗称美化天线,比如这样:


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上面的太阳能电池板、空调外挂机中就藏着天线。。天线需要将RRU传输的信号最终转化成无线电波发射出去,而用户的手机同样要使用天线来接收或者发射无线电信号。


什么?你说你的手机没天线?不存在的。现在手机的天线已经不是这样婶的了:


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而是藏在手机的壳子里面,比如这样:


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5G基站天线与手机天线的变化比较大,下篇文章再说。


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