IM开发者的零基础通信技术入门(六)：移动终端的接头人——“基站”技术

【来源申明】本文原文来自：微信公众号“网优雇佣军”，原题为“基站简史”。为了更好的内容呈现，即时通讯网在收录时内容有稍许调整，转载时请注明原文来源信息，请尊重原作者的劳动。

1、系列文章引言

1.1适合谁来阅读？

本系列文章尽量使用最浅显易懂的文字、图片来组织内容，力求通信技术零基础的人群也能看懂。但个人建议，至少稍微了解过网络通信方面的知识后再看，会更有收获。如果您大学学习过《计算机网络》这门课，那么一定不要错过本系列文章。

特别推荐即时通讯开发者来阅读，因为针对移动弱网的问题，确实可以找到很多有价值的答案。

友情提示：本系列文章可能涉及以下通信技术范畴，如您有兴趣，也可自行系统地学习：

1.2本系列文章的初衷

作为即时通讯（IM、消息推送等应用场景）相关技术的开发者人员来说，似乎了解跨专业的通信技术（这是大学通信工程专业类学生的学习内容），有点过于深入和底层了，因为一般来说熟练掌握逻辑层的TCP\IP相关协议、网络编程相关的应用技术就差不多能胜任这方面的本职工作了。

没错，确实是这样。但在开发IM、推送这类应用系统时，尤其在移动网络下，各种弱网问题，让人非常痛苦。

典型的弱网问题，比如：

• 1）频繁掉线；
• 2）丢包严重；
• 3）网络抖动；
• 4）网络延迟；
• ........
  

那么，针对以上现象，怎么才能有底气的跟老板、客户、产品经理地解释以下问题？

• 1）导致这些现象的根本原因到底是什么？
• 2）怎么跟老板解释，要搞定在高铁上用好音视频聊天功能很困难？
• 3）怎么跟客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络下的成功率问题？
• 4）怎么向客户说明，商场或人多场合下，明明信号很好，但你的APP确用不了？
• .......
  

你说这些都是网络问题，APP代码无能为力。那么，你倒是讲讲到底是什么样的网络问题？能把人讲信服了，就可以甩锅给网络，不然只能是APP代码背锅了。现实吧！

所以，我们还是老老实实花点功夫来研究研究通信技术吧（通信技术直面的是网络通信物理层），至少遇到问题，不说给别人，至少给自已找到一个说的过去的解释。这才是一个优秀程序员的修养！

1.3本系列文章的价值

网上能找到的通信技术资料都太过专业或太不专业，要么都是搞网络工程方面的内行人编写的（内容专业但很枯燥难懂），要么就是外行的IT开发人员写的（很少见，且价值不大，因为不够专业，所以内容并不准确，参考价值很有限）。

既能让外行的普通程序员看懂，还能准确地讲明白通信技术知识，这样的资料简直比找金矿还难。因为普通程序员能接触到的网络编程、网络通信方面的资料多针对数据通信的逻辑层（比如：tcpip、socket等知识范畴），而通信技术涉及的是数据通信的物理层（交换机、路由器、天线、网络制式等），某种意义上来说，这是完全不同的技术方向。

好消息是，经过长时间的资料搜集，终于有了本系列文章，希望能给你带来帮助。

1.4拓展阅读

即时通讯网之前已经整理过《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》、《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》这几篇初涉通信层的文章，但都因技术广度和深度有限，能带给读者的帮助比较局限。如果您看过这几篇文章，那么一定不要错过本次的《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章。

另外，如果您对最基本的程序员本该掌握的网络编程知识都还不怎么了解的话，建议首先阅读《网络编程懒人入门系列文章》、《脑残式网络编程入门系列》，以及更高深一点的《不为人知的网络编程系列文章》。

1.5番外：通信技术女神镇楼

▲ 史上最高颜值科学杂志封面，人物为 “CDMA之母”——海蒂·拉玛（一个被演艺事业耽误的科学女神）

2、本系列文章目录

《IM开发者的零基础通信技术入门(一)：通信交换技术的百年发展史(上)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(二)：通信交换技术的百年发展史(下)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(三)：国人通信方式的百年变迁》
《IM开发者的零基础通信技术入门(四)：手机的演进，史上最全移动终端发展史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(五)：1G到5G，30年移动通信技术演进史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(六)：移动终端的接头人——“基站”技术》（* 本文）
《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(九)：无线通信网络的中枢——“核心网”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十)：零基础，史上最强5G技术扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十一)：为什么WiFi信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十二)：上网卡顿？网络掉线？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十三)：手机信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十四)：高铁上无线上网有多难？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十五)：理解定位技术，一篇就够》

3、本文内容概述

大家使用移动终端（最常见的比如：手机）时，都或多或少地听说过通信基站这个东西，但通信基站是个什么东西？这就是本文要讲的内容。

移动通信基站，是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。在我国，其基站由移动通信经营者向无线电管理部门申请设置。

移动通信基站的建设是移动通信运营商投资的重要部分，移动通信基站的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展，移动通信基站的发展趋势是宽带化、大覆盖面建设及IP化。

自上个世纪70年代末移动通信网络诞生以来，移动通信基站已经陪伴人类40年了，为人类社会带来了空前的变革，但你知道它的故事吗？

4、1G通信：基站的由来

移动通信网络部署始于上个世纪70年代末，我们称之为1G时代，当时基站的英文全称叫Base Station，简称BS，直译过来就是“基站”，这一叫法一直延续到今天。



1G时代多种标准林立，但主要有两大主流制式AMPS和TACS。


▲ TACS基站（爱立信1G模拟基站RBS883）

1987年，我国在河北秦皇岛和广东建立了第一代模拟移动通信系统，拉开了中国移动通信行业的序幕。


▲ 从图片对比看，当时的1G基站采用的就是爱立信的TACS系统


▲ AMPS基站和天线

1G是模拟系统，不但容量低、通话质量差，而且保密性极差，本人当年在维护基站时就曾不小心清楚地听到用户间的对话，今天的你可能简直无法相信。

5、2G通信：一体化的BTS

2G时代的基站并不叫“Base Station“，而是叫BTS，全称为Base Transceiver Station，即基站收发信机。


▲ GSM网络构架

相较于1G基站叫Base Station， BTS在Base Station的中间加了一个“Transceiver”，这一命名更加精准。

因为，Transceiver即收发单元，是BTS的重要组成部分。

我们来看看2G基站的组成…


▲ 爱立信RBS2206

BTS主要包括公共单元、收发单元、合分路单元，其中，公共单元包括供电单元、传输接口单元、时钟分配单元等。

收发单元，全称Transmission Receiver Unit，简称TRX或TRU，指收信器和发信器的合称，我们通信人通常叫它“载频”。

最早期BTS收发单元的功能包含无线信号的收发、放大、调制/解调、编解码和DSP数字处理等，这其实就是将基带单元（BBU）和射频单元（RRU）集于一体。

收发单元是2G基站的关键组成部分，这也正是2G基站被称为Base Transceiver Station的原因。




▲ 曾经的Motorola和北电2G基站，如今已随风消逝

早期的2G基站体积很大，且笨重，扩容和运维很麻烦。

每个收发单元只能处理一个载波信号，一个载频最多能同时容量8个用户，每次遇到基站拥塞扩容都要增加载频和合路器等，运维工程师不得不提着笨重的载频，每天上下穿梭于楼顶的基站。如果继续拥塞，还不得不扩展机柜，工作量更大。

回想当年，很多楼房根本没有电梯，而基站就在楼顶上，你抬眼一望不得不上，兄弟们左手一个载频，右手一个合路器，肩挎电脑包，头顶工具箱，上下十几层楼腰不疼、气不喘，年轻真好啊！

小结一下：2G的基站是一体化的BTS，基带处理、射频处理、供电单元等全都放在一个机柜里，看起来像个大冰箱，建设和扩容成本高，运维也很麻烦。

进入3G时代，基站必须向更简化、更低成本方向发展。

6、3G通信：BBU和RRU分离

为了区别于2G，3G时代的基站不再BTS，而是叫NodeB。B，有可能正是源于BTS的B。


▲ 3G网络基本构架

相较于2G时代，3G时代基站最大的变化是实现了BBU和RRU分离。

为什么要分离BBU和RRU？

如前所述，2G BTS的BBU和RRU合为一体，不但又大又重，且扩容非常麻烦。进入3G数据时代，面向未来，基带部分要引入自适应调制和编码、MIMO多天线等技术来支持不断攀升的数据速率需求，如果基带与射频仍然不分离，就意味着每次扩容都要单独增加一条从基带处理、DAC转换、RF功放到馈线的通道，无疑会大大增加建设成本。

这有点类似我们今天的传统室分遭遇MIMO技术，无法适应未来升级。

传统2G基站又大又笨重，现在又要在机房里新建3G基站，机房空间是有限的，这需要进一步简化机房内的3G设备。

怎么办？业界陷入一片沉思。

此时，时下流行的软件定义无线电为基站打开了一扇窗。

能不能利用软件定义无线电技术将基带信号的生成、调制/解调、编解码等功能集成于一个“中央基站集线器”上，并通过一条统一的接口将调制后的信号传输到远程的RF单元?

Good idea. 今晚加鸡腿。

于是乎，就有了BBU和RRU分离的构架，BBU和RRU之间通过通用公共无线电接口（CPRI）和开放式基站标准计划（ OBSAI）连接，一个BBU可以为多个RRU提供基带资源池。



这一模块式的基站构架不仅降低了建网成本，提升了网络扩容升级的灵活性，BBU和RRU之间通过光纤连接，还避免了传统馈线远距离传输带来的高损耗。


▲ 3G分布式基站（中兴）

此外，运营商们还悄悄地打了一个埋伏，因为功率放大器和RF模块通常占基站总成本的近50%，如果BBU和RRU分离，再通过标准的接口连接，这意味着运营商可以从不同厂家分别采购BBU和RRU，从而解除设备锁绑定，提升议价权，进一步降低采购成本。不过，这一如意算盘到今天也没能实现。

7、4G通信：传奇SingleRAN

4G LTE将长期演进，强调演进，所以，4G基站的名称就在NodeB前面加了一个Evolved，即eNodeB，演进型Node B。


▲ 4G网络基本构架

进入4G时代，软件无线电不只为基站打开一扇窗，这一次打开了一扇门。

4G时代的基站最大的特点是SingleRAN，即一套设备融合了2G/3G/4G多种标准制式。Single RAN同样应用了软件定义无线电技术，是继BBU和RRU分离后，移动基站的又一次重大变革，它进一步降低了基站的复杂性和建设成本。

SingleRAN最早由华为推出，早在2008年，此时还未进入4G时代，华为就与沃达丰部署了全球首个融合2G和3G的SingleRAN基站。随后，拉美AméricaMóvil、芬兰TeliaSonera、瑞典Net4Mobility、Aero2…等运营商纷纷采购了华为SingleRAN产品，原因在于华为的SingleRAN充分利用了软件和标准的弹性，面向未来2G/3G/4G一体化，可更低成本地为运营商提供了平滑演进到4G的通道。


▲ 图片源于早年Vodafone的SingleRAN报告

SingleRAN帮助华为拿下了不少订单，为华为打开4G市场大门打下了坚实的基础。

在当时，海外媒体相继报道，SingleRAN简直成了行业里的明星。

《经济学人》报道称，AméricaMóvil在部署了华为的SingleRAN之后，其基站功耗降低了50％，所需的设备数量减少了70％。

《财富》杂志在一篇报道中称，华为SingleRAN设备可以在一个“盒子”里处理2G、3G、WiMax、CDMA、GSM等多种类型的信号，该新技术正在使这家中国设备商成为一个更加强大的竞争对手，因为该产品可以帮助运营商节省大量成本。



SingleRAN，是华为无线史上的一个传奇式的产品，它帮助了华为史无前例的开拓了海外疆土，自此进入4G时代，华为无线设备份额从排名第四位一路攀升到行业第一。

8、5G通信：基站重构

如今进入5G时代，5G支持超高速率、超低时延和超多连接，业务面向多样化，对基站提出新的要求：

• 1）5G基站前传带宽高达数百G至Tbps，传统BBU与RRU间的CPRI光线接口压力太大，需将部分功能分离，以减少前传带宽；
• 2）5G面向多业务，低时延应用需更加靠近用户，超大规模物联网应用需高效的处理能力，5G基站应具备灵活的扩展功能。
  

与4G基站的BBU+RRU构架不同，5G基站被重构为三部分：CU（中央单元）、DU（分布式单元）和AAU/RRU（远端射频单元）。



RRU/AAU与DU之间的网络称为前传，CU和DU之间称为中传，而CU到核心网之间称为回传。

这样的构架设计可以更好的促进RAN虚拟化，还可减少前传带宽，同时满足低时延需求。

未来的5G基站，主要有四种部署方式：

1）RRU/AAU、CU和DU独立部署
RRU和DU之间的距离在0-20公里范围内，而DU和CU之间距离可达数十公里。

2）CU和DU共站部署
CU和DU一起，没有中传，目前的5G基站基本都是这种方式。


▲ 5G基站的AAU

3）RRU/AAU和DU就近部署
RRU和DU彼此靠近地部署，可能是数百米，比如，实现建筑物内的不同楼层覆盖。



4）RRU/AAU、DU和CU集成部署
这种情况通常应用于微站覆盖热点，该场景下只有回传。差点忘了讲了，5G基站叫gNB。

为什么叫gNB？

gNB的全称叫next Generation Node B，本来简写应该是ngNB，但是前面只能保留一个字母，如果叫nNB呢，奶奶B？好像这名字不太好听，所以干脆就叫gNB吧。

其实早期在对5G基站命名的时候，各大厂家提案里叫法不一，比如，中兴叫NB BS，AT&T叫fNB，NEC叫5NB，英特尔叫gNB… 最后3GPP统一确定为gNB。

但是，只是一个gNB就能代表5G基站吗？

不行。

众所周知，早期的5G部署有多种选项，包括独立部署和非独立部署，因此，在各种组合下的5G基站的名称也有变化。

比如，选项3（非独立部署）锚定于现有4G基站和核心网，此时的5G基站叫en-gNB；而要是以后采用选项7， 5G核心网下的4G基站也不再叫eNB，而是叫ng-eNB，它到底属于5G基站还是4G基站？

还有，如前所述，5G基站被分离为DU、CU和AAU/RRU，因此，应该还有gNB DU，gNB CU吧，再加上各种前传功能分离方案，还会有lls-gNB-DU、lls-gNB-CU…（lls,底层功能分离）。

最后，用一张图来描述40年来移动基站的发展史，它应该是这样的：

附录：更多网络编程干货文章

《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）[附件下载]》
《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《高性能网络编程(五)：一文读懂高性能网络编程中的I/O模型》
《高性能网络编程(六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型》
《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
《不为人知的网络编程(二)：浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》
《不为人知的网络编程(三)：关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》
《不为人知的网络编程(七)：如何让不可靠的UDP变的可靠？》
《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》
《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
《技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解》
《让互联网更快：新一代QUIC协议在腾讯的技术实践分享》
《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》
《聊聊iOS中网络编程长连接的那些事》
《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》
《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》
《IPv6技术详解：基本概念、应用现状、技术实践（上篇）》
《IPv6技术详解：基本概念、应用现状、技术实践（下篇）》
《从HTTP/0.9到HTTP/2：一文读懂HTTP协议的历史演变和设计思路》
《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
《脑残式网络编程入门(四)：快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)》
《脑残式网络编程入门(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什么？》
《脑残式网络编程入门(六)：什么是公网IP和内网IP？NAT转换又是什么鬼？》
《以网游服务端的网络接入层设计为例，理解实时通信的技术挑战》
《迈向高阶：优秀Android程序员必知必会的网络基础》
《全面了解移动端DNS域名劫持等杂症：技术原理、问题根源、解决方案等》
《美图App的移动端DNS优化实践：HTTPS请求耗时减小近半》
《Android程序员必知必会的网络通信传输层协议——UDP和TCP》
>> 更多同类文章 ……

专业，学习了

不得不说很腻害

但是  我想说 精华帖子就只能lz有呀?

引用：尼古丁 发表于 2019-03-04 17:20
但是  我想说 精华帖子就只能lz有呀?

任何人都可以有。但明明达不到精华标准的，给精华，那不是辣你眼睛吗。。

我表示我这一章开始看不懂了

引用：登至必极 发表于 2019-03-31 17:35
我表示我这一章开始看不懂了

耐心看就能懂了

谨遵楼主教诲