關于“三沙1號”大型游輪移動通信網(wǎng)絡覆蓋的探討

黃圣紅，李洲

(1 中國移動通信集團海南有限公司，?？?570125；2 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

關于“三沙1號”大型游輪移動通信網(wǎng)絡覆蓋的探討

黃圣紅1，李洲2

(1 中國移動通信集團海南有限公司，海口 570125；2 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

本文結合“三沙1號”大型游輪移動通信網(wǎng)絡建設的實際案例，介紹其2G、4G網(wǎng)絡建設的方案，包括移動通信建設方案、衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設方案、船載通信系統(tǒng)配套方案等，可用于指導后續(xù)大型游輪、艦船移動通信網(wǎng)絡建設。本文所探討的大型游輪移動通信網(wǎng)絡的覆蓋方案對于運營商開展大型游輪、艦船移動通信網(wǎng)絡建設有重要的參考意義。

4G網(wǎng)絡；大型游輪；移動通信；網(wǎng)絡覆蓋

1 引言

海南屬于海洋大省，管轄的海域面積約2 000 000 km2。海南高度重視發(fā)展海洋經(jīng)濟建立海洋強省，起到表率作用，擔當起這個歷史的責任。在海洋基礎設施建設方面，積極推進三沙交通、通信、水電、后勤保障等基礎設施建設，特別是推進“三沙1號”建造和西沙永興島綜合碼頭二期工程等重點項目。

在“一帶一路”國家戰(zhàn)略下，海洋建設提速，海域通信需求強烈?！叭?號”船長120 m，寬20 m，排水量8 100噸，最大航速20節(jié)，續(xù)航力6 000海里，可搭載旅客450人，載車25輛。該船主要航行于南海遠海航區(qū)，擔負三沙市所屬的西、南、中沙群島海域的綜合補給、行政管理、島礁考察及其他相關任務。由于無線基站覆蓋距離有限以及深海區(qū)無法建設基站，“三沙1號”在離岸一定距離后，絕大部分的航線沒有無線基站信號。為了保障“三沙1號”在南海遠海通信盲區(qū)的無線通信，將在“三沙1號”上新建一套通信系統(tǒng)，有效補充網(wǎng)絡覆蓋，解決了海上的移動通信難題，同時對海上作業(yè)、維護國家海洋領土主權具有重大意義。

根據(jù)客戶對移動通信的實際需求， 要求對“三沙1號”的船艙各樓層及周邊海域實施2G和4G網(wǎng)絡覆蓋。為保障人們在大型游輪上的實時通信，需要在游輪上建設船載基站。船載基站采用衛(wèi)星傳輸接入北京中心站，傳輸總速率在5 Mbit/s左右。

經(jīng)過詳細勘察設計，結合海南本地網(wǎng)資源，提出建設方案如下：新建船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)1套、船載基站3個（中國移動2G基站1個、中國移動4G基站1個及預留其它運營商基站1個）、船載室內分布系統(tǒng)1套、擴容中國移動原有衛(wèi)星中心站1項，租用衛(wèi)星轉發(fā)器1項，調度2條從北京地球站至?？诘腅1（2 Mbit/s）電路，調度1條從北京地球站至?？诘腎P（10 Mbit/s）電路。

新增的“三沙1號”衛(wèi)星傳輸遠端基站通過衛(wèi)星接入北京中心站，然后通過北京中心站至中國移動望京樞紐樓的光傳輸電路接入中國移動長途一級干線，通過調用一級干線和省內的二級干線接入該基站的歸屬BSC或MME，傳輸路由比一般陸地通信基站傳輸路由長且復雜。網(wǎng)絡結構示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡結構示意圖

2 移動通信建設方案

在船上建設2G基站及4G基站各1個，在船頂架設室外覆蓋天線2個，在船艙內架設一套室內分布系統(tǒng)以實現(xiàn)2G及4G信號全覆蓋，全程為三沙1號上的用戶提供語音業(yè)務以及數(shù)據(jù)業(yè)務，以滿足用戶各類業(yè)務需求。

2.1 船載基站及室外覆蓋

2.1.1 船載基站設備

考慮到覆蓋功率、走線、船載空間以及后期維護，船載2G主設備采用華為DBS3900設備一套，配置O12；船載4G主設備采用華為DBS3910設備一套，配置O1，船載2G及4G基站設備與衛(wèi)星天線共機房安裝。另外，4G需安裝1個GPS天線于室外空曠位置，GPS天線通過1/2跳線與BBU鏈接。

2.1.2 室外天線

室外天線安裝在輪船頂層空曠位置，對甲板及周邊海域進行覆蓋。室外天線均通過饋線與RRU主設備鏈接，RRU再通過野戰(zhàn)光纜及電源線與BBU鏈接，從機房到船頂需布放2根野戰(zhàn)光纜。

2.1.3 覆蓋距離

覆蓋距離2G采用Okumura-Hata模型計算，4G采用COST-231-Walfish-Ikegami模型計算。在海面空曠區(qū)域，2G可覆蓋周邊海域約1 000 m，4G可覆蓋周邊海域約400 m；在碼頭，由于無線傳輸損耗比海面大，因此，在碼頭2G可覆蓋岸邊約600 m， 4G可覆蓋岸邊約200 m。

2.1.4 漫游管控

由于安裝室外天線，必將造成輪船周邊外省用戶被漫游，對此，中國移動海南公司將通過海南本地網(wǎng)進行管控，使輪船周邊外省用不被漫游。

2.1.5 系統(tǒng)干擾

由于安裝室外天線，輪船在靠近岸邊時必將對岸邊陸地基站造成頻率干擾，使用戶無法通信。這只能通過船上員工進行人工操作，在靠近岸邊約2 km的地方就要關閉2G基站室外天線，以免因頻率干擾而造成用戶無法通信。

2.1.6 傳輸速率分配

衛(wèi)星設備之間滿足5 Mbit/s傳輸速率，速率分配如下：

中國移動2G業(yè)務：重點保障話音業(yè)務，配置12個載頻，約需1.5 Mbit/s。

中國移動4G業(yè)務：盡力而為提供低速率數(shù)據(jù)業(yè)務，配置1個載頻，約需2 Mbit/s。

預留約1.5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率給其它單位使用。

2.1.7 話務容量

2G話務容量： 2G配置12個載頻，按O12配置，每用戶平均忙時話務量為0.025 Erl，設定呼損率為2%，配86個業(yè)務信道、業(yè)務信道按話言信道76個、靜態(tài)PDCH業(yè)務信道10個計算。本方案可同時滿足76個用戶通話。

4G傳輸速率：根據(jù)速率分配，4G最大速率為2 Mbit/s，按同時有10個用戶使用計算，平均每用戶傳輸速率為204.8 kbit/s，用戶越多，傳輸速率越低。

2.2 室內分布系統(tǒng)

分別在“三沙1號”的天花板上安裝吸頂天線，對客輪進行全覆蓋。如有邊緣區(qū)域的玻璃窗，則采用定向吸頂天線，以避免由于信號大量外泄。吸頂天線通過饋線與2G及4G主設備RRU鏈接，RRU再通過野戰(zhàn)光纜及電源線與BBU鏈接，網(wǎng)絡系統(tǒng)圖如圖2所示。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設方案

3.1 遠端站衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設方案

將在“三沙1號”上新建1個遠端站，含衛(wèi)星通信設備、“動中通”衛(wèi)星天線等。

3.1.1 衛(wèi)星通信設備

衛(wèi)星通信設備由室內單元和室外單元組成。室內單元包括IDR通信調制解調器、TCP加速器、Abis優(yōu)化設備。

IDR調制解調器采用L波段設備，集成了LNB供電和10MHz參考的選件，直接通過Tx饋線給發(fā)射BUC提供10MHz參考基準，同時通過Rx饋線給LNB供電，從而大大簡化了系統(tǒng)體系結構，增加可靠性。

由于BUC發(fā)射功率較大，需要單獨供電。此外，MODEM通過Tx發(fā)射接口使用FSK信號來監(jiān)控BUC，替代了ODU外接的RS232/RS485監(jiān)控線，提供BUC狀態(tài)的監(jiān)視，包括詳細的告警、BUC的射頻功率、BUC的衰減控制、工作溫度，并可編程BUC給出額外效率補償，BUC被統(tǒng)一納入到Modem的管理中。

TCP加速器采用透明代理的方式，將TCP一端的連接終結，然后重新發(fā)起一個連接到TCP的另外一端。這樣，兩端的數(shù)據(jù)分組都被緩存在兩端的TCP加速器上，TCP加速器之間的數(shù)據(jù)發(fā)送由TCP加速器進行控制。在這兩個透明代理之間，通常將協(xié)議轉換為UDP協(xié)議或其它自定義協(xié)議，這些協(xié)議本身可以完全按照自己的要求進行控制，達到提高TCP性能的效果；同時，雙邊TCP加速還可以引入壓縮、緩存等技術進一步提高TCP性能?？梢?，采用TCP加速能夠提升4G用戶的體驗。

Abis優(yōu)化設備分析Abis接口傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)，進行相應的處理算法，打破固定的時隙分配方式而在遠端恢復原數(shù)據(jù)，降低Abis數(shù)據(jù)速率從而節(jié)省帶寬。

圖2 船載網(wǎng)絡系統(tǒng)圖

室外單元由“動中通”衛(wèi)星天線、BUC（含室外上變頻單元和固態(tài)功率放大器SSPA）、低噪聲變頻放大器LNB、電源保護器、空調等組成。LNB接收來自衛(wèi)星轉發(fā)器的下行信號變頻為L波段，并將信號放大。BUC將L-Band信號上變頻并將信號經(jīng)功率放大器放大，由天線發(fā)射到衛(wèi)星轉發(fā)器。室內外單元之間采用L波段連接。

3.1.2“動中通”衛(wèi)星天線

“三沙1號”在海上的移動過程中，其方向和地理位置一直在發(fā)生變化，無法采用傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星天線系統(tǒng)。為了解決衛(wèi)星相對位置不斷變化的問題，三沙1號采用船載“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

“動中通”天線可以感知自身位置和狀態(tài)的變化，實時調整接收天線方向，使其對準目標衛(wèi)星，保障通信的連續(xù)性。

船載“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)在初始靜態(tài)情況下，由GPS、經(jīng)緯儀、捷聯(lián)慣導系統(tǒng)測量出航向角、船體所在位置的經(jīng)度和緯度及相對水平面的初始角，然后根據(jù)船只的地理位置、衛(wèi)星經(jīng)度自動確定以水平面為基準的天線仰角，在保持仰角對水平面不變的前提下轉動方位，并以信號極大值方式自動對準衛(wèi)星。在船體運動過程中，系統(tǒng)測量出船體位置的變化，通過數(shù)學平臺運算，變換為天線的誤差角，通過伺服機構調整天線方位角、俯仰角、極化角，保證船體在變化過程中天線對星在規(guī)定范圍內，使衛(wèi)星發(fā)射天線在船體運動中實時跟蹤地球同步衛(wèi)星。

遠端站設備連接方式如圖3所示。

3.2 通信系統(tǒng)選擇及網(wǎng)絡結構

IDR/IBS體制是全球衛(wèi)星通信設備制造商公認的制造標準，不同廠家的通信設備（如Modem）可以互相兼容和互通，便于選配設備和擴容。同時采用該技術的設備操作和維護方便，工作可靠性高，時延抖動小?？紤]到以上優(yōu)點以及當時衛(wèi)星技術的發(fā)展程度，中國移動衛(wèi)星網(wǎng)建網(wǎng)之初選擇了IDR/IBS技術體制組網(wǎng)，并一直沿用至今。

目前，除了IDR/IBS技術，還有一些采用TDM/ TDMA或者TDMA體制的VSAT系統(tǒng)也可以用于基站接入使用，這些體制的主要優(yōu)點是可以多個站動態(tài)共享轉發(fā)器資源，但根據(jù)中國移動實驗室的測試結果，當采用動態(tài)共享技術時會導致時延抖動的增加，從而影響衛(wèi)星鏈路的傳輸質量和GSM網(wǎng)絡的通信質量；而如果不采用動態(tài)共享，則無法獲得帶寬資源的節(jié)省。

另外，考慮到中國移動已建設了很大規(guī)模的IDR/ IBS衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡，并在此基礎上開發(fā)了一套比較完善的網(wǎng)管系統(tǒng)，而且隨著地面光纜覆蓋范圍的不斷擴大以及村通工程的基本結束，未來用于基站傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡建設需求會逐漸減少，因此本期工程建議不再引入新的衛(wèi)星技術體制，繼續(xù)沿用前期工程的IDR/IBS方式傳輸。

采用IDR方式建設的衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3.3 通信頻段及主站選擇

“三沙1號”遠端站建議采用C頻段資源。主要因為這些地區(qū)雨量大，C頻段雨衰較小，鏈路更穩(wěn)定。不管選用哪個頻段，都應充分利用北京中心站已建射頻設備，以節(jié)省設備投資，而且建設周期較短。

圖3 遠端站設備連接示意圖

圖4 IDR衛(wèi)星網(wǎng)絡結構示意圖

3.4 端站衛(wèi)星天線口徑選擇

考慮到船上安裝位置和安裝難度，建議盡量采用小口徑天線。因此，本項目采用2.4 m口徑“動中通”衛(wèi)星天線。

3.5 鏈路計算

計算場景如表1所示。

表1 計算場景

衛(wèi)星設備之間滿足5 Mbit/s傳輸速率，速率分配如下：

中國移動2G業(yè)務：重點保障話音業(yè)務，配置12個載頻，約需1.5 Mbit/s。

中國移動4G業(yè)務：盡力而為提供低速率數(shù)據(jù)業(yè)務，配置1個載頻，約需2 Mbit/s。

預留約1.5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率給其它單位使用。

系統(tǒng)傳播可用度為99.9%。主站衛(wèi)星天線指向誤差取0.2 dB，端站衛(wèi)星天線指向誤差取0.5 dB，上下行大氣損耗各取0.2 dB。

北京中心站為750 W行波管功放（饋源口輸出功率650 W）。

遠端站采用2.4 m口徑天線，則遠端站需配置40 W功放，采用QPSK+TPC7/8和載波疊加，可滿足傳輸速率的要求，功帶較為平衡。

根據(jù)鏈路計算結果，可得到本期工程帶寬需求情況如表2所示。

4 船載通信系統(tǒng)配套方案

4.1 電源系統(tǒng)需求

衛(wèi)星天線系統(tǒng)需3路220 V交流電給設備供電。（1）天線空調供電。天線空調正常工作時供電為220 V 5.5A，考慮到其啟動電流大及供電余量，天線空調供電要求不低于2 000 W。

表2 帶寬需求情況

（2）上甲板其它設備供電。天線轉臺供電為220 V 150 W，考慮到該路電源同時為ODU供電及供電余量，上甲板其它設備供電要求不低于1 000 W，供電要求通過UPS。

（3）下甲板設備供電。天線控制器供電為220 V 160 W，供電要求通過UPS。

考慮到船載空間有限以及引電難度，基站采用多路交流供電，其中1路220V交流+交流轉直流設備+ DCDU（直流分配單元）分別給主設備機房2G及4G的BBU和RRU供電，其他分布于各層的BBU采用就近引入220 V交流供電。

4.2 防雷接地要求

遠端站應使用水平接地體將衛(wèi)星地球站的衛(wèi)星天線基礎接地體、基站鐵塔地網(wǎng)、電力變壓器地網(wǎng)以及站內各建筑物地網(wǎng)相互連通，形成封閉的環(huán)形聯(lián)合地網(wǎng)，并采用站內等電位連接設計和雷電過電壓保護等綜合防護措施。

衛(wèi)星天線基礎的閉合接地環(huán)與生產(chǎn)用房的閉合接地環(huán)在地下應有兩處以上可靠的連接，組成封閉的地網(wǎng)。

要求衛(wèi)星設備及天饋線系統(tǒng)均處于遠端站避雷針的有效保護角內，走線架以及天線支架要求與地網(wǎng)良好連接。

連接室外單元和室內單元間L頻段電纜的金屬外護層在室外應在天線背部和機房入口處外側就近接地；如電纜較長（超過60 m），應在電纜中間增加一個接地點。

衛(wèi)星饋線和GPS饋線應安裝饋線避雷器，避雷器的安裝應靠近室內設備。與BTS相連的2 Mbit/s數(shù)據(jù)線也應該安裝數(shù)據(jù)線避雷器。

5 結論

經(jīng)過多個月的努力，2016年1月25日，在“三沙1號”輪船上開通了移動2G及4G基站，該船全程有移動2G及4G信號，船艙及周邊海域信號良好，上傳及下載最大傳輸速率可達15Mbit/s，無論是打電話、通視頻、還是上QQ、發(fā)微信，暢通無限。2G網(wǎng)絡指標良好，覆蓋率達到100%，接通率達到98%，掉話率僅為1.02%，全程呼叫成功率98.48%。4G網(wǎng)絡指標良好，覆蓋率達到99.96%，VoLTE接通率達100.00%，呼叫建立時延9.91S，MOS值大于3.0占比達到97.74% ，閑時下載速率達到6.78 Mbit/s，非閑時下載速率1.75 Mbit/s。

“三沙1號”船載移動2G及4G基站是全國第一個采用動中通開通的2G/4G基站，滿足了人們在游輪上隨時隨地與外界互聯(lián)及大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑢μ嵘Ｑ笮畔⒒降确矫嬉财鸬椒e極作用，同時對協(xié)助維護我國領土、領海主權完整，確保邊疆安全，促進我國海洋經(jīng)濟發(fā)展，提升我國電信產(chǎn)業(yè)國際競爭力和應急搶險能力具有重要戰(zhàn)略意義。

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Discussion on the mobile communication network coverage of SanSha No.1 cruise

HUANG Sheng-hong1, LI Zhou2
(1 China Mobile Group Hainan Co., Ltd., Haikou 570125, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

This paper brief l y introduces the 2G&4G network construction which including mobile communication, satellite communication system and shipboard communication matching programetc.combined with the actual case of SanSha No.1 cruise mobile communication network construction. As guidance,mobile network coverage can be used on the cruise ships and warships. Besides, this method also has a great reference value for Operators developing mobile network construction on moving ships in the maritime space.

4G network; cruise ship; mobile communication; network coverage

TN929.5

A

1008-5599（2017）05-0061-06

2017-02-10