我國海洋資源豐富，海洋經(jīng)濟發(fā)展迅速，2021年全國海洋經(jīng)濟產(chǎn)值突破9萬億，占沿海省份經(jīng)濟產(chǎn)值15%，其中濱海旅游、海洋交通、漁業(yè)占海洋經(jīng)濟的82%以上。沿海省份強調(diào)推進海洋經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，不僅政府海洋監(jiān)管、污染監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)等多種業(yè)務(wù)對5G無線覆蓋提出需求，民間自媒體行業(yè)、直播賣魚、趕海捕魚等業(yè)務(wù)也對5G網(wǎng)絡(luò)提出了更高的指標要求。此外，海域立體覆蓋不僅是海面的覆蓋，還包括對海上低空的覆蓋。接入海域低空網(wǎng)絡(luò)的5G網(wǎng)聯(lián)無人機，可以提供海域航拍、娛樂直播、海上監(jiān)控、應(yīng)急搜救、海域勘探等各種各樣的個人及垂直行業(yè)服務(wù)。

5G海域立體覆蓋示意圖如圖1所示： 

傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是以海岸線為界限，對陸地區(qū)域進行覆蓋。海上信號的主要來源是陸地覆蓋邊緣，存在信號弱、覆蓋距離小等問題。海上作業(yè)的人群無法得到具有可靠服務(wù)保障。當前海上船只使用VHF甚高頻和AIS船舶自動識別系統(tǒng)用于海事安全通信，或者使用衛(wèi)星進行上網(wǎng)通信。衛(wèi)星通信雖然覆蓋范圍廣，但存在通信時延較大、帶寬資源有限且資費昂貴的問題。因此分別針對5G海面和低空網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量以及網(wǎng)絡(luò)干擾中的關(guān)鍵問題開展研究具有重要意義。

一、 5G海面超遠覆蓋關(guān)鍵問題

1.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋關(guān)鍵問題

(1) PRACH格式配置

5G NR系統(tǒng)支持多種PRACH格式，不同PRACH格式配置會影響覆蓋小區(qū)半徑大小。根據(jù)3GPP協(xié)議標準，如圖2所示，共有4種長序列PRACH格式，僅支持頻帶小于6GHz的FR1場景。

其中大網(wǎng)中常用的FormatO和Formatl支持的最大小區(qū)半徑分別為14.5km和100.lkm。FDD由于上下行信道獨立，可以支持Formatl，PRACH信道時域占據(jù)3ms，理論上實現(xiàn)100km覆蓋。TDD常規(guī)子幀配比為7D2U1S，僅支持FormatO。TDD若采用Formatl，需要修改幀結(jié)構(gòu)為6個連續(xù)的U子幀。這樣會在網(wǎng)絡(luò)中引入嚴重的交叉時隙干擾。因此需要在不改變TDD幀結(jié)構(gòu)，在保持PRACH時域lms的基礎(chǔ)上，進一步研究如何拓展TDD的覆蓋小區(qū)半徑。

(2) 頻率選擇

如表1所示，由于頻段越高路損越大，在當前所有5G頻段中，700MHz路損最小，覆蓋能力突出，是實現(xiàn)超遠覆蓋的最佳頻段。自由空間場景，以700MHz損耗為基準，2.1GHz較700MHz路損增加9.5dB，2.6GHz増加11.4dB，3.5GHz增加14dB，4.9GHz增加16.9dB。 

(3) 海面無線傳播模型

如圖3所示，300MHz3GHz海上無線傳輸模型是按照信號傳輸距離的遠近分為A、B、C的三段式模型。A和B段為視距傳輸，傳播路徑主要是直射波和海面反射波。C段為非視距傳輸，需要考慮有地球曲面效應(yīng)造成的繞射損耗。

收發(fā)兩端天線高度是影響海面覆蓋距離，即A、B、C各段長度的直接原因。基站天線高度設(shè)計時最好令目標覆蓋距離處于A段，其次處于B段。A段傳播近似自由空間傳播，反射波的分量較小可以忽略。B段由于存在傳播余隙，根據(jù)菲涅耳原理可得，會產(chǎn)生6dB的繞射損耗。C段屬于NLOS區(qū)，產(chǎn)生的繞射損耗極大，信號衰減迅速，覆蓋難以保證，因此在實際規(guī)劃中不可目標覆蓋距離設(shè)置在C段內(nèi)。

(4) 站址選擇與天線高度

為保證基站天線與覆蓋目標間距離在視距范圍內(nèi)，且在A段內(nèi)，無線鏈路有良好的傳播環(huán)境，盡量選擇高站“站的高看的遠”。根據(jù)式(1)可得，A段長度與基站天線高度有關(guān)，B段長度與終端天線高度有關(guān)：

由于基站天線高度遠大于終端天線高度，如表2所示，視距長度主要由A段決定。以終端高度3m為例，若目標基站覆蓋半徑在30km左右，通常選擇在比較平坦的地點建立鐵塔，塔高一般根據(jù)覆蓋區(qū)域在50m左右調(diào)整。若目標基站覆蓋半徑在40-50km之間，通常選擇在山丘等地方建立鐵塔，基站天線高度在100-150m間不等。若目標基站覆蓋半徑在60km以上，通常站高選擇在200m以上，需要借助較高的山峰等。

(5) 設(shè)備及天線選型

基站側(cè)一方面可以選擇使用大功率基站，增加下行覆蓋距離，提升下行用戶體驗。另一方面由于海面覆蓋為上行受限場景，多天線接收分集可降低對解調(diào)的要求，增加上行覆蓋。因此FDD建議使用4TR設(shè)備，TDD作為容量解決方案可優(yōu)選64TR設(shè)備。為進一步提升覆蓋距離，F(xiàn)DD天線建議選擇高增益天線。需要注意的是，根據(jù)能量守恒定律，高增益天線的增益越大，波束寬度越窄。雖然覆蓋距離越遠，但覆蓋相同長度的區(qū)域時，連續(xù)組網(wǎng)所需要的站點數(shù)量將增多。若針對特定區(qū)域或某一航線進行覆蓋，可以選擇透鏡天線或定制化天線。考慮到沿海地區(qū)氣候環(huán)境，可能存在強風等[敏感詞]天氣，還應(yīng)盡量選擇表面積小的天線。

終端側(cè)可以選擇CPE，增大發(fā)射功率，有效提升上下行覆蓋距離。CPE外接多天線，在提升終端天線增益的同時可形成多流，進一步擴大覆蓋距離。由于船只運動方向在水平360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此建議選擇水平全向天線。與普通終端相比，水平全向膠棒天線增益為4-8dBi左右無人機由于飛行高度姿態(tài)角在三維空間內(nèi)可變，對天線垂直方向的增益變化較為敏感。膠棒天線垂直方向增益存在凹陷，因此不建議無人機選擇膠棒天線或定向天線。

(6) 700MHz海面覆蓋鏈路預(yù)算

設(shè)定終端高度為3m時，不同站高對應(yīng)的理論覆蓋距離如表3所示。當站高為400m，手機終端保證基本業(yè)務(wù)感知的覆蓋距離約62km，保證連接的覆蓋距離約100km，CPE天線增益高于手機終端8dB，且支持雙發(fā)，覆蓋距離擴大到98km和110km。當站高為50米，覆蓋距離僅能達到32km，覆蓋距離受地球曲率的影響非常大。

(7)覆蓋空洞及重疊覆蓋問題

天線波束在海面上的投影近似于扇形。在沿海岸線對海域進行帶狀連續(xù)覆蓋時，海面會出現(xiàn)覆蓋空洞區(qū)域和重疊覆蓋區(qū)域。若站點密集，覆蓋空洞區(qū)域面積小，但重疊覆蓋面積較大。若站點稀疏，重疊覆蓋面積小，且覆蓋空洞區(qū)域面積較大。

相鄰兩站扇區(qū)對打方式的覆蓋距離小于單扇區(qū)方式，但產(chǎn)生覆蓋重疊和空洞面積較小，且站間距大，站點數(shù)量較少。因此建議根據(jù)業(yè)務(wù)需求和覆蓋目標，平衡好海面連續(xù)覆蓋長度和深度。

(8)站間距設(shè)置

根據(jù)覆蓋目標距離、天線波束寬度和方向圖，規(guī)劃合理的站間距可節(jié)省投資，并有效解決覆蓋空洞問題。海面建議單站單小區(qū)S1組網(wǎng)，天線法線方向與岸邊垂直。以700M設(shè)備65°定向天線為例，假定目標小區(qū)半徑為R。

如圖4所示，波瓣角為65°時，天線增益下降3dB，距離約為0.7R;波瓣角為120°時，天線增益下降12dB，距離約為0.25R，存在明顯覆蓋空洞。因此建議站間距設(shè)置為0.5R-0.7Ro若使用更高增益的天線，其天線波束寬度將變窄，站間距也會減小。

實際中，海岸線非理想直線且無線環(huán)境復雜，外場實際組網(wǎng)需根據(jù)可布置站點位置，通過仿真精細評估調(diào)整站點間距和方位角。

(9) 高站“塔下黑”問題

海域覆蓋站站址高度較高，且天線下傾角一般設(shè)置在2°以內(nèi)，覆蓋可能存在“塔下黑”問題。選擇天線型號時，建議選擇具有良好下零點填充的天線，以避免嚴重的“塔下黑”問題。根據(jù)能量守恒定律，零點填充會略縮小原天線覆蓋距離。目標覆蓋距離小時，可考慮2.6G64TR設(shè)備’通過SSB權(quán)值調(diào)整增加垂直覆蓋范圍。

1.2 網(wǎng)絡(luò)容量關(guān)鍵問題 

(1) 海面業(yè)務(wù)分布不均

近海船只數(shù)量多，海上養(yǎng)殖與直播帶貨等用戶需求主要以視頻業(yè)務(wù)為主，單用戶上行速率需求約6MpS，需要網(wǎng)絡(luò)大帶寬能力。遠海船只數(shù)量少，有用戶出海業(yè)務(wù)感知及海上實時監(jiān)控管理等需求，需要保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋。針對近、遠海場景的不同業(yè)務(wù)需求，可形成2.6G+700M協(xié)作互補的方案，打造多頻網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮2.6G大帶寬和700M超遠覆蓋能力，更好的滿足超大帶寬的個人業(yè)務(wù)和超大連接的2B垂直業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求。

(2) 700M和2.6G容量分析

FDD700MHZ帶寬為30MHz，設(shè)備為4TR，終端為1T2R。小區(qū)上行吞吐量為60Mbps，下行吞吐量為100-120Mbps，可保障用戶上網(wǎng)服務(wù)。若后續(xù)開通帶寬至45MHz，上下行小區(qū)吞吐量能提升至80Mbps和150-180Mbps。

TDD2.6GHz帶寬為100MHz，設(shè)備為64TR，終端為2T4R。小區(qū)上行吞吐量為350Mbps，下行吞吐量為1200-1500Mbps，適合用戶密集場景，大帶寬業(yè)務(wù)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)干擾關(guān)鍵問題

海面組網(wǎng)干擾產(chǎn)生的原因基本與地面大網(wǎng)相同，但由于海域站站址高度較高、小區(qū)覆蓋面積較大，海面組網(wǎng)干擾范圍和強度可能大于地面大網(wǎng)，需積極引人抗干擾技術(shù)。海面小區(qū)間干擾問題，可以通過在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時設(shè)置合理的切換帶，盡量避免越區(qū)覆蓋，或采取與地面大網(wǎng)相同策略，下行采用PRB隨機化，上行采用IRC算法改善上行信號質(zhì)量，規(guī)避或降低干擾。

由于海面超遠覆蓋站天線存在旁瓣和反向波瓣，且站點位置高，可能會對陸地同頻大網(wǎng)產(chǎn)生干擾。建議選擇對反向波瓣抑制能力較強的天線，同時在超遠覆蓋站點規(guī)劃時，應(yīng)合理規(guī)劃站點，盡量避免與陸地大網(wǎng)交疊覆蓋。另外，目前廣電尚未完全完成700M頻段清頻工作，可能對超遠覆蓋站產(chǎn)生干擾問題。通過對上行進行深度濾波，上下行開啟頻選及PRB禁用功能，可有效控制700M頻段廣播塔對超遠覆蓋站點的干擾。

二、5G海上低空覆蓋關(guān)鍵問題

2.1 海上低空覆蓋能力分析

中小型無人機主要工作高度在60-200m之間。海面超遠覆蓋站一般下傾角控制在2°以內(nèi)，實際部署中經(jīng)常采用0度機械下傾以保證最大天線增益方向?qū)蔬h點。以FDD超遠覆蓋小區(qū)半徑為20km進行測算，天線垂直波瓣角為6-8°，天線主瓣寬度約15°，如圖5所示：

當無人機距離基站1km，飛行高度超過130m時，無人機位于主瓣覆蓋外。當無人機距離基站2km以上，無人機均位于主瓣覆蓋范圍內(nèi)。當無人機距離基站3km以上，無人機位于基站主瓣3dB夾角內(nèi)。因此，理論上海域立體組網(wǎng)具備低空覆蓋能力。

2.2 近海低空覆蓋碎片化

當無人機飛行距離距基站較近，飛行高度較高時，空中缺少主服務(wù)小區(qū)，覆蓋呈現(xiàn)碎片化。這可能會導致無人機在低空中出現(xiàn)主服務(wù)小區(qū)SSBRSRP與鄰區(qū)SSBRSRP差值小，甚至不能接人網(wǎng)絡(luò)的情況a另外，由于碎片化覆蓋區(qū)域小，加之無人機飛行速度快，還會導致無人機發(fā)生小區(qū)頻繁/兵乓切換，產(chǎn)生速率掉坑，時延增大等問題。建議天線采用上零點填充技術(shù)，避免天線增益零陷情況，增強低空覆蓋能力。

2.3 海上低空覆蓋干擾問題

低空組網(wǎng)的干擾情況與地面大網(wǎng)相比，下行方向由于海面遮擋少，無人機在百米高空視距內(nèi)可見基站數(shù)量更多，導致無人機受到來自更多視距基站的鄰區(qū)干擾，下行干擾更強。建議低空組網(wǎng)配置更多的鄰區(qū)列表，通過保守調(diào)度等優(yōu)化芋段，抑制下行干擾。

上行方向由于海面終端密度低，距離基站較遠，因此與地面大網(wǎng)的上行干擾情況基本相當。可以通過無人機上行功率控制、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方法進一步控制干擾。

三、海面創(chuàng)新覆蓋方案構(gòu)想

海面上存在著了多種海洋設(shè)備，如海洋平臺、海上浮標和應(yīng)急輪船等。海洋平臺有固定式、浮動式和半固定式結(jié)構(gòu)。海面上的高度在5-20m左右，一般配備高功率發(fā)電機和電纜。海洋浮標和應(yīng)急輪船機動性強，一般采用小功率發(fā)電機、蓄電池或太陽能供電。考慮利用海樣平臺、海洋浮標或者應(yīng)急輪船作為5G站點部署平臺，通過Relay、微波或衛(wèi)星方式進行回傳。

在基站覆蓋范圍內(nèi)利用海洋設(shè)備搭建Relay，可有效擴大覆蓋距離。Relay外接天線可以改善由于海洋設(shè)備晃動帶來的信號質(zhì)量下降。Relay支持級聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)多級多跳傳輸，完成超遠距離的信號回傳。回傳帶寬主要受海洋設(shè)備與施主基站間距離影響，需要兼顧覆蓋距離和業(yè)務(wù)需求，規(guī)劃Relay布放位置。海洋設(shè)備需滿足Relay供電需求，還存在維護難度大的問題。

在基站覆蓋范圍外利用海洋設(shè)備搭建衛(wèi)星進行回傳 。衛(wèi)星回傳的技術(shù)成熟，覆蓋范圍廣，帶寬可達100Mbps左右，但造價昂貴，存在時延大約600ms，鏈路易受環(huán)境影響，誤碼率高等問題 ，也存在供電和維護問題。

總結(jié)
      隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展和5G海事服務(wù)需求的增加，本文明晰了開展5G海域立體覆蓋研究的重要性。 詳細分析哪個頻段是700M海洋覆蓋最佳的海洋傳輸模式是根據(jù)天線高度對選址的影響和700M海洋鏈路的覆蓋模式來選擇廉價的天線設(shè)備。 它研究和分析了海面網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、容量和干預(yù)方面的主要問題，以及與低地表水位海洋供應(yīng)有關(guān)的問題。 因此，提出了利用海洋設(shè)備搭建Relay或衛(wèi)星回傳的創(chuàng)新覆蓋構(gòu)想 。 



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