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5G技术:海域立体覆盖关键问题全揭秘

发布时间:2023-05-23作者来源:金航标浏览:3476

随着经济的发展和5G网络的出现,海事用户对海域网络质量提出了更高的要求。 基于5G海上业务需求,本文深入分析了5G覆盖、容量和远距离海上干扰的主要挑战,并分析了这些业务的可行性。 最后,提出了一种使用海洋车辆的新覆盖解决方案,以增加网络覆盖范围。



我国海洋资源丰富,海洋经济发展迅速,2021年全国海洋经济产值突破9万亿,占沿海省份经济产值15%,其中滨海旅游、海洋交通、渔业占海洋经济的82%以上。沿海省份强调推进海洋经济高质量发展,不仅政府海洋监管、污染监控、应急响应等多种业务对5G无线覆盖提出需求,民间自媒体行业、直播卖鱼、赶海捕鱼等业务也对5G网络提出了更高的指标要求。此外,海域立体覆盖不仅是海面的覆盖,还包括对海上低空的覆盖。接入海域低空网络的5G网联无人机,可以提供海域航拍、娱乐直播、海上监控、应急搜救、海域勘探等各种各样的个人及垂直行业服务。

5G海域立体覆盖示意图如图1所示: 

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传统无线网络覆盖是以海岸线为界限,对陆地区域进行覆盖。海上信号的主要来源是陆地覆盖边缘,存在信号弱、覆盖距离小等问题。海上作业的人群无法得到具有可靠服务保障。当前海上船只使用VHF甚高频和AIS船舶自动识别系统用于海事安全通信,或者使用卫星进行上网通信。卫星通信虽然覆盖范围广,但存在通信时延较大、带宽资源有限且资费昂贵的问题。因此分别针对5G海面和低空网络覆盖、网络容量以及网络干扰中的关键问题开展研究具有重要意义。


一、 5G海面超远覆盖关键问题

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1.1 网络覆盖关键问题


(1) PRACH格式配置

5G NR系统支持多种PRACH格式,不同PRACH格式配置会影响覆盖小区半径大小。根据3GPP协议标准,如图2所示,共有4种长序列PRACH格式,仅支持频带小于6GHz的FR1场景。

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其中大网中常用的FormatO和Formatl支持的最大小区半径分别为14.5km和100.lkm。FDD由于上下行信道独立,可以支持Formatl,PRACH信道时域占据3ms,理论上实现100km覆盖。TDD常规子帧配比为7D2U1S,仅支持FormatO。TDD若采用Formatl,需要修改帧结构为6个连续的U子帧。这样会在网络中引入严重的交叉时隙干扰。因此需要在不改变TDD帧结构,在保持PRACH时域lms的基础上,进一步研究如何拓展TDD的覆盖小区半径。

(2) 频率选择

如表1所示,由于频段越高路损越大,在当前所有5G频段中,700MHz路损最小,覆盖能力突出,是实现超远覆盖的最佳频段。自由空间场景,以700MHz损耗为基准,2.1GHz较700MHz路损增加9.5dB,2.6GHz増加11.4dB,3.5GHz增加14dB,4.9GHz增加16.9dB。 

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(3) 海面无线传播模型

如图3所示,300MHz3GHz海上无线传输模型是按照信号传输距离的远近分为A、B、C的三段式模型。A和B段为视距传输,传播路径主要是直射波和海面反射波。C段为非视距传输,需要考虑有地球曲面效应造成的绕射损耗。

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收发两端天线高度是影响海面覆盖距离,即A、B、C各段长度的直接原因。基站天线高度设计时最好令目标覆盖距离处于A段,其次处于B段。A段传播近似自由空间传播,反射波的分量较小可以忽略。B段由于存在传播余隙,根据菲涅耳原理可得,会产生6dB的绕射损耗。C段属于NLOS区,产生的绕射损耗极大,信号衰减迅速,覆盖难以保证,因此在实际规划中不可目标覆盖距离设置在C段内。

(4) 站址选择与天线高度

为保证基站天线与覆盖目标间距离在视距范围内,且在A段内,无线链路有良好的传播环境,尽量选择高站“站的高看的远”。根据式(1)可得,A段长度与基站天线高度有关,B段长度与终端天线高度有关:

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由于基站天线高度远大于终端天线高度,如表2所示,视距长度主要由A段决定。以终端高度3m为例,若目标基站覆盖半径在30km左右,通常选择在比较平坦的地点建立铁塔,塔高一般根据覆盖区域在50m左右调整。若目标基站覆盖半径在40-50km之间,通常选择在山丘等地方建立铁塔,基站天线高度在100-150m间不等。若目标基站覆盖半径在60km以上,通常站高选择在200m以上,需要借助较高的山峰等。

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(5) 设备及天线选型

基站侧一方面可以选择使用大功率基站,增加下行覆盖距离,提升下行用户体验。另一方面由于海面覆盖为上行受限场景,多天线接收分集可降低对解调的要求,增加上行覆盖。因此FDD建议使用4TR设备,TDD作为容量解决方案可优选64TR设备。为进一步提升覆盖距离,FDD天线建议选择高增益天线。需要注意的是,根据能量守恒定律,高增益天线的增益越大,波束宽度越窄。虽然覆盖距离越远,但覆盖相同长度的区域时,连续组网所需要的站点数量将增多。若针对特定区域或某一航线进行覆盖,可以选择透镜天线或定制化天线。考虑到沿海地区气候环境,可能存在强风等[敏感词]天气,还应尽量选择表面积小的天线。

终端侧可以选择CPE,增大发射功率,有效提升上下行覆盖距离。CPE外接多天线,在提升终端天线增益的同时可形成多流,进一步扩大覆盖距离。由于船只运动方向在水平360°范围内旋转,因此建议选择水平全向天线。与普通终端相比,水平全向胶棒天线增益为4-8dBi左右无人机由于飞行高度姿态角在三维空间内可变,对天线垂直方向的增益变化较为敏感。胶棒天线垂直方向增益存在凹陷,因此不建议无人机选择胶棒天线或定向天线。

(6) 700MHz海面覆盖链路预算

设定终端高度为3m时,不同站高对应的理论覆盖距离如表3所示。当站高为400m,手机终端保证基本业务感知的覆盖距离约62km,保证连接的覆盖距离约100km,CPE天线增益高于手机终端8dB,且支持双发,覆盖距离扩大到98km和110km。当站高为50米,覆盖距离仅能达到32km,覆盖距离受地球曲率的影响非常大。

(7)覆盖空洞及重叠覆盖问题

天线波束在海面上的投影近似于扇形。在沿海岸线对海域进行带状连续覆盖时,海面会出现覆盖空洞区域和重叠覆盖区域。若站点密集,覆盖空洞区域面积小,但重叠覆盖面积较大。若站点稀疏,重叠覆盖面积小,且覆盖空洞区域面积较大。

相邻两站扇区对打方式的覆盖距离小于单扇区方式,但产生覆盖重叠和空洞面积较小,且站间距大,站点数量较少。因此建议根据业务需求和覆盖目标,平衡好海面连续覆盖长度和深度。

(8)站间距设置

根据覆盖目标距离、天线波束宽度和方向图,规划合理的站间距可节省投资,并有效解决覆盖空洞问题。海面建议单站单小区S1组网,天线法线方向与岸边垂直。以700M设备65°定向天线为例,假定目标小区半径为R。

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如图4所示,波瓣角为65°时,天线增益下降3dB,距离约为0.7R;波瓣角为120°时,天线增益下降12dB,距离约为0.25R,存在明显覆盖空洞。因此建议站间距设置为0.5R-0.7Ro若使用更高增益的天线,其天线波束宽度将变窄,站间距也会减小。

实际中,海岸线非理想直线且无线环境复杂,外场实际组网需根据可布置站点位置,通过仿真精细评估调整站点间距和方位角。

(9) 高站“塔下黑”问题

海域覆盖站站址高度较高,且天线下倾角一般设置在2°以内,覆盖可能存在“塔下黑”问题。选择天线型号时,建议选择具有良好下零点填充的天线,以避免严重的“塔下黑”问题。根据能量守恒定律,零点填充会略缩小原天线覆盖距离。目标覆盖距离小时,可考虑2.6G64TR设备’通过SSB权值调整增加垂直覆盖范围。


1.2 网络容量关键问题 


(1) 海面业务分布不均

近海船只数量多,海上养殖与直播带货等用户需求主要以视频业务为主,单用户上行速率需求约6MpS,需要网络大带宽能力。远海船只数量少,有用户出海业务感知及海上实时监控管理等需求,需要保证网络覆盖。针对近、远海场景的不同业务需求,可形成2.6G+700M协作互补的方案,打造多频网络,充分发挥2.6G大带宽和700M超远覆盖能力,更好的满足超大带宽的个人业务和超大连接的2B垂直业务的网络需求。


(2) 700M和2.6G容量分析

FDD700MHZ带宽为30MHz,设备为4TR,终端为1T2R。小区上行吞吐量为60Mbps,下行吞吐量为100-120Mbps,可保障用户上网服务。若后续开通带宽至45MHz,上下行小区吞吐量能提升至80Mbps和150-180Mbps。

TDD2.6GHz带宽为100MHz,设备为64TR,终端为2T4R。小区上行吞吐量为350Mbps,下行吞吐量为1200-1500Mbps,适合用户密集场景,大带宽业务。


1.3 网络干扰关键问题


海面组网干扰产生的原因基本与地面大网相同,但由于海域站站址高度较高、小区覆盖面积较大,海面组网干扰范围和强度可能大于地面大网,需积极引人抗干扰技术。海面小区间干扰问题,可以通过在网络规划时设置合理的切换带,尽量避免越区覆盖,或采取与地面大网相同策略,下行采用PRB随机化,上行采用IRC算法改善上行信号质量,规避或降低干扰。


由于海面超远覆盖站天线存在旁瓣和反向波瓣,且站点位置高,可能会对陆地同频大网产生干扰。建议选择对反向波瓣抑制能力较强的天线,同时在超远覆盖站点规划时,应合理规划站点,尽量避免与陆地大网交叠覆盖。另外,目前广电尚未完全完成700M频段清频工作,可能对超远覆盖站产生干扰问题。通过对上行进行深度滤波,上下行开启频选及PRB禁用功能,可有效控制700M频段广播塔对超远覆盖站点的干扰。


二、5G海上低空覆盖关键问题

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2.1 海上低空覆盖能力分析

中小型无人机主要工作高度在60-200m之间。海面超远覆盖站一般下倾角控制在2°以内,实际部署中经常采用0度机械下倾以保证最大天线增益方向对准远点。以FDD超远覆盖小区半径为20km进行测算,天线垂直波瓣角为6-8°,天线主瓣宽度约15°,如图5所示:

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当无人机距离基站1km,飞行高度超过130m时,无人机位于主瓣覆盖外。当无人机距离基站2km以上,无人机均位于主瓣覆盖范围内。当无人机距离基站3km以上,无人机位于基站主瓣3dB夹角内。因此,理论上海域立体组网具备低空覆盖能力。

2.2 近海低空覆盖碎片化

当无人机飞行距离距基站较近,飞行高度较高时,空中缺少主服务小区,覆盖呈现碎片化。这可能会导致无人机在低空中出现主服务小区SSBRSRP与邻区SSBRSRP差值小,甚至不能接人网络的情况a另外,由于碎片化覆盖区域小,加之无人机飞行速度快,还会导致无人机发生小区频繁/兵乓切换,产生速率掉坑,时延增大等问题。建议天线采用上零点填充技术,避免天线增益零陷情况,增强低空覆盖能力。


2.3 海上低空覆盖干扰问题

低空组网的干扰情况与地面大网相比,下行方向由于海面遮挡少,无人机在百米高空视距内可见基站数量更多,导致无人机受到来自更多视距基站的邻区干扰,下行干扰更强。建议低空组网配置更多的邻区列表,通过保守调度等优化芋段,抑制下行干扰。

上行方向由于海面终端密度低,距离基站较远,因此与地面大网的上行干扰情况基本相当。可以通过无人机上行功率控制、网络优化等方法进一步控制干扰。


三、海面创新覆盖方案构想

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海面上存在着了多种海洋设备,如海洋平台、海上浮标和应急轮船等。海洋平台有固定式、浮动式和半固定式结构。海面上的高度在5-20m左右,一般配备高功率发电机和电缆。海洋浮标和应急轮船机动性强,一般采用小功率发电机、蓄电池或太阳能供电。考虑利用海样平台、海洋浮标或者应急轮船作为5G站点部署平台,通过Relay、微波或卫星方式进行回传。

在基站覆盖范围内利用海洋设备搭建Relay,可有效扩大覆盖距离。Relay外接天线可以改善由于海洋设备晃动带来的信号质量下降。Relay支持级联,能够实现多级多跳传输,完成超远距离的信号回传。回传带宽主要受海洋设备与施主基站间距离影响,需要兼顾覆盖距离和业务需求,规划Relay布放位置。海洋设备需满足Relay供电需求,还存在维护难度大的问题。

在基站覆盖范围外利用海洋设备搭建卫星进行回传 。卫星回传的技术成熟,覆盖范围广,带宽可达100Mbps左右,但造价昂贵,存在时延大约600ms,链路易受环境影响,误码率高等问题 ,也存在供电和维护问题。


总结
      随着海洋经济的发展和5G海事服务需求的增加,本文明晰了开展5G海域立体覆盖研究的重要性。 详细分析哪个频段是700M海洋覆盖最佳的海洋传输模式是根据天线高度对选址的影响和700M海洋链路的覆盖模式来选择廉价的天线设备。 它研究和分析了海面网络在覆盖范围、容量和干预方面的主要问题,以及与低地表水位海洋供应有关的问题。 因此,提出了利用海洋设备搭建Relay或卫星回传的创新覆盖构想 。 



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