基于5G的海域覆盖解决方案研究及探索.pdf
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1、2 2023年7月 第 7 期(第36卷 总第312期)月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏基于5G的海域覆盖解决方案研究及探索陈刚,温囯曦,冯焱彬(中国移动通信集团福建有限公司,福州 350003)摘 要 随着海洋经济的发展,海上高速通信的需求开始显现。本文针对海域5G网络覆盖规划建设以及性能提升方面进行技术方案研究和探索,并以某省海域5G网络实测覆盖为例,对方案中运用到的解决方案进行了数据分析论证和实际效果验证,为后续海域5G网络覆盖提供可借鉴的经验。关键词 5G;海域覆盖;三网一体;游牧式基站;虚拟测试中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 10
2、08-5599(2023)07-0002-06收稿日期:2023-06-18作为智慧海洋的重要组成部分,海洋信息化产业近年来发展迅速。如何让用户体验到稳定、高速、低廉的海上通信服务,是当今海洋通信需要应对的一大挑战。新一代移动通信技术 5G 具有增强移动宽带(eMBB)、超高可靠与低时延通信(RULLC)、海量机器类通信(mMTC)的三大应用能力,能满足陆地沿岸、海岸、近海和远海等点线面一体的海域通信需求,可通过构建海洋立体通信系统,为智慧海洋提供强有力的通信保障。1 海域 5G 网络覆盖解决方案1.1 建网方案总体规划海洋地理环境空旷无遮挡。地球曲率是影响电磁波传播距离的主要因素,视距范围基
3、本决定了覆盖距离的上限,在规划时需针对近海和远海设定不同站高,同时也需重点考虑与其它站点的相互干扰以及海域不同场景移动性与材质引起穿透损耗对于最终感知的影响。以某运营商为例,充分发挥各频段的优势,采用中低频搭配立体组网方式,即用低频承接覆盖需求、中频承载容量需求,能够有效匹配海域不同场景下的业务特征。如图 1 所示,本文创新提出“三网一体”的分距分频海域 5G 网络覆盖解决方案,即通过应用不同频段实现沿海“岸网”、近海“海洋网”、远海“海洋网”和离岸大于 50 km 的远洋“船网”的 5G 无缝覆盖,满足不同行业用户的通信需求。1.2 岸网建设离岸 10 km 以内称为岸网,其业务场景多,容量
4、需求大,是海域覆盖的重点,建网方案基本遵从传统移动通信网建设思路和方法,主要以 2.6 GHz 为主、4.9 GHz为辅进行覆盖。正常的 To C 业务可以按照小区边缘速率下行 100 Mbit/s、上行 5 Mbit/s 进行站点规划,除此之外,还需要考虑以智慧港口等为主的 To B 业务,除了网络覆盖的需求之外,其对网络的容量、时延和可靠性也极为敏感,因此可利用 2.6 GHz 构建一张同时满3 2023年7月 第 7 期(第36卷 总第312期)月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏足 To C 与 To B 的网络,同时可适时利用 4.9 GHz 进行容量补充
5、,实现陆海统筹以及湾港联动。1.3 海洋网建设海洋网又分为近海海洋网和远海海洋网。近海海洋网为离岸1030 km的海域,此区域有大量的海上风电、海上油田、邮轮以及海事部门的执法船只等;远海海洋网为离岸 30 50 km 海域,主要存在远洋捕捞、海上油田、环境检测和广播服务等业务需求。1.3.1 近海海洋网建设近海海洋网主要以 2.6 GHz+700 MHz 协同进行覆盖。在站址选择上,可结合海岸线海拔建设 50 m 高度宏站即可满足覆盖要求。在设备选型上,根据业务需求采用 2.6 GHz MassiveMIMO AAU,并充分利用设备抗干扰能力强、可分时段配置优化任务以及自适应天线权值切换等功
6、能,实现主覆盖方向随着潮汐话务而自动变化,同时通过 700MHz 设备对船舱内的深度覆盖进行适当补充。在站间距选择上,主要需保证相邻站点在信号交界处的最远覆盖能力。通过仿真数据发现,无论近海还是远海,常规水平波瓣宽度 65天线站间距保持在0.5 R 0.7 R(R 为目标覆盖距离),高增益水平波瓣宽度 33天线站间距建议 0.3 R 0.5 R,可以保证交界处的覆盖效果。同时,中远距离的覆盖需合理调整 2.6 GHz 帧结构参数设置实现正常接入。常规 2.6 GHz 帧结构为 5 ms单周期,只能支持 PRACH Format 0 格式,最大接入距离为 14.5 km。远海覆盖可针对 PRAC
7、H Format 0中保护时隙(GP)进行定制,实现最远支持 60 km 接入。1.3.2 远海海洋网建设远海海洋网主要以 700 MHz 为主进行覆盖。在站址选择上,由于超远覆盖传播路径主要是在视距范围内,视距受到基站高度影响。从图 2 仿真结果可以看到,站点越高,相应覆盖距离越远。对于大于 30 km 的远海覆盖,在低海拔区域,天线挂高至少需要 50 m 才能实现较好的覆盖。在设备选型上,优先采用大功率 700 MHz 4TR RRU 配合高增益平板天线和透镜天线进行远海覆盖。某省海域针对透镜天线应用测试结果见表 1,透镜天线在远点覆盖上优于普通天线。1.4 船网建设对于离岸超过 50 k
8、m 的远洋船网,可利用超高站址或岛屿站址,采用 700 MHz 做尽力而为的覆盖,同时在传统通信无法满足时应主要通过卫星通信设备接力协同进行网络连接。目前船上卫星通信普及度高,船舶自动识别系统(VHF/AIS)为商用船舶强制安装系统,设备由国家船级社认证,可实现满足基本语音、关键报海域覆盖业务分布及覆盖解决方案示意图沿海近海远海天线高度50 km山体高度塔高700 MHz2.6 GHz4.9 GHz10 km4.9 GHz视频业务/网页浏览近海养殖/水上渔村滨海旅游/客运滨海旅客视频/购物等海事/渔政执法视频等数据回传近远海捕捞语音、小分组数据30 km3风电场巡检、数据回传12345图1 海
9、域覆盖业务分布及覆盖解决方案示意图测试距离(km)NR 平均 SSB RSRP透镜天线(dBm)普通单小区(dBm)增益10-73.93-73.71-0.220%30-89.5-91.031.530%50 km-102.86-103.80.94%表1 不同天线定点测试对比4 2023年7月 第 7 期(第36卷 总第312期)月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏警通信和低速数据业务等通信需求。2 海域 5G 网络覆盖提升创新方案“三网一体”的海域 5G 网络覆盖主要依赖岸网基站形成满足业务需求的海上小区。同时,用户终端通过与岸基站进行连接,实现数据传输。因此,面向覆
10、盖提升,整个创新方案可分别从基站侧和用户侧两个方向展开研究。2.1 基站侧2.1.1 RRU 双拼提升远点上下行覆盖效果对于远海覆盖距离的进一步拓展,可应用两个700 MHz RRU 双拼组成超级小区进行上行软合并。其原理是将同一终端的两份有用信号先进行数据合并再进行解调,进而提升基站接收灵敏度。对于上行软合并超级小区内上行有多 CP 激活的 UE,上行两个 CP 同时接收 UE 的数据信号,并进行数据合并解调,提升用户的上行解调性能及用户上行速率;针对下行,小区合并后,两个 CP 发送相同的数据,对于终端来说相当于发射分集,会提升终端解调能力,进而提升用户下行体验。某省海域进行的 100 m
11、 站高实测见表 2,RRU 双拼不仅可实现平均上下行 20%的速率提升,同时 RSRP 平均增益也有 1.6 dB。2.1.2 游牧式基站级联延伸覆盖范围如图 3 所示,游牧式基站是将基站和本地算力有机结合,并支持多种回传方式的一种新形态基站,主要由无线模块、回传模块、计算模块和其它配套设备组成。在搜救船和执法船上搭载游牧式基站,可拓展网络覆盖,实现快速响应,精准定位,为传统海域公共安全业务提供新的思路。在“2022 年海上化学品泄漏应急演练”中,图2 不同天线挂高和海拔高度下RSRP覆盖仿真图测试距离(km)平均上传速率平均下载速率NR 平均 SSB RSRP双拼超级小区(Mbit/s)普通
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