Базовая станция

Базовая станция — это стационарный приёмо-передающий комплекс, являющийся центральным элементом сотовой сети связи, который обеспечивает радиопокрытие на определённой территории и связь между мобильными устройствами (абонентскими терминалами) и инфраструктурой оператора. Базовая станция выполняет функции радиодоступа, обработки сигналов, управления вызовами и передачи данных, а также сопряжения с опорной сетью (ядром сети) оператора.

История

Развитие базовых станций неразрывно связано с эволюцией стандартов сотовой связи. Первые поколения систем (1G, аналоговые) использовали крупные и энергоёмкие базовые станции, обслуживавшие макросоты радиусом до нескольких десятков километров. С переходом к цифровым стандартам 2G (GSM) началась миниатюризация оборудования и появление более эффективных антенных систем.

Внедрение стандартов 3G (UMTS) потребовало увеличения пропускной способности и плотности покрытия, что привело к появлению микросот и пикосот. Технология 4G (LTE) окончательно закрепила архитектуру с разделением на радиоблок (RRU — Remote Radio Unit) и блок обработки (BBU — Base Band Unit), что позволило размещать оборудование ближе к антеннам и сокращать потери в фидерах. Современные сети 5G (NR) используют концепцию Massive MIMO (множественный вход — множественный выход) с большим числом антенных элементов, а также технологию beamforming (формирование луча) для повышения ёмкости и скорости передачи данных.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Типовая базовая станция включает в себя:

• Антенно-фидерное устройство (АФУ): одна или несколько антенн (секторов), обеспечивающих излучение и приём радиоволн в заданном диапазоне частот. Антенны могут быть панельными, рупорными, спиральными или решётками (в Massive MIMO).
• Радиомодуль (RRU/TRX): устройство, осуществляющее преобразование цифрового сигнала в радиочастотный и обратно, усиление и фильтрацию. В современных станциях RRU часто размещается непосредственно на мачте рядом с антенной.
• Блок обработки (BBU/DU): вычислительный модуль, выполняющий цифровую обработку сигналов, кодирование/декодирование, модуляцию/демодуляцию, управление радиоресурсами и взаимодействие с ядром сети. BBU может располагаться в контейнере или специальном помещении у подножия мачты.
• Система электропитания: обеспечивает бесперебойную работу оборудования, включает в себя источники бесперебойного питания (ИБП) и аккумуляторные батареи (для работы при отключении сети).
• Транспортная сеть (backhaul): канал связи, соединяющий базовую станцию с ядром сети оператора. Используются оптоволоконные линии, радиорелейные линии (РРЛ), спутниковая связь (в удалённых районах) или медные кабели.

Принцип работы

Базовая станция постоянно излучает служебные сигналы (пилотные сигналы, сигналы синхронизации), которые позволяют мобильным устройствам обнаружить сеть, зарегистрироваться в ней и оценить качество сигнала. Когда абонент совершает вызов или передаёт данные, его устройство устанавливает радиоканал с базовой станцией. Станция выделяет абоненту определённый частотно-временной ресурс (в зависимости от стандарта), модулирует и передаёт данные. В процессе движения абонента между зонами покрытия разных станций происходит процедура хэндовера (эстафетной передачи) — бесшовное переключение обслуживающей станции.

Классификация

Базовые станции классифицируются по нескольким признакам.

По размеру зоны покрытия (радиусу соты)

• Макросоты: обслуживают большие территории (от 1 до 35 км и более). Устанавливаются на вышках, крышах высотных зданий, водонапорных башнях. Обеспечивают базовое покрытие в городах и вдоль трасс.
• Микросоты: радиус действия от 200 метров до 1–2 км. Устанавливаются на столбах освещения, фасадах зданий, в местах с высокой плотностью абонентов (площади, торговые центры). Разгружают макросоты.
• Пикосоты: радиус до 100–200 метров. Используются внутри помещений (офисы, аэропорты, стадионы) для обеспечения высокой ёмкости.
• Фемтосоты: радиус до 10–30 метров. Предназначены для домашнего или офисного использования, подключаются к интернету через широкополосный канал (например, оптоволокно).

По месту размещения

• Уличные (outdoor): устанавливаются на открытом воздухе, защищены от атмосферных воздействий.
• Внутренние (indoor): размещаются внутри зданий, часто в виде распределённых антенных систем (DAS — Distributed Antenna System).

По количеству секторов

• Односекторные (всенаправленные): одна антенна, обслуживающая 360 градусов. Используются редко, в основном для малых сот.
• Многосекторные: разделение зоны покрытия на 2, 3, 6 или более секторов (обычно 3 сектора по 120 градусов). Каждый сектор обслуживается своей антенной и радиомодулем, что увеличивает ёмкость сети.

Стандарты и частотные диапазоны

Базовые станции работают в определённых частотных диапазонах, выделенных для сотовой связи. В России распределение частот регулируется Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ). Основные диапазоны:

• 2G (GSM): 900 МГц (LTE Band 8), 1800 МГц (LTE Band 3).
• 3G (UMTS): 900 МГц (Band 8), 2100 МГц (Band 1).
• 4G (LTE): 800 МГц (Band 20), 900 МГц (Band 8), 1800 МГц (Band 3), 2100 МГц (Band 1), 2600 МГц (Band 7).
• 5G (NR): 700 МГц (n28), 3,4–3,8 ГГц (n78), 4,8–4,99 ГГц (n79), а также миллиметровый диапазон (24–29 ГГц, n257/n258).

Каждый диапазон имеет свои особенности: более низкие частоты обеспечивают лучшее проникновение через препятствия и большую дальность, более высокие — большую ёмкость и скорость передачи данных.

Применение

Основная функция базовых станций — обеспечение голосовой связи и передачи данных в сетях мобильной связи. Они являются физической основой для предоставления услуг:

• Голосовая телефония (VoLTE, VoNR).
• Мобильный интернет (3G/4G/5G).
• Передача коротких сообщений (SMS).
• Услуги IoT (интернета вещей): связь с датчиками, счётчиками, умными устройствами (в стандартах NB-IoT, LTE-M).
• Обеспечение связи в экстренных ситуациях (аварийно-спасательные службы, МЧС).

Экологические и санитарные аспекты

Вопросы воздействия электромагнитного излучения базовых станций на здоровье человека регулируются санитарными нормами. В России действуют СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03, устанавливающие предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитного поля (ЭМП) радиочастотного диапазона. Для базовых станций, работающих в диапазоне 30–300 МГц, ПДУ составляет 10 Вт/м², для диапазона 300 МГц – 300 ГГц — 10 Вт/м² (для населения). На практике мощность излучения базовых станций значительно ниже этих норм, а их размещение согласовывается с Роспотребнадзором.

Исследования показывают, что уровень излучения от базовой станции на расстоянии нескольких десятков метров, как правило, ниже, чем от работающего мобильного телефона, приложенного к уху. Тем не менее, вокруг размещения вышек иногда возникают общественные споры, связанные с опасениями жителей. В России решения о размещении базовых станций принимаются с учётом санитарно-эпидемиологических заключений.

Интересные факты

• Первая в мире базовая станция сотовой связи была установлена в 1979 году в Чикаго (США) компанией Ameritech (ныне часть AT&T) в рамках запуска коммерческой сети 1G (AMPS).
• Современные базовые станции 5G могут обслуживать до нескольких тысяч абонентов одновременно в одном секторе.
• Для обеспечения связи в труднодоступных районах (горы, тайга) используются передвижные базовые станции, размещённые на автомобилях или вертолётах.
• В России крупнейшими операторами, эксплуатирующими базовые станции, являются ПАО «Мобильные ТелеСистемы» (МТС), ПАО «МегаФон», ПАО «ВымпелКом» (Билайн) и ПАО «Ростелеком» (Т2 Мобайл).

Источники

1. Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 № 126-ФЗ.
2. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов».
3. «Сотовые системы связи: учебное пособие» / под ред. В. В. Веселовского. — М.: Горячая линия – Телеком, 2015.
4. «Основы построения сетей мобильной связи» / А. В. Прокопьев. — СПб.: БХВ-Петербург, 2018.
5. Материалы сайта Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) — gkrch.ru.
6. «5G: технологии и архитектура» / под ред. А. И. Крылова. — М.: Техносфера, 2020.