千里巖-南黃島超遠(yuǎn)距離無線通信系統(tǒng)應(yīng)用研究

盧 博，于 博，王 彬，胡 偉，孫靜宜，馮立達(dá)，蔣 濤

國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266100

2013年12月4日工信部正式向三大電信運(yùn)營(yíng)商發(fā)布TD-LTE牌照,標(biāo)志著中國(guó)電信產(chǎn)業(yè)正式步入4G時(shí)代[1]。隨著移動(dòng)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈及用戶規(guī)模的不斷擴(kuò)大,運(yùn)營(yíng)商把加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的廣度覆蓋和深度覆蓋作為工程建設(shè)的重點(diǎn),以提高自身競(jìng)爭(zhēng)力[2]。2015 年2 月,國(guó)家工業(yè)信息化部發(fā)布 《關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》,將1 785～1 805 MHz劃分為交通(城市軌道交通等)、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)頻段,推動(dòng)了TD-LTE 1.8G無線專網(wǎng)的積極發(fā)展[3]。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)也迅速壯大,海域數(shù)據(jù)通信需求日益增多。海洋這類特殊應(yīng)用場(chǎng)景,地廣人稀,業(yè)務(wù)需求量不大,覆蓋成為主要限制因素,用常規(guī)的建設(shè)手段難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)良好的廣域覆蓋[4]。

1 研究區(qū)域概況

千里巖又名千里島、千里山。位于 36°15′56″N,121°23′10″E,黃海中部西岸的大陸架上。島形似啞鈴狀,南北長(zhǎng)約0.82 km,東西寬約0.24 km,面積為1.0405 km2,該島最高點(diǎn)海拔93.5 m。國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 (以下簡(jiǎn)稱 “北海預(yù)報(bào)中心”)在千里巖北端海拔約60 m的頂部建有海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站。

此前千里巖有一臺(tái)專用筆記本電腦定時(shí)上傳監(jiān)測(cè)站氣象水文資料到北海預(yù)報(bào)中心,通信手段為VSAT小站加入到衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò),經(jīng)北海信息中心VSAT地面接收站中轉(zhuǎn),將千里巖海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站的氣象水文資料傳輸?shù)奖焙ｎA(yù)報(bào)中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。此外,在千里巖辦公樓外還有一臺(tái)科達(dá)攝像機(jī)用于實(shí)時(shí)海況視頻監(jiān)控。此VSAT衛(wèi)星傳輸鏈路與自然資源部北海局其他單位共享1 Mbps帶寬,可有效使用的鏈路帶寬約128 kbps,屬于窄帶無線通信。而島上視頻監(jiān)控系統(tǒng)因需要高帶寬實(shí)時(shí)傳輸視頻到預(yù)報(bào)中心視頻監(jiān)控平臺(tái),受限于VSAT衛(wèi)星傳輸鏈路帶寬不足而無法發(fā)揮效用。

千里巖的值班人員僅以衛(wèi)星電視作為娛樂手段,工作之余的互聯(lián)網(wǎng)訪問無法實(shí)現(xiàn),因此,千里巖值班人員長(zhǎng)時(shí)間無法與親友即時(shí)通訊,更不能獲取外界的熱點(diǎn)時(shí)事,這種信息隔絕嚴(yán)重影響著值班人員的工作與生活心態(tài)。

南黃島隸屬于山東省威海乳山市海陽所鎮(zhèn),位于山東半島南部黃海北部。西北與險(xiǎn)島相望,北面隔一條水道與海陽所鎮(zhèn)的小石口相望,是乳山市最大的島嶼。南黃島為南北走向,長(zhǎng)2 000 m,由北頂子、北山和南山3個(gè)自然山頭組成,其中北山最高,海拔60 m。自然資源部北海預(yù)報(bào)中心在海拔約30 m的南山建有海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站。之前在南黃島只有一臺(tái)PC工作站定時(shí)上傳觀測(cè)站氣象資料到北海預(yù)報(bào)中心,通信手段是CDMA調(diào)制解調(diào)器撥號(hào)到掛子場(chǎng)的電信3G基站,通過公網(wǎng)3G鏈路將南黃島觀測(cè)站的氣象資料傳輸?shù)筋A(yù)報(bào)中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2TD-LTE1.8G無線專網(wǎng)

TD-LTE是4G的一個(gè)重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),TD-LTE具有低時(shí)延、高速率、大帶寬、高安全性等諸多優(yōu)點(diǎn),因此TD-LTE技術(shù)十分適用于無線專網(wǎng)的建設(shè)工作。在4G技術(shù)應(yīng)用的眾多頻率中,使用1.8 GHz的專有頻段配合專用設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)與公網(wǎng)的完全隔離,可以在最大程度上杜絕各類信息非法侵入和安全隱患。TD-LTE具有5 ms的延時(shí)特性,非常適用于視頻和語音信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸[5],目前已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一?；赥D-LTE的無線通訊相對(duì)于目前WIFI等其他無線組網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)有線組網(wǎng)技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是無需考慮復(fù)雜的硬件安裝、綜合布線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等問題,快速部署接入點(diǎn)也更加靈活方便。

3 超遠(yuǎn)距離覆蓋

TD-LTE 1.8 GHz超遠(yuǎn)距離的有效覆蓋范圍不僅取決于基站的性能,如發(fā)射功率、終端接收靈敏度、空間傳播損耗、天線增益、饋線損耗、衰落余量等因素,同時(shí)也與無線傳播環(huán)境,如地理環(huán)境和基站布局等有著直接和間接的關(guān)系。因此,使用TD-LTE的模式組網(wǎng),結(jié)合超遠(yuǎn)距離的有效覆蓋需求及影響基站覆蓋的重要因素,可以采用靈活多樣的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)來增加系統(tǒng)可容忍的最大路徑損耗,最終達(dá)到大幅提高系統(tǒng)性能的目的[6]。

3.1 天線掛高

在海平面環(huán)境下進(jìn)行無線電波的超遠(yuǎn)距離傳播,通過空氣傳播的直達(dá)波和經(jīng)過海面反射的反射波是主要的傳播路徑。由于傳播損耗很小,信號(hào)可以傳播到距離很遠(yuǎn)的海域。在如此遠(yuǎn)距離的情況下,地球表面不能再被看作是平面,而應(yīng)當(dāng)作球面,需要考慮地球曲率對(duì)無線傳播的影響。

在超遠(yuǎn)距離的傳播路徑上,地球引起的反射波會(huì)在接收機(jī)內(nèi)部對(duì)直射電波產(chǎn)生消極或積極的影響。根據(jù)LTE基站的饋線損耗、正態(tài)衰落余量、基站側(cè)的天線增益和靈敏度數(shù)據(jù),通過鏈路預(yù)算可以得到允許的最大路徑損耗。無線視距、接收端天線高度密和基站天線高度互為因果變量[7],其關(guān)系如圖1所示。

圖1 視距覆蓋示意圖

圖1中,R0為地球半徑,HT為基站天線掛高,HR為CPE接收端天線掛高,則視距d可由式 (1)表示:

由于R0>>HT,R0>>HR,所以式 (1)可簡(jiǎn)化為式(2):

考慮地久半徑R0=6 370 km,由式 (2)可得:

式 (3)中HT和HR單位為m。

由于空氣的溫度、濕度和壓力隨著高度發(fā)生變化,介電常數(shù)也成為常量,隨著高度的增加而減小,并隨著空氣的逐漸稀薄趨于0。這使得無線電波在對(duì)流層中的傳播軌跡變成沿地球曲率方向的曲線,不再是直線,即無線電波在對(duì)流層中傳播時(shí)發(fā)生折射。這種折射現(xiàn)象的發(fā)生相當(dāng)于增大了地球半徑,在標(biāo)準(zhǔn)的大氣折射下,修正后得到的視距公式為:

式 (4)中,HT為基站天線掛高,單位為m,HR為CPE接收端天線掛高,單位為m,d為基站覆蓋半徑,單位為km。本系統(tǒng)中,南黃島天基站天線掛高約30 m,千里巖CPE接收端天線掛高約60 m,則南黃島基站的視距為:

3.2 站址選擇

在海面環(huán)境的覆蓋組網(wǎng)設(shè)計(jì)中,覆蓋距離是最為重要的關(guān)注點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)海面超遠(yuǎn)距離覆蓋,必須要保證LTE基站天線與CPE接收端之間具有良好的無線傳播環(huán)境。

(1)站址高度

海上傳輸基站通常安裝于海岸山體之上,基站天線的有效掛高直接影響到海面無線傳輸?shù)母采w距離,天線掛高設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量滿足目標(biāo)區(qū)域處于視距的覆蓋范圍內(nèi),否則由于地球曲率的影響,遠(yuǎn)端目標(biāo)若處于非視距海域時(shí),信號(hào)會(huì)出現(xiàn)迅速衰減,此時(shí)覆蓋難以保證。

(2)傳播環(huán)境勘察

實(shí)現(xiàn)海面超遠(yuǎn)距離覆蓋一個(gè)重要的前提條件是海面具有良好的無線傳播環(huán)境[9],因此基站的選址應(yīng)滿足以下條件:

①傳播方向無明顯遮擋物,如高山、大型平臺(tái)等；

②基站的海拔高度越大越好；

③靠近海岸,傳播路徑盡量在海面；

④目標(biāo)海域與基站之間無大片陸地區(qū)域。

3.3 天線選擇

多天線系統(tǒng)是指收發(fā)雙方都采用多根天線進(jìn)行收發(fā)。通過選用科學(xué)的發(fā)射信號(hào)和適配的接收機(jī),多天線技術(shù)可以在提高系統(tǒng)容量和增加無線覆蓋距離的同時(shí),有效的的控制無線通信系統(tǒng)的建設(shè)成本[8]。本系統(tǒng)選擇了技術(shù)成熟的2T2R基站和1T2R接收端方案,以增強(qiáng)基站覆蓋能力。

由于無線電波的特性,水平極化信號(hào)的傳播會(huì)在貼近海面時(shí)產(chǎn)生極化電流,極化電流受海水阻抗影響會(huì)產(chǎn)生熱能,從而使得電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減。相對(duì)而言,垂直極化的方式則較難產(chǎn)生極化電流,因此可以避免能量的大幅衰減,保證電波信號(hào)的傳播效率。由于接收端垂直于地面更容易匹配垂直極化信號(hào),因此在選擇接收端時(shí),相比于其他非垂直極化天線,垂直單極化天線的覆蓋效果會(huì)更好一些,尤其是在開闊的海面上,覆蓋效果更為顯著[10]。此外,沿海地區(qū)常年風(fēng)速較大,因此本系統(tǒng)選擇了表面積較小的天線,以減小天線表面所承受的風(fēng)力,同時(shí)可以降低天線對(duì)鐵塔和抱桿的安裝要求。

3.4 大功率基站

采用大功率基站設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng),可在源頭上提升信號(hào)的功率,從而達(dá)到增加傳輸距離和覆蓋范圍的目的。目前國(guó)內(nèi)常見的LTE設(shè)備RRU最大發(fā)射功率一般大于40 W,而為了滿足海島站超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?本系統(tǒng)基站的RRU最大發(fā)射功率為200 W。

4 系統(tǒng)建設(shè)

乳山海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站南黃島測(cè)點(diǎn)、千里巖海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站都是自然資源部北海局的重要站點(diǎn),兩島現(xiàn)有通信手段的局限性、兩島值班人員的工作生活條件都急需改善。為此,經(jīng)前期調(diào)研,考察各種陸島通信手段的可行性后,排除國(guó)家深海基地管理中心、田橫島、乳山市區(qū)等局限性較大的通信中轉(zhuǎn)地點(diǎn),決定將中轉(zhuǎn)地點(diǎn)選擇在離南黃島最近的掛子場(chǎng)碼頭自留地,并制定了 “千里巖-南黃島-掛子場(chǎng)-預(yù)報(bào)中心”多跳傳輸、無線和有線寬帶專網(wǎng)結(jié)合、分段實(shí)施的解決方案。

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況制定了 “島-島無線、島-陸無線、陸上有線專線”三段接力傳輸鏈路。考慮到孤懸海上的千里巖遠(yuǎn)離陸地難以交通聯(lián)絡(luò)的現(xiàn)實(shí),首先要保證千里巖和南黃島之間無線寬帶專網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性,為此,特選擇我國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G-LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩島之間54 km的超遠(yuǎn)覆蓋。借助LTE技術(shù)雙向鑒權(quán)的安全性及強(qiáng)大的抗干擾能力,保障兩島之間無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性,在20 MHZ頻寬下測(cè)試上下行帶寬超過了10 Mbps。南黃島與掛子場(chǎng)之間相距近3 km,選擇網(wǎng)橋傳輸簡(jiǎn)單實(shí)用。此外,為了保證兩島觀測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻上傳到北海分局預(yù)報(bào)中心,兩島與預(yù)報(bào)中心通信鏈路保證帶寬至少各2 Mbps,為此,租用聯(lián)通公司MSTP專線6 Mbps帶寬在掛子場(chǎng)和預(yù)報(bào)中心之間建立有線專網(wǎng)通信,互聯(lián)網(wǎng)則接至南黃島當(dāng)?shù)毓?jié)點(diǎn)。

4.1 千里巖設(shè)備建設(shè)

根據(jù)千里巖的位置、地形和島上的基礎(chǔ)設(shè)施等實(shí)際情況,在千里巖海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站氣象觀測(cè)場(chǎng)鐵塔底部安裝互聯(lián)網(wǎng)用途CPE接收端,在氣象觀測(cè)場(chǎng)旁邊的水泥方形地基上安裝數(shù)據(jù)專網(wǎng)用途CPE接收端和?？低曉婆_(tái)攝像機(jī)。鏈路方面,所有設(shè)備先通過網(wǎng)線直連到地震臺(tái)設(shè)備所在房間的光纖收發(fā)器,再通過已有的光纖連接至海洋站值班辦公室防火墻上。供電方面,均使用已有電路,接入至站上生活電網(wǎng)。

圖2 左圖為千里巖站俯瞰圖，圖中左上為觀測(cè)場(chǎng)鐵塔，中下部為地震房；右圖為CPE客戶端和云臺(tái)攝像機(jī)

室外CPE采用垂直設(shè)計(jì),滿足遠(yuǎn)距離,弱信號(hào)條件下的安裝,并提供WIFI的功能,能將LTE信號(hào)轉(zhuǎn)化為WIFI信號(hào)。工作頻率范圍1 785～1 805 MHz,帶寬20 MHz,1T2R雙收單發(fā)技術(shù),工作功率20 W。

圖3 室外CPE終端外觀

4.2 南黃島設(shè)備建設(shè)

根據(jù)南黃島的位置、地形和島上的基礎(chǔ)設(shè)施等實(shí)際情況,在南黃島測(cè)風(fēng)塔塔頂安裝1.8G一體化外掛基站。鏈路和供電方面,基站通過網(wǎng)線和電線直連至南黃島值班室。

基站主要由基帶控制單元 (BBU)和遠(yuǎn)端射頻單元 (RRU)組成,工作頻率范圍1 785～1 805 MHz,帶寬20 MHz,2T2R雙收雙發(fā)技術(shù),工作功率200 W。

4.3 千里巖島至南黃島無線通信建設(shè)

南黃島測(cè)風(fēng)塔至千里巖島氣象觀測(cè)場(chǎng)直線距離為54 km,接近南黃島基站的理論視距54.52 km的邊緣,但實(shí)際上由于兩地之間無任何阻擋,基站采用大功率小發(fā)射角和2T2R技術(shù),加上海表的信號(hào)反射,南黃島基站的覆蓋范圍要大于理論值,實(shí)際使用過程良好的信號(hào)強(qiáng)度也表明兩地之前的距離在基站的有效覆蓋內(nèi)。

圖4 中心偏左圓柱體建筑物為測(cè)風(fēng)塔，中心右下方綠色方形處為南黃島值班室

圖5 1.8G一體化外掛基站外觀

圖6 千里巖島-南黃島距離示意圖

圖7 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

因?yàn)榭紤]到網(wǎng)絡(luò)安全原因,分別在千里巖島值班室和南黃島值班室安裝部署深信服防火墻各一臺(tái),建立VPN隧道,用于傳輸千里巖海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和海況視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),互聯(lián)網(wǎng)則是通過多個(gè)NAT地址轉(zhuǎn)換連接至南黃島通信基站,再連接至值班室防火墻,雖共享兩個(gè)硬件設(shè)備,但均使用的是不同的端口且端口之間存在隔離。

4.4 南黃島至北海預(yù)報(bào)中心通信建設(shè)

分別在南黃島值班室房頂和掛子場(chǎng)碼頭預(yù)報(bào)中心自留地10 m高度的鐵塔搭建5G和2.4G無線網(wǎng)橋,新建掛子場(chǎng)碼頭自留地至北海預(yù)報(bào)中心的聯(lián)通6 M MSTP專線,與5G網(wǎng)橋直連,用于海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和海況視頻監(jiān)控的傳輸,2.4G網(wǎng)橋與當(dāng)?shù)氐穆?lián)通節(jié)點(diǎn)直連,靜態(tài)IP登錄,用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)于2016年12月完成安裝調(diào)試,并于當(dāng)月進(jìn)入試運(yùn)行階段。表1為試運(yùn)行前后6個(gè)月的氣象水文觀測(cè)數(shù)據(jù)到報(bào)率對(duì)比。由此表中2016年的到報(bào)率可以看出,在該系統(tǒng)建成前,觀測(cè)數(shù)據(jù)的到報(bào)率已經(jīng)很高,這是因?yàn)槟壳扒Ю飵r海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站所使用的的數(shù)據(jù)傳輸軟件具有數(shù)據(jù)續(xù)傳功能,即通信鏈路中斷后觀測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至工控機(jī),待通信鏈路恢復(fù)后補(bǔ)發(fā)中斷期間的數(shù)據(jù)。這種傳輸方式可以保證數(shù)據(jù)到報(bào)率一直處于較高水平,但因?yàn)橥ㄐ沛溌穫鬏斮|(zhì)量問題導(dǎo)致的報(bào)文丟失這種低概率事件仍無法避免。由此表中2017年的到報(bào)率可以看出,該系統(tǒng)建成運(yùn)行后,數(shù)據(jù)到報(bào)率仍處于較高水平,且相較于建成之前有了小幅度的提升。

表1 2016年6-11月與2017年1-6月海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)到報(bào)率

圖8和圖9為千里巖海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站海況視頻監(jiān)控的效果截圖,兩圖分別為綠潮和海浪的抓拍,這些視頻不管是對(duì)于目前的離岸觀測(cè),還是相關(guān)的科學(xué)研究工作,都具有十分重要的參考意義。圖10為地波雷達(dá)的安裝調(diào)試圖,該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)傳輸海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和海況監(jiān)控視頻,同時(shí)可以用于地波雷達(dá)、GNSS和其他海洋觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

圖8 海況視頻監(jiān)控綠潮效果圖

圖9 海況視頻監(jiān)控海浪效果圖

圖10 地波雷達(dá)天線和主機(jī)

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)首次在離岸、無信號(hào)的海島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站開展超遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)研究和示范站點(diǎn)建設(shè)。系統(tǒng)建成后,海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分鐘報(bào)文報(bào)到率達(dá)到99.5%以上,視頻在線率98%以上,解決了海島實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、視頻圖像帶寬的通信問題,為我國(guó)海島通信建設(shè)提供示范。但目前該系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性受天氣影響較大,特別是位于千里巖島和南黃島中間的海域出現(xiàn)雷雨或大雪天氣時(shí),信噪比會(huì)顯著增高,傳輸質(zhì)量明顯下降,因此仍需尋找新的技術(shù)手段解決此問題。