5G網(wǎng)絡(luò)海面超遠(yuǎn)覆蓋技術(shù)分析及應(yīng)用

馬 丹，牟 軍，馬云剛，馬廣輝（.中國聯(lián)通山東分公司，山東 濟(jì)南 5000；.中國聯(lián)通日照分公司，山東 日照 76800；.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東濟(jì)南 5000；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 50007）

1 5G超遠(yuǎn)覆蓋方案背景

5G超遠(yuǎn)覆蓋是指在海面、大草原、沙漠等廣大、開闊特殊地區(qū)，實現(xiàn)超過普通宏站的5G大范圍覆蓋。從技術(shù)層面來說，超遠(yuǎn)覆蓋技術(shù)對于海面、草原、沙漠都是適用的，只是對于海面、草原、沙漠場景來說，不同的地形地貌對于無線信號的傳播模型存在影響，存在細(xì)微差異但不影響超遠(yuǎn)覆蓋方案。

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)迅速壯大，海域數(shù)據(jù)通信需求日益增多。除近海存在輪渡、旅游、水上閉塞項目等通信需求外，還有海水養(yǎng)殖、漁政、海面搜救、海巡、緝私等更遠(yuǎn)距離專用無線數(shù)據(jù)通信的需求。傳統(tǒng)海域通信采用衛(wèi)星通信服務(wù)，資費昂貴。海面5G超遠(yuǎn)覆蓋的應(yīng)用，可以保障漁民生活和生產(chǎn)勞動通信，為海洋漁業(yè)和港口作業(yè)提供高質(zhì)量的5G 服務(wù)，解決了海域衛(wèi)星通信服務(wù)單一、資費昂貴等問題，推進(jìn)信息技術(shù)與海洋經(jīng)濟(jì)深度融合。某省聯(lián)通一直致力于海洋等環(huán)境超遠(yuǎn)覆蓋的研究，并獲取了大量的實際海測數(shù)據(jù)，對海洋覆蓋模型進(jìn)行了修正，建立了相應(yīng)的海洋覆蓋模型庫，積累了豐富的規(guī)劃優(yōu)化經(jīng)驗。

本文介紹了5G 海面超遠(yuǎn)覆蓋方案的實現(xiàn)原理及關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合某市的覆蓋案例進(jìn)行驗證，驗證了5G 海面超遠(yuǎn)覆蓋方案的可行性，為后續(xù)進(jìn)行5G 海面超遠(yuǎn)覆蓋的商用部署提供了技術(shù)支撐。

2 5G超遠(yuǎn)覆蓋方案技術(shù)簡介

超遠(yuǎn)覆蓋是以最少的站點達(dá)到最大的覆蓋距離，在滿足邊遠(yuǎn)用戶數(shù)據(jù)通信需求的同時大幅節(jié)省投資成本。從實現(xiàn)上來說，需要多種手段配合來實現(xiàn)超遠(yuǎn)覆蓋。

2.1 頻段選擇

對5G超遠(yuǎn)覆蓋中的頻段選擇進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖1 所示。在自由空間場景下，以700 MHz 為基準(zhǔn)，2.1 GHz 較700 MHz 的路損增加9.5 dB 左右，2.6 GHz 較700 MHz 的路損增加11.4 dB 左右，3.5 GHz 較700 MHz 的路損增加14 dB 左右。不同的路徑損耗斜率對路損影響也較大。頻段越高路損越大，因此700 MHz 是超遠(yuǎn)覆蓋的最佳頻段選擇。針對中國聯(lián)通的頻率資源現(xiàn)狀，在使用2 100 MHz 頻段進(jìn)行超遠(yuǎn)覆蓋時，建議采用高增益天線。

圖1 不同頻段相對于700 MHz的路損差值

2.2 站址選擇

海面?zhèn)鞑ヌ匦詻Q定了海面?zhèn)鞑ツＰ偷臐u變特征，對應(yīng)三段式傳播模型。如圖2 所示。從A 段到B 段再到C 段，信號衰減速度逐步加快。建議系統(tǒng)工作在A段或B 段，避免工作在C 段。在超遠(yuǎn)覆蓋區(qū)域，通過傳播模型的分析可知，在地球曲率影響下，終端一旦進(jìn)入阻擋陰面路損會迅速增大，基本上很快就無法進(jìn)行通信。因此即使超遠(yuǎn)覆蓋也需要在視距范圍內(nèi)通信。

圖2 海洋超遠(yuǎn)覆蓋無線傳播特性及海面?zhèn)鞑ツＰ?/p>

根據(jù)傳播模型理論可知：

式中：

Ht——基站天線掛高

Hr——移動臺高度

R0——地球半徑

地球半徑取6 370 km，對式（1）化簡可得：

由此可見，可視距離與基站天線高度和終端天線高度有關(guān)。站址選擇時需要保證天線掛高與覆蓋目標(biāo)之間有良好的無線傳播環(huán)境；即“站的高看的遠(yuǎn)”，一般來說，遵循下面幾個原則。

a）如果要求基站覆蓋半徑在30 km 左右，通常選擇在比較平坦的地點建立鐵塔，塔高一般在50 m 左右。

b）如果要求基站覆蓋半徑在45～70 km 的范圍，通常選擇在比較高的山丘、沿海邊山頂?shù)牡胤浇㈣F塔，高度在100～200 m不等。

c）如果要求基站覆蓋半徑在70 km 以上，通常站高選擇在200 m以上，需要借助山體、熱氣球等。

視距能力理論計算如表1所示。

表1 視距能力理論計算

2.3 天線選型及組網(wǎng)

在5G超遠(yuǎn)覆蓋方案中，天線選用原則如下。

a）推薦垂直單極化天線，垂直極化方式不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。由于垂直于地面的手機(jī)更容易與垂直極化信號匹配，所以也有利于地面上手機(jī)天線接收。

b）對于近海海域覆蓋可以根據(jù)目標(biāo)覆蓋區(qū)域分布情況選擇水平面半功率角為120°或65°的高增益天線。對于遠(yuǎn)海海域覆蓋場景，通常建議選擇65°高增益天線。

c）天線型號選擇時，需要選擇具有良好零點填充和上副瓣抑制的天線，以避免嚴(yán)重的“塔下黑”問題。

d）在海面超遠(yuǎn)覆蓋場景下，F(xiàn)DD NR 建議使用4天線設(shè)備組網(wǎng)，以增強(qiáng)基站覆蓋能力；TDD NR 建議使用8天線設(shè)備組網(wǎng)，以增強(qiáng)基站覆蓋能力。

天線傾角設(shè)置建議如下。

a）要確保能夠覆蓋到遠(yuǎn)端目標(biāo)區(qū)域；同時對于超高站，可通過設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娤聝A和機(jī)械下傾來調(diào)整近端覆蓋。

b）海域、沙漠等區(qū)域可能存在強(qiáng)風(fēng)，應(yīng)盡量選擇表面積小的天線。

現(xiàn)在一般使用的相控陣天線是利用接收端的移相單元實現(xiàn)對來自特定方向上信號的提取。但在通信鏈路建立之前，需要首先確定發(fā)射信號的方位角，并且根據(jù)這個設(shè)定移相器的參數(shù)，再對信號進(jìn)行接收，這個在實際通信環(huán)境，特別是信道變化特別快的情況下，會帶來顯著的時延。目前有一種新型龍勃透鏡天線，顧名思義它可以像光學(xué)透鏡一樣實現(xiàn)對信號的聚焦（通過相控陣來實現(xiàn)）（見圖3）。這個過程中不需要移相，信號會在接收天線陣列上某個單元實現(xiàn)相干疊加完成相控陣的任務(wù)。這樣可以大大簡化信號估計過程中的算法復(fù)雜度，降低時延。它可以將入射的特定波長的電磁波匯聚到球面上的某一個點，同樣它也可以將電磁波沿著原方向反射回去。

圖3 新型龍勃透鏡天線波束示意圖

相同增益下龍勃透鏡天線比平板天線的垂直面更寬，水平波束更窄，天線增益更大，更適用于帶狀覆蓋（比如航線），在組網(wǎng)上更有優(yōu)勢，節(jié)約站點資源。它還具有重量輕、增益高、波束指向性好、旁瓣抑制高等特性，且能顯著降低風(fēng)阻。

2.4 基站功率及配置建議

建議基站下行采用大功率RRU 設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，可從根本上提升信號的功率，經(jīng)過同樣的空間衰耗，終端（終端發(fā)射功率一般23～26 dBm）的接收功率會相應(yīng)增加，從而能夠達(dá)到增加下行覆蓋的目的。一般建議采用通道功率為80 W 的設(shè)備。在5G 超遠(yuǎn)覆蓋方案中，基站建議配置塔頂放大器（Tower Mounted Amplifier，TMA）。移動通信系統(tǒng)中，基站RRU 和天線之間的饋線距離過長，為了保障整個基站的接收靈敏度，在基站RRU 和天線之間增加TMA 來彌補(bǔ)饋線損耗，系統(tǒng)上行的噪聲系數(shù)會得到較好的改善。如果站點鐵塔條件允許，RRU可以上塔安裝，僅使用2～3 m的跳線和天線對接，這種情況下可以不配置TMA設(shè)備。

2.5 PRACH格式和Ncs配置選擇

在5G 系統(tǒng)中，為了保證上行信號傳輸正交性，避免小區(qū)內(nèi)干擾，基站要求來自同一子幀但不同頻域資源的不同UE 的信號到達(dá)基站的時間基本上對齊。因此，終端需要在接收到下行同步后提前發(fā)送上行數(shù)據(jù)，時間提前量（TA）為2倍單向時延，如圖4所示。上行時間提前量是通過隨機(jī)接入過程獲取，理論上只要有上行數(shù)據(jù)就可以獲取TA。在5G 網(wǎng)絡(luò)部署時，需根據(jù)覆蓋范圍選擇適當(dāng)?shù)腜RACH格式。

針對線性不一致等式系統(tǒng)Ax=b+w,Eldar等人同樣證明了基于隨機(jī)遍歷的Kaczmarz迭代算法具有指數(shù)收斂率[11],即

圖4 無線信號空口時延調(diào)整及超遠(yuǎn)覆蓋距離計算

NR/LTE系統(tǒng)為了對抗多徑干擾，保證子載波間正交性，避免符號間干擾，引入了循環(huán)前綴（CP）；因此，基站在CP范圍內(nèi)接收到UE所發(fā)送的上行數(shù)據(jù)能夠正確地解碼上行數(shù)據(jù)，即可以容忍一定的時延，這個時延乘以光速就是UE 到基站的最大距離的2 倍（見圖4），所以可以看出通過這種方式，只要容忍的時延越大，基站能覆蓋的距離就越遠(yuǎn)。

由于終端的移動使得終端和網(wǎng)絡(luò)之間的距離是不確定的，所以如果終端需要發(fā)送消息到網(wǎng)絡(luò)，則必須實時進(jìn)行上行同步的維持管理。PRACH 的目的就是要達(dá)到上行同步，建立和網(wǎng)絡(luò)上行同步關(guān)系以及請求網(wǎng)絡(luò)分配給終端專用資源進(jìn)行正常的業(yè)務(wù)傳輸。

協(xié)議中規(guī)定了多種PRACH 格式，如圖5 所示的長序列格式。其中CP 表示循環(huán)前綴，SEQ 表示前導(dǎo)序列，即PRACH發(fā)送內(nèi)容，GP是保護(hù)間隔。

圖5 PRACH格式與最大小區(qū)半徑關(guān)系

對于同一個前導(dǎo)，不同格式間主要差異為：

a）時域長度不同：1 ms、3 ms、3.5 ms。

b）CP、GP長度不同。

可以看出，PRACH 的Format 1 的CP 長度和GP 長度最長，因此其覆蓋距離也就越遠(yuǎn)，小區(qū)半徑=min（CP，GP）；根據(jù)圖4，PRACH 的Format 1 支持的半徑計算如下：（其中480 代表子載波間隔為480 kHz，4 096代表FFT點數(shù)，NR上報TA=64Ts）

CP長度決定的小區(qū)半徑：

先計算容忍的最大時延為：21 240×64×［1（/480×4 096）］=684.9 μs，所以CP 長度決定的小區(qū)半徑=（0.3×684.9）/2=102.7 km。

GP長度決定的小區(qū)半徑：

先計算容忍的最大時延為：21 984×64×［1（/480×4 096）］=715.6 μs，所以GP 長度決定的小區(qū)半徑=（0.3×715.6）/2=107.3 km。

因此，通過計算可得知，PRACH Format 1 最大支持半徑為102.7 km。

另外，PRACH 參數(shù)的規(guī)劃中還有一個比較重要的是：根據(jù)小區(qū)規(guī)劃半徑來確定Ncs值，然后確定每個小區(qū)需要多少個ZC 根序列。Preamble 信號就是由ZC 根序列通過循環(huán)移位來產(chǎn)生的，移位的多少就是通過Ncs 的值來確定。需要強(qiáng)調(diào)的是，ZC 根序列是一個循環(huán)序列，其長度為839 位，不同移位后產(chǎn)生的Preamble是相互正交的，這就意味著即使UE 使用不同的Peamble 同時接入網(wǎng)絡(luò)，也能被基站分辨出來。Ncs 循環(huán)移位參數(shù)與最大小區(qū)半徑的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示，從表2 可以看出，不同的Ncs 配置支持的小區(qū)半徑也不同，若需要最大小區(qū)半徑，需要Ncs配置為0。

表2 Ncs循環(huán)移位參數(shù)與最大小區(qū)半徑

通過Ncs值來確定小區(qū)半徑：假設(shè)Ncs=11，Value=93，那么839/93=9，代表一個根序列可以生成9 個Preamble ID；那么64 Preamble ID 需要通過8 個序列循環(huán)移位生成（見圖6）。

圖6 根序列及檢測示意

基站將接收到的PRACH 數(shù)據(jù)與根序列逐個進(jìn)行相關(guān)運算，在某一個Ncs窗口內(nèi)檢測到相關(guān)峰后，則即檢測到Preamble ID，相關(guān)峰與窗口起始位置的長度即為TA 值，因此可以看到Ncs Value 的長度即為檢測到的TA最大值，也即決定了小區(qū)半徑。

下面分別針對FDD NR 和TDD NR 來分析小區(qū)覆蓋半徑的最大支持情況。

針對FDD NR，小區(qū)覆蓋半徑需要綜合多個因素：

a）PRACH格式：循環(huán)前綴（CP）、保護(hù)帶（GP）。

b）Ncs配置：Ncs不同支持的小區(qū)半徑不同。

即：小區(qū)半徑=min（CP，GP，Ncs）；因此，從前述信息可以看到，要支持超遠(yuǎn)覆蓋需要支持PRACH Format 1格式，且最大覆蓋距離為102.7 km。

如圖7 所示，2.5 ms 雙周期幀結(jié)構(gòu)，每5 ms 里面包含5 個全下行時隙、3 個全上行時隙和2 個特殊時隙。Slot3 和slot7 等為特殊時隙，配比為10：2：2（可調(diào)整）。所以對于TDD NR，由于存在上下行的轉(zhuǎn)換，因此還需要考慮上下行轉(zhuǎn)換保護(hù)間隔GP，即：小區(qū)半徑=min（CP，GP，Ncs，上下行轉(zhuǎn)換保護(hù)間隔GP）。

圖7 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)

從PRACH Format 1 格式可知，其在時域上持續(xù)時間為3 ms，而TDD NR每個Slot為0.5 ms，若TDD NR支持PRACH Format 1 需要連續(xù)6 個上行Slot，對于大多數(shù)應(yīng)用場景，這樣會犧牲用戶下行體驗，因此TDD NR當(dāng)前暫不支持100 km超遠(yuǎn)覆蓋，當(dāng)前PRACH Format 0最大僅能支持15 km，后續(xù)會考慮通過算法優(yōu)化等方案實現(xiàn)大于15 km的可能性。

2.6 技術(shù)原理總結(jié)

通過上面的超遠(yuǎn)覆蓋原理介紹可知，要實現(xiàn)超遠(yuǎn)覆蓋需要多種手段一起配合來實現(xiàn)。

a）盡量選擇低頻段。頻段越高，路損增加越大。

b）合理選擇站址。盡量提高基站天線高度，同時終端高度也盡量提高。

c）天線選型建議使用高增益天線。比如在線狀覆蓋時使用龍勃透鏡天線，相較普通板狀天線，龍勃透鏡天線的主要性能表現(xiàn)更勝一籌。

d）建議使用大功率多通道產(chǎn)品來增強(qiáng)基站覆蓋能力。如果基站RRU 和天線之間的饋線距離過長，建議基站配置塔放。

e）要根據(jù)不同的場景，選擇合適的PRACH 格式及Ncs 配置，因為PRACH 格式和Ncs 配置共同決定了小區(qū)半徑大小。

3 某市海面5G超遠(yuǎn)覆蓋測試驗證

為了驗證5G海面超遠(yuǎn)覆蓋的實際效果，某省聯(lián)通在海洋發(fā)展局的大力支持下選擇了在沿海海拔較高位置使用2.1 GHz NR 基站對海面進(jìn)行了超遠(yuǎn)覆蓋測試。實際測試驗證了此種條件下覆蓋性能的連續(xù)性和穩(wěn)定性以及覆蓋距離、業(yè)務(wù)距離。這為后續(xù)海面5G超遠(yuǎn)距離覆蓋商用實施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.1 測試站點及測試設(shè)備情況

本次測試站點是位于海岸邊，山丘海拔70 m，天線懸高35 m，海拔高度105 m。站點經(jīng)度為xx.xxx，緯度為xx.xxx，下傾角為0°，方位角為100°，朝向海面覆蓋。

測試設(shè)備包括鼎力狗、3 套GPS、多部商用終端AXON 10S Pro、防水用具、塑料支桿、3 m 數(shù)據(jù)線、測試船（測試時人和電腦在2 層甲板，手機(jī)固定在2 層船頭的燈桿上）。

3.2 測試結(jié)果

本次在船舶行進(jìn)的過程中，做了基于普通商用終端的FTP 數(shù)據(jù)拉遠(yuǎn)測試，測試使用的普通商用終端達(dá)到了100%的接入成功率。本次主要對距離海岸線48 km 處以及極限拉遠(yuǎn)位置做了數(shù)據(jù)測試，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 測試結(jié)果

從圖8 可以看出，在距海岸邊48 km 處仍然能達(dá)到91.8 Mbit/s的數(shù)據(jù)下載速率；在極限拉遠(yuǎn)位置54 km處，也仍然能達(dá)到2.21 Mbit/s的下載速率。

在測試行進(jìn)過程中也多次做了視頻通話驗證，視頻通話順暢無卡頓，用戶體驗良好。

4 結(jié)束語

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，5G 信號在城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村的覆蓋都在不斷完善，海面覆蓋如海島旅游、海洋漁業(yè)等人員的5G 覆蓋需求也越來越迫切。本文對5G海面超遠(yuǎn)覆蓋關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分析，并在某市開展了5G海面超遠(yuǎn)覆蓋的實際驗證測試，為海面超遠(yuǎn)覆蓋提供了有效的支撐。某省聯(lián)通愿與合作伙伴一起充分共享優(yōu)勢資源共建“智慧海洋”，加快在諸如智能船舶等各方面的智能化，一起利用5G為國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略添磚加瓦。