多載波匯聚技術(shù)在超長(zhǎng)距離海陸微波上的應(yīng)用

楊晉寧， 車(chē)永輝， 許 賀

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518067）

我國(guó)的海洋油氣資源儲(chǔ)量豐富，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供重要的能源保障。而那些遠(yuǎn)離陸地的海上油氣田由于其所處地理環(huán)境的特殊性，無(wú)法使用任何運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)資源，其與陸地間的通信只能依靠海事衛(wèi)星系統(tǒng)或超長(zhǎng)距離海陸微波系統(tǒng)。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多傳統(tǒng)通信技術(shù)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后被用于海上油氣田。現(xiàn)階段，各海上油氣田已經(jīng)由海事衛(wèi)星、超長(zhǎng)距離微波等傳統(tǒng)通信手段聯(lián)合組建起計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，為海上設(shè)施上的用戶(hù)提供了互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)、生產(chǎn)和生活數(shù)據(jù)的采集與傳輸、CCTV 監(jiān)控視頻傳輸、海上人員和設(shè)施安全保障等多種通信服務(wù)。但隨著傳輸回陸地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)越來(lái)越多，需要以高質(zhì)量的基礎(chǔ)通信作為保障成為了最迫切的需求。

1 傳統(tǒng)超長(zhǎng)距離海陸微波系統(tǒng)

1.1 超遠(yuǎn)距離對(duì)傳統(tǒng)微波系統(tǒng)的影響

電磁波傳輸時(shí)總是以自由空間傳播模型為參考，預(yù)測(cè)當(dāng)收發(fā)機(jī)之間沒(méi)有任何阻擋時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度。自由空間是指一種均勻的、理想的、各向同性的介質(zhì)空間，此時(shí)不考慮反射、折射、吸收、散射和熱損耗等影響因素[1]。在自由空間中，收發(fā)機(jī)之間的距離為d，接收機(jī)處的接收功率可以由弗里斯（Friis）傳輸公式[2-3]表示為：

式中：Pr是發(fā)射功率；Gt是發(fā)射天線(xiàn)增益；Gr是接收天線(xiàn)增益；λ是波長(zhǎng)；L是系統(tǒng)損耗因子，當(dāng)L=1 時(shí)，表示系統(tǒng)無(wú)損耗。

根據(jù)公式（1），同時(shí)考慮收發(fā)天線(xiàn)增益時(shí)，自由空間路徑損耗（Free Space Path Loss, FSPL）模型可表示為：

即：

式中：f是頻率，單位為MHz；d是收發(fā)機(jī)之間的距離，單位為km。

從式（3）可看出，收發(fā)機(jī)之間的距離d越大，自由空間路徑損耗就越大，故超遠(yuǎn)距離海陸微波鏈路的空間損耗受鏈路長(zhǎng)度影響較大。

1.2 多徑衰落的影響

由于海陸通信所處環(huán)境的復(fù)雜性，傳輸信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)不僅有發(fā)射端發(fā)射的直射信號(hào)，還有信號(hào)傳輸過(guò)程中，經(jīng)過(guò)其他物體的反射、折射、繞射后到達(dá)接收端的不同路徑信號(hào)。這些信號(hào)由于多路傳輸之間存在不同的時(shí)延，進(jìn)而造成了接收時(shí)間與相位存在很大的不同，這樣接收端接收到的信號(hào)就是多個(gè)信號(hào)的疊加產(chǎn)物，如果同相疊加會(huì)使得信號(hào)增強(qiáng)，反相疊加又會(huì)使得信號(hào)減弱，這就是多徑衰落[4]。多徑效應(yīng)和衰落造成接收端信號(hào)電平起伏不定，使得接收信號(hào)具有隨機(jī)波動(dòng)性，嚴(yán)重時(shí)甚至將影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量[5-6]。

多徑效應(yīng)和衰落極大地影響了超遠(yuǎn)距離微波系統(tǒng)的性能，使得傳統(tǒng)的超遠(yuǎn)距離微波系統(tǒng)可用性無(wú)法得到有效保障。通過(guò)近幾年海上設(shè)施的實(shí)際使用統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)微波和衛(wèi)星通信鏈路年度可用率不到95%；春夏交接時(shí)，多徑效應(yīng)和衰落更盛，通信鏈路的可用率甚至低于90%，應(yīng)用效果無(wú)法保障。

所以，傳統(tǒng)的海陸通信能力已經(jīng)成為制約海上油氣田開(kāi)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展工作的瓶頸，在此背景下，本文提出一種基于多載波物理層鏈路匯聚自適應(yīng)帶寬控制技術(shù)（MC-ABC）的微波系統(tǒng)。

2 基于MC-ABC 技術(shù)的超遠(yuǎn)距離海陸微波系統(tǒng)

2.1 多載波聚合技術(shù)

多載波聚合技術(shù)就是通過(guò)聚合方式把兩個(gè)或者多個(gè)基本的載波（Component Carrier, CC）聚合成一個(gè)較大的帶寬，以便支持高速數(shù)據(jù)傳輸[7]。載波聚合分為帶內(nèi)連續(xù)、帶內(nèi)非連續(xù)和帶間不連續(xù)三種組合方式，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度依次增加，如圖1 所示。

圖1 載波聚合的方式

在多載波聚合技術(shù)的各類(lèi)使用場(chǎng)景中，MAC 層聚合更有利于多載波聚合技術(shù)的發(fā)展[8-9]，而本文提出的基于多載波物理層鏈路匯聚自適應(yīng)帶寬控制技術(shù)（MCABC）的微波系統(tǒng)正是在這種理論指導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)的。該微波系統(tǒng)將多個(gè)射頻載波聚合創(chuàng)建成一個(gè)邏輯通道，使數(shù)據(jù)流優(yōu)化地分配到所有的載波中，實(shí)現(xiàn)與MAC 地址或業(yè)務(wù)流無(wú)關(guān)的負(fù)載均衡，優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳輸能力，較以往海洋石油行業(yè)使用的海陸微波在以太網(wǎng)鏈路層進(jìn)行聚合的模式相比，容量和帶寬控制效率都得到一定的提高。同時(shí)，針對(duì)海洋環(huán)境多變引起傳輸信道變化，該系統(tǒng)具備自適應(yīng)調(diào)制方式，每個(gè)載波的調(diào)制方式可以進(jìn)行獨(dú)立、無(wú)損的切換，在固定的帶寬上提高了傳輸容量和效率，同時(shí)在各個(gè)載波上仍然能實(shí)現(xiàn)最大化頻譜效率。

多載波聚合由于直接聚合多個(gè)基本載波，復(fù)用已有的系統(tǒng)頻帶資源，使得該技術(shù)大大提高了帶寬使用效率和頻譜資源的利用率，并且提升上下行速率。下行N個(gè)載波聚合的最大吞吐率計(jì)算公式[10-11]如下所示：

通過(guò)式（4）可知，聚合的載波個(gè)數(shù)、小區(qū)的層數(shù)、小區(qū)的最大調(diào)制方式、小區(qū)的最大帶寬與下行最大速率成正比，而MC-ABC 超遠(yuǎn)距離海陸微波系統(tǒng)的調(diào)制方式范圍可支持QPSK 至4 096QAM 調(diào)制模式。以后面實(shí)際測(cè)試中選取的FR2 120 kHz 子載波間隔的8 載波和64QAM 調(diào)制模式為例，當(dāng)最大帶寬為100 Mb/s 時(shí)，下行最大速率可達(dá)2.1 Gb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的各類(lèi)海陸通信方式。根據(jù)式（4），如果提高調(diào)制模式，下行速率還有更大的提高空間。

2.2 MC-ABC 超遠(yuǎn)距離海陸微波系統(tǒng)

MC-ABC 超遠(yuǎn)距離海陸微波系統(tǒng)適用于長(zhǎng)距離、大容量計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)支持載波鏈路匯聚，更加有效地利用頻譜資源傳送更大的容量，同時(shí)也提高了鏈路的可靠性。該系統(tǒng)還能提供高度模塊化且靈活配置的架構(gòu)，針對(duì)多載波和匯聚站點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，是結(jié)構(gòu)緊湊且具備很強(qiáng)擴(kuò)展性的系統(tǒng)。

系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：

1） 高發(fā)射功率，最大傳輸功率可達(dá)38 dBm，提高發(fā)射功率和采用高增益天線(xiàn)可提高接收信號(hào)電平，減弱海面反射的影響。

2） 采用非常低損耗的分路系統(tǒng)來(lái)提高多載波系統(tǒng)的系統(tǒng)增益。同時(shí)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可在線(xiàn)增加載波，擴(kuò)展系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行的設(shè)備幾乎沒(méi)有影響。

3） 支持中頻合成的空間分集，更好地對(duì)抗多徑衰落。

4） 支持QPSK 至4 096QAM 及全范圍無(wú)誤碼切換的自適應(yīng)編碼調(diào)制，采用不同的調(diào)制方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不同的影響。

5） 支持幀頭去重復(fù)技術(shù)，對(duì)小尺寸的以太網(wǎng)幀能大幅地提高傳輸容量，更好地利用頻譜資源。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 鏈路設(shè)計(jì)仿真

陸地與海洋各選取一點(diǎn)，通信距離為152 km，A 站海拔高度為910 m，配置2 副2.4 m 天線(xiàn)，B 站為海拔高度為0 m，2副1.8 m天線(xiàn)，最大障礙物海拔高度為580 m，距離A 站20 km。系統(tǒng)連接示意圖如圖2 所示。仿真環(huán)境設(shè)置如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)連接示意圖

圖3 仿真環(huán)境設(shè)置

使用MC-ABC 微波系統(tǒng)所附的仿真軟件進(jìn)行仿真，得到圖4 的結(jié)果。其中TX power 為發(fā)射功率；RX threshold level 為 接 收 門(mén) 限；EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）；Total annual 為鏈路全年可用率，其單位為百分比。

圖4 仿真結(jié)果

由圖4 中可以看出：

1） 當(dāng)調(diào)制方式選擇為64QAM，帶寬為182～223 Mb/s，發(fā)射功率到達(dá)36 dBm 時(shí)，接收門(mén)限為-69.45 dBm，接收信號(hào)電平為-43.93 dBm，鏈路全年可用率達(dá)96.276%；

2） 當(dāng)調(diào)制方式選擇為32QAM，帶寬為153～188 Mb/s，發(fā)射功率到達(dá)37 dBm 時(shí)，接收門(mén)限-72.55 dBm，接收信號(hào)電平為-42.93 dBm，鏈路全年可用率達(dá)99.128 6%；

3） 當(dāng)調(diào)制方式選擇為16QAM，帶寬為115～140 Mb/s，發(fā)射功率到達(dá)37 dBm 時(shí)，接收門(mén)限-75.95 dBm，接收信號(hào)電平為-42.93 dBm，鏈路全年可用率達(dá)99.817 9%。

由此次仿真可證明：在A 站天線(xiàn)海拔高度910 m，B 站天線(xiàn)海拔高度為0 m，AB 兩站通信距離152 km 時(shí)，MC-ABC 微波系統(tǒng)發(fā)射功率到達(dá)36 dBm，調(diào)制方式選擇64QAM，帶寬保持在182～223 Mb/s 時(shí)，全年可用率可達(dá)96.276%，該鏈路完全滿(mǎn)足海陸通信的要求。

3.2 實(shí)地測(cè)試環(huán)境搭建

1） 兩個(gè)通信站點(diǎn)相距151 km，天線(xiàn)安裝完成后如圖5 所示。

圖5 海陸天線(xiàn)安裝

陸地站點(diǎn)：海拔高度約930 m，測(cè)試天線(xiàn)安裝高度2 m，設(shè)備IP 地址設(shè)置為192.168.1.11；

海上站點(diǎn)：海拔高度0 m，天線(xiàn)安裝高度45 m，設(shè)備IP 地址設(shè)置為192.168.1.10。

2） 測(cè)試工具是便攜式計(jì)算機(jī)4 臺(tái)；測(cè)試軟件為帶寬測(cè)試軟件。

3） 測(cè)試方法為：本次測(cè)試使用高增益天線(xiàn)，設(shè)備調(diào)制方式選擇64QAM 模式64QAM 調(diào)制技術(shù)，同時(shí)分別在陸地和海上相互拼對(duì)端數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)多日的拼包測(cè)試后，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 ping 包測(cè)試界面

圖中：鏈路帶寬是雙向帶寬，約為328 Mb/s； 接收電平值約為-50 dBm，電平冗余約為18 dBm，電平余量滿(mǎn)足跨海鏈路要求；Ping 包鏈路平均延時(shí)2 ms，無(wú)丟包情況，證明鏈路穩(wěn)定、可靠。

本次測(cè)試期間，海上處于大霧天氣，鏈路穩(wěn)定可靠，達(dá)到99%以上的可用性；同時(shí)，本鏈路支持自適應(yīng)調(diào)制模式，在低調(diào)制模式下，鏈路可達(dá)99.9%以上的可用性。

使用MC-ABC 微波系統(tǒng)專(zhuān)用的軟件系統(tǒng)測(cè)試實(shí)時(shí)接收電平，如圖7 所示。

圖7 實(shí)時(shí)鏈路狀態(tài)測(cè)試

其中Max RSL為最大接收電平；Min RSL為最小接收電平；接收門(mén)限1（RX Level Threshold1）值為-50 dBm；接收門(mén)限2（RX Level Threshold2）值為-68 dBm。

隨機(jī)選取一天，每15 min 測(cè)試一次最大接收電平和最小接收電平，最終結(jié)果顯示：

1） 最大接收電平有84 次超過(guò)了接收門(mén)限1，僅有12 次處在大于-60 dBm 而小于-50 dBm 的區(qū)域；

2） 最小接收電平基本上是在接收門(mén)限2 附近，僅有少數(shù)幾次處在大于-80 dBm 而小于-68 dBm 的區(qū)域。

根據(jù)以上測(cè)試可知，MC-ABC 微波系統(tǒng)在海陸超遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，鏈路穩(wěn)定可靠，達(dá)到99%以上的可用性。同時(shí)，鏈路支持自適應(yīng)調(diào)制模式，即使在低調(diào)制模式下，鏈路也可達(dá)較高的可用性。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于MC-ABC 技術(shù)的超遠(yuǎn)距離海陸微波系統(tǒng)的應(yīng)用，大幅度提升了海陸通信的帶寬和可用性，為數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展相關(guān)工作，以及5G 等技術(shù)在海上的應(yīng)用提供了通信基礎(chǔ)。比較傳統(tǒng)微波通信技術(shù)和散射通信技術(shù)，MC-ABC 超遠(yuǎn)距離海陸微波系統(tǒng)的傳輸能力得到提升，具有傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、傳輸帶寬大、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小等特點(diǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果，具有很高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。