Základnové stanice a buňky

Buňkový koncept a role základnové stanice

Buňková mobilní síť rozděluje pokrývané území na menší oblasti – buňky (cells). Každou buňku obsluhuje základnová stanice (BS, eNodeB v LTE, gNodeB v 5G), která zajišťuje rádiové spojení mezi koncovými zařízeními (UE) a páteřní sítí operátora. Dělením prostoru na buňky lze opakovaně využívat stejné frekvence, škálovat kapacitu a pružně řídit kvalitu služby.

Typy buněk a vrstvená architektura sítě

• Makrobuňky – vysoký výkon (20–80 W na nosnou), dosah jednotky až desítky kilometrů, umístění na stožárech či střechách; tvoří kostru pokrytí.
• Mikrobuňky – nižší výkon (typicky <10 W), hustší sítě ve městech pro zvýšení kapacity.
• Pikobuňky – v budovách, nákupních centrech; výkon jednotky wattů.
• Femto/Small Cells – domácí či podnikové jednotky, často s připojením přes internet zákazníka (backhaul přes DSL/FTTH).
• Heterogenní sítě (HetNet) – vrstvení makro a small cells s koordinací rušení a mobility.

Frekvenční pásma, duplex a numerologie

Základnové stanice pracují v licencovaných pásmech (např. 700/800/900/1800/2100/2600 MHz, 3,5 GHz, v 5G i mmWave 24–28/39 GHz). Duplex:

• FDD – uplink a downlink v různých pásmech, simultánní přenos; časté v LTE.
• TDD – sdílené pásmo, časové vykrývání UL/DL dle rámce; dominantní ve 3,5 GHz (NR n78).

Šířka kanálu (např. 5–20 MHz v LTE, až 100 MHz v NR sub-6 a 400 MHz v mmWave) a numerologie (subcarrier spacing 15–120 kHz v 5G) ovlivňují latenci, robustnost a kapacitu.

Rádiové rozhraní a fyzická vrstva

• GSM/GERAN – TDMA/FDMA, kanál 200 kHz.
• UMTS/UTRAN – WCDMA (5 MHz), rozprostřené spektrum.
• LTE/E-UTRAN – OFDMA v downlinku, SC-FDMA v uplinku, flexibilní šířka pásma.
• NR (5G) – generalizované OFDM, více numerologií, mini-slots pro nízkou latenci.

Modulace (QPSK/16QAM/64QAM/256QAM), HARQ, MIMO a link adaptation (volba MCS dle CQI) jsou klíčové mechanismy pro efektivní přenos.

Architektura základnové stanice: BBU, RRU/AAU a antény

• BBU (Baseband Unit) – digitální zpracování signálu (PHY/MAC/RLC/PDCP), plánování zdrojů, protokoly OAM.
• RRU/RRH (Remote Radio Unit/Head) – převodník IF/RF, zesilovače, filtry, často u antény.
• AAU (Active Antenna Unit) – integrovaný rádiový modul s mnoha vysílacími/přijímacími cestami pro Massive MIMO a beamforming.

Fronthaul (CPRI/eCPRI) propojuje BBU a RRU/AAU; při vRAN/Cloud RAN je BBU virtualizována v datovém centru a běží na COTS serverech.

Anténní systémy, MIMO a beamforming

MIMO s N×M řetězci zvyšuje kapacitu (multiplexing) i robustnost (diverzita). Massive MIMO (typicky 32T32R až 64T64R) umožňuje tvarování paprsků (beamforming) a prostorové rozdělení uživatelů. V TDD se používá reciproční kalibrace kanálu; v FDD je nutný zpětný kanál pro CSI.

Synchronizace a časování

Stanice vyžadují přesný čas/frekvenci. Používají se GNSS (GPS/Galileo) přijímače a/nebo IEEE 1588v2 PTP s SyncE v transportu. V TDD je časová synchronizace kritická pro vyhnutí se sousedním interferencím.

Transportní síť: fronthaul, midhaul, backhaul

• Fronthaul – velmi nízká latence a vysoká propustnost (eCPRI přes Ethernet), propojuje AAU s DU/BBU.
• Midhaul – mezi distribuovanou jednotkou (DU) a centralizovanou CU.
• Backhaul – připojení do core sítě (IP/MPLS, optika, mikrovlnné spoje).

RRM: řízení rádiových zdrojů

RRM (Radio Resource Management) zahrnuje:

• Admission Control – rozhoduje o přijetí nových spojení.
• Scheduling – přiřazení PRB/Resource Blocks v čase a frekvenci dle priorit, QoS a zpětné vazby (CQI/PMI/RI).
• Power Control – uzavřená regulační smyčka pro UL/DL k omezení rušení a zajištění cílů SINR.
• Interference Management – ICIC/eICIC/FeICIC, TDD UL/DL pattern koordinace, CoMP (spolupráce více stanic).

Mobilita a handover

Zařízení pravidelně měří sousední buňky (RSRP/RSRQ v LTE, SS-RSRP/RSRQ v NR). Handover je řízen sítí (Network Controlled) na základě měřicích hlášení a prahů A3/A5 (LTE) nebo odpovídajících eventů v NR. Mechanismy zahrnují předávání kontextu, připravení cílové buňky a zajištění bezešvé kontinuity dat (make-before-break v EN-DC/NR-DC).

Pokrytí vs. kapacita a plánování sítě

Návrh buněk řeší kompromis mezi dosahem (nižší frekvence, vyšší výkon, vyšší výšky) a kapacitou (vyšší frekvence, menší buňky, více spektra). Plánování zahrnuje:

• Predikční RF modely (Okumura-Hata, 3GPP UMa/UMi/Indoor).
• Mapy útlumu a 3D ray-tracing ve městě.
• PCI/RSI plánování (identifikátory buněk) a sousední matice.
• Tilt a azimut antén (mechanický/elektrický) pro pokrytí a omezení overshootingu.

Řízení rušení a sousední koexistence

Rušení vzniká mezi buňkami (intra/inter-cell) i mezi technologiemi. Používají se:

• ICIC/eICIC/FeICIC – statické i dynamické potlačení rušení (např. Almost Blank Subframes v LTE).
• CoMP – joint transmission/receiving, coordinated scheduling/beamforming.
• Dynamic Spectrum Sharing (DSS) – koexistence LTE/NR ve stejném pásmu.

QoS, slice a službové profily

Stanice rozlišuje přenosy dle QoS (QCI v LTE, 5QI v 5G) a uplatňuje prioritizaci, tvarování toku a garance pro eMBB, URLLC či mMTC. V 5G lze implementovat network slicing, tj. logické vyhrazení zdrojů pro konkrétní služby/průmyslové vertikály.

Bezpečnost a autentizace v rádiovém přístupu

Autentizace a šifrování využívá SIM/USIM (AKA/EAP-AKA’), generování klíčů K_ASME/K_gNB, algoritmy šifrování a integrity (AES/SNOW, NEA/NIA v 5G). Základnová stanice aplikuje bezpečnostní kontext, chrání signalizaci (RRC/NAS) a brání útokům jako IMSI-catchery (SUCI/SUPI v 5G minimalizují odposlech identity).

Signálové kanály a reference signály

• Broadcast – MIB/SIB (LTE) či MIB/SSB (NR) pro systémové informace a synchronizaci.
• Reference signály – CRS/DM-RS/CSI-RS (LTE) a DM-RS/CSI-RS/SSB (NR) pro odhad kanálu a měření.
• Řízení spojení – RACH (Random Access) s preambulemi pro inicializaci přístupu a re-synchronizaci.

Scheduler a adaptivní modulace

Scheduler v BBU/DU vybírá uživatele a MCS na základě CQI, buffer occupancy, QoS a fairness kritérií (PF – Proportional Fair, RR – Round Robin, nebo QoS-aware). Adaptivní modulace a kódování maximalizuje propustnost při zachování cílové chybovosti (BLER ~10%).

Řízení výkonu a pokrytí na okraji buňky

Uplink power control kombinuje otevřenou (open-loop) a uzavřenou (closed-loop) složku. Downlink výkon se rozděluje mezi piloty, data a řídicí kanály. Okraje buněk jsou zlepšovány pomocí beamformingu, eICIC a případně CoMP RX (joint reception).

SON: samoorganizující se sítě

Self-Organizing Networks automatizují zprovoznění a optimalizaci: automatické přiřazení PCI, vytváření sousedních vztahů (ANR), optimalizaci HO parametrů, detekci interferencí a energetické úspory (Cell Sleep, MBSFN/SSB vysílací masky).

OAM a provozní metriky

OAM (Operations, Administration and Maintenance) zahrnuje telemetrii, alarmy a KPI: Accessibility (RRC attach success), Retainability (drop-call rate), Integrity (throughput/latence), Mobility (HO success), Utilization (PRB load), Energy (W/site). Data pocházejí z čítačů, drive testů a crowdsourcingu.

Energetická efektivita a mechanika stanovišť

• RRU u antény snižuje ztráty na feederu.
• Sleep/Standby nosných při nízkém provozu, vypínání PA, symbol-level blanking.
• Chlazení (free cooling, přesné klimatizace) a DC napájení s inteligentními usměrňovači.
• Zálohování (baterie/UPS, generátor) pro výpadky napájení.

Specifika 5G a integrace sítě

5G rozděluje základnovou stanici na CU/DU/AAU (centrální/distribuovaná jednotka/aktivní anténa) a používá SDN/NFV principy. Podporuje dual connectivity (EN-DC/NR-DC), carrier aggregation, UL/DL decoupling v některých scénářích a MEC (Multi-access Edge Computing) pro nízkou latenci.

Open RAN a interoperabilita

Open RAN standardizuje otevřená rozhraní (např. otevřený fronthaul), přináší RIC (RAN Intelligent Controller) s neAR/near-RT aplikacemi (xApps/rApps) pro optimalizace na základě AI/ML a usnadňuje multi-vendor nasazení.

Indoor pokrytí: DAS a small cells

V interiérech se používají DAS (Distributed Antenna Systems) s pasivní/aktivní distribucí signálu nebo dedikované small cells. Klíčové je plánování zpětného toku, synchronizace a řízení rušení se sousední makrovrstvou.

Nouzové situace a spolehlivost

Pro kritickou komunikaci (např. PPDR/MCX) se uplatňuje georedundance CU/BBU, prioritizace na RRM, izolace lokálního provozu (local breakout) a odolné backhaulové trasy. Základnové stanice jsou dimenzovány na překlenutí výpadků napájení, s možností rychlého nasazení přenosných BTS (COW/COL – cell on wheels/light).

Měření v terénu a optimalizace

• Drive/Walk testy – měření RSRP/RSRQ/SINR/SS-RSRP, throughputu, latence, HO událostí.
• Crowdsourcing – pasivní sběr dat z UE (MDT, aplikace operátorů).
• Optimalizační cykly – úprava tiltů, vysílacích výkonů, HO parametrů, plánů sousedů a PCI rebalancování.

Budoucí směry vývoje buněk

Trendy zahrnují ultra-husté sítě s koordinovanými paprsky, reconfigurable intelligent surfaces pro tvarování prostředí, AI-native RAN s prediktivním schedulingem a energie-vědomé algoritmy, které dynamicky vypínají části spektra a PA dle provozu.

Praktické fungování jedné buňky krok za krokem

1. Synchronizace a objevení sítě – UE naladí SSB/PSS/SSS (NR) nebo synchronizační kanály (LTE), dekóduje MIB/SIB.
2. Random Access – UE vyšle RACH preambuli; stanice přidělí dočasné identifikátory a zdroje.
3. Bezpečnostní nastavení – proběhne autentizace a aktivace šifrování/integrity.
4. Datový přenos – scheduler přiřazuje PRB, MCS a vrstvy MIMO; HARQ zajišťuje spolehlivost.
5. Mobilita – dle měření a politik dojde k handoveru do vhodnější buňky.

Závěr

Základnové stanice a buňky představují modulární stavebnici, která díky opakovanému využití frekvencí, pokročilým anténním systémům, adaptivnímu řízení rádiových zdrojů a virtualizaci umožňuje pružně poskytovat pokrytí, kapacitu i kvalitu napříč prostředími. Porozumění jejich fungování je klíčem k návrhu, provozu a optimalizaci moderních mobilních sítí od 2G po 5G a dále.