5G近海網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)研究

收稿日期：2023-08-10

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.004

摘? 要：針對(duì)近海移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足問題，構(gòu)建源信號(hào)與接收信號(hào)的增強(qiáng)的數(shù)量關(guān)系，針對(duì)海面超遠(yuǎn)覆蓋典型場(chǎng)景，引入最大合并比算法處理龍伯透鏡天線獨(dú)立采集信號(hào)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)所設(shè)計(jì)的信號(hào)增強(qiáng)方法與傳統(tǒng)的信號(hào)增強(qiáng)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過海上航行測(cè)試驗(yàn)證了5G基站近海超遠(yuǎn)距離覆蓋場(chǎng)景下可以獲得遠(yuǎn)距離的覆蓋效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的信號(hào)增強(qiáng)方法能夠有效提升覆蓋水平和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，減少投資，降低建基成本，改善用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：龍伯天線；信號(hào)增強(qiáng)；最大合并比；無線網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN929.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）07-0015-04

Research on 5G Offshore Network Coverage Technology

ZHENG Xiaoyi

（Fuzhou Urban Investment Infrastructure Construction Management Co.， Ltd.， Fuzhou? 350007， China）

Abstract： In view of the insufficient coverage of the offshore mobile network， the enhanced quantitative relationship between the source signal and the received signal is constructed. For the typical scene of ultra long distance coverage over the sea， the MRC algorithm is introduced to process the independent acquisition signal of the Luneburg Lens Antenna and optimize the design. Based on the existing network experiment test， the designed signal enhancement method and the traditional signal enhancement method are tested to verify that the remote coverage effect can be obtained in the offshore ultra long distance coverage scene of the 5G base station. The testing results indicate that the designed signal enhancement method can effectively improve coverage level and network quality， reduce the investment and the foundation building cost， and improve the user experience.

Keywords： Luneburg antenna; signal enhancement; Maximum Ratio Consolidation; wireless network

0? 引? 言

從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)看，海面無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋與陸地上無線覆蓋相比，具有用戶密度低、信道容量需求小、數(shù)據(jù)為主、語音話務(wù)量少等特點(diǎn)，屬于超遠(yuǎn)覆蓋場(chǎng)景中的典型應(yīng)用[1，2]。海面覆蓋只能通過岸基5G基站進(jìn)行覆蓋，信號(hào)經(jīng)過長距離傳輸，極易混雜同頻干擾噪聲，影響用戶接通率和上下行速率[3]。為此，設(shè)計(jì)一種信號(hào)增強(qiáng)方法，提升近?；靖采w能力，對(duì)近海區(qū)域的通信提供技術(shù)保障。

國外在研究基站的邊緣覆蓋的優(yōu)化，解決影響5G覆蓋范圍受限的問題起步比較早，美國運(yùn)營商AT&T很早就試驗(yàn)使用龍伯天線，在遠(yuǎn)距離和極端環(huán)境下壓制噪聲獲取更大的信道容量，國內(nèi)研究信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)稍微晚于國外，研究人員利用龍伯天線接收的多個(gè)衰落信號(hào)加權(quán)組合，結(jié)合最大比合并算法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增強(qiáng)處理，獲得更大的信噪比[4]。通過構(gòu)建多個(gè)的信號(hào)接收方案，得到信道傳輸距離與無線網(wǎng)性能的數(shù)值關(guān)系。綜上可知，通過不同天線方案分析在不顯著增加移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)成本的同時(shí)，提高系統(tǒng)的覆蓋范圍、鏈路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)傳輸速率[5]，從而研究出一種針對(duì)近海覆蓋的信號(hào)增強(qiáng)方法。

1? 近海無線覆蓋信號(hào)增強(qiáng)方法

1.1? 無線信號(hào)的獨(dú)立信噪比分量最大比合并

在移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中，由于不同空間信道間具有相對(duì)獨(dú)立的衰落特性，對(duì)M個(gè)天線分支接收到的信號(hào)，定義每個(gè)分支電壓信號(hào)γi經(jīng)過相位調(diào)整，同相值相加，得到的信號(hào)數(shù)值可表示為：

（1）

其中Gi表示每個(gè)分支增益，假設(shè)分支有相同的噪聲功率N，總的噪聲功率加權(quán)和可以表示為：

（2）

信噪比加權(quán)和可表示為：

（3）

上述計(jì)算得到的分量作為送入檢測(cè)器前信噪比數(shù)值，引入最大合并比[4]，得到信噪比小于某個(gè)特定閾值γ時(shí)，信號(hào)的平均信噪比等于各個(gè)分支的平均信噪比的和，表示為：

（4）

通過線性分析輸出的量化指數(shù)可知，無線信號(hào)經(jīng)過最大比合并算法（MRC）后增益變化可以表示為：

（5）

對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的最大比合并算法，系統(tǒng)將調(diào)制信號(hào)的不同加權(quán)因子反饋到接收端，接收天線端自適應(yīng)地選擇發(fā)射天線的加權(quán)因子對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行處理，使接收信號(hào)功率達(dá)到最大。

1.2? 信號(hào)分量的最大化獲取

透鏡天線是一種高效的天線解決方案，它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束賦形、旁瓣抑制和波束敏捷性。R.K.龍伯在1943年提出一種方法，球面透鏡的球面采用不恒定折射率的材料構(gòu)成，R表示球的半徑，r表示球心到波束的徑向距離，材料的介電常數(shù)εr隨半徑的平方變化[6，7]表示為：

（6）

如今實(shí)際的龍伯透鏡是由一組同心介電層構(gòu)成，從而使得電磁波射線路徑近似理想情況。“龍伯球天線”與傳統(tǒng)大話務(wù)保障使用的板狀天線相比，具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)[8，9]：

1）頻率范圍寬。龍伯球天線可以支持0～2.6 GHz頻段，基本涵蓋了當(dāng)前所使用的全部頻段，既支持4G的D/E/F等頻段同時(shí)也支持移動(dòng)5G當(dāng)前所使用的2.6 GHz頻段。

2）垂直波束寬。垂直波束半功率角3 dB瓣寬為18°，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)天線（15 dBi板狀天線典型值7°）。垂直波束寬深度覆蓋效果更加理想。

3）水平波束窄。700 MHz的水平波束3 dB波瓣寬只有33°～35°，約傳統(tǒng)天線的1/2左右，這使得它在65°方向可以集中更多個(gè)扇區(qū)，可以良好地控制波瓣重疊，同時(shí)更窄的波束也使得天線可以對(duì)海岸線、航道等特殊場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的覆蓋。

4）高增益。由于波束更窄，也使得龍伯球天線在單載波上可以實(shí)現(xiàn)更高的增益，可以實(shí)現(xiàn)更好的深度覆蓋。

5G基站（gNodeB）下行功率（200 W）遠(yuǎn)大于手機(jī)功率（0.2 W），這就導(dǎo)致了上下行的覆蓋不對(duì)稱，上行覆蓋受限成為5G部署覆蓋范圍的瓶頸，龍伯透鏡天線垂直波束半功率角波瓣比傳統(tǒng)板狀天線波束更寬，針對(duì)海面覆蓋場(chǎng)景中影響覆蓋距離所受波束和增益因素方面來說龍伯透鏡天線更有優(yōu)勢(shì)；水平波束的寬窄對(duì)海面覆蓋場(chǎng)景沒有明顯影響，傳統(tǒng)板狀天線水平波束寬的優(yōu)勢(shì)無法體現(xiàn)。

與傳統(tǒng)天線相比，5G龍伯透鏡天線更適合多頻波束，輻射單元結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、饋電網(wǎng)絡(luò)單元更少、可靠性更高、功耗更小、密度小重量輕、更容易部署的特點(diǎn)，可滿足海域覆蓋不僅需要做到對(duì)海面的連續(xù)覆蓋和深度覆蓋，有時(shí)候還需要考慮重點(diǎn)區(qū)域的覆蓋場(chǎng)景的需求。

1.3? 無線信號(hào)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)

在香農(nóng)公式（7）中，C表示信道容量，B表示傳輸通道的帶寬，S / N表示接收信號(hào)的信噪比。從公式可知，龍伯天線的特性決定使用相同的時(shí)頻資源時(shí)，可以降低干擾噪聲增加信道數(shù)，結(jié)合最大比合并算法使信號(hào)功率達(dá)到最大，從而最大化增強(qiáng)了信號(hào)強(qiáng)度[10]。

（7）

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了分別驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)覆蓋效果影響，按照設(shè)計(jì)的步驟，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)過程中，保持其他參數(shù)不變，測(cè)得不同間距的信號(hào)接收強(qiáng)度，以確保測(cè)試結(jié)果的有效性。

測(cè)試站址選擇：實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)選用陸地5G基站，基站海拔903 m。

天線參數(shù)設(shè)置：天線鐵塔上掛高25 m，方位角為160°，覆蓋方向無遮擋。

射頻拉遠(yuǎn)單元：配置、功率保持一致。

測(cè)試變量1無線信號(hào)的獨(dú)立信噪比分量最大比合并：設(shè)計(jì)了2個(gè)700 MHz射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）共連接4副龍伯透鏡天線組成一個(gè)小區(qū)，接收天線端采用最大比合并算法，選擇發(fā)射端加權(quán)因子對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)比構(gòu)建相同小區(qū)，采用傳統(tǒng)RRU方案。

測(cè)試變量2信號(hào)分量的最大化獲?。簶?gòu)建相同基站小區(qū)射頻拉遠(yuǎn)單元連接大規(guī)模天線陣列（64發(fā)64收），對(duì)比與連接龍伯天線實(shí)驗(yàn)。

最后在上述基站系統(tǒng)參數(shù)下，通過某市海上輪船測(cè)試采集龍伯天線接收信號(hào)并結(jié)合最大比合并算法，采集移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能和服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的無線信號(hào)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)航行測(cè)試航線圖如圖1和圖2所示。

2.2? 結(jié)果及分析

基于上述的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，通過距離基站20 km定點(diǎn)向兩端測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)的基站環(huán)境及信號(hào)參數(shù)下，測(cè)試變量1處理所接收的信號(hào)，得到對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

變量1測(cè)試中2個(gè)700 MHz頻段的RRU共連接4副天線組成一個(gè)小區(qū)，最大比合并算法獲取上行8個(gè)通道，提高上行覆蓋性能。

通過相同點(diǎn)位相同頻次獲取數(shù)據(jù)，分析對(duì)比所設(shè)計(jì)的方法得到的結(jié)果，得到變量1方式下的信號(hào)增強(qiáng)方法極限掉話 （RSRP≥-105 dB）有效距離比傳統(tǒng)RRU方案極限距離覆蓋范圍提升29.9%，提升了無線網(wǎng)覆蓋性能。

變量2相同點(diǎn)位相同頻次采集的數(shù)據(jù)為：20 km覆蓋范圍內(nèi)大規(guī)模天線陣列（64發(fā)64收天線），平均參考信號(hào)接收功率（RSRP）-91.30 dBm，優(yōu)于龍伯球透鏡天線，平均參考信號(hào)接收功率（RSRP）-95.53 dBm，平均增益4.6 dB，兩種天線方案，電平均優(yōu)于-115 dBm。大于20 km范圍龍伯球透鏡天線優(yōu)于大規(guī)模天線陣列，平均增益4 dB，電平優(yōu)于-105 dBm，如表2所示。

綜上我們得到，大規(guī)模天線陣列處理后信號(hào)在20 km內(nèi)較好，無法實(shí)現(xiàn)大于20 km距離覆蓋，而所設(shè)計(jì)的信號(hào)增強(qiáng)方法處理后信號(hào)變化幅度小，有效覆蓋大于20 km。

通過海上輪船測(cè)試距離基站0～55 km的信號(hào)覆蓋質(zhì)量，以含有干擾和噪聲的無線信號(hào)作為信號(hào)源對(duì)象，通過掃頻儀和筆記本電腦采集得到所設(shè)計(jì)的信號(hào)增強(qiáng)方法處理后的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能如圖3所示，服務(wù)質(zhì)量參數(shù)如圖4、圖5所示，RSRP覆蓋電平（平均RSRP）為-94.59 dBm，其中電平大于-105 dBm占比74.97%，最大電平值為-66.5 dBm，最小電平值為-122 dBm。

下行速率：平均速率為21.6 Mbit/s，邊緣下行速率1.9 Mbit/s；

上行速率：平均速率為9.63 Mbit/s，邊緣上行速率1.17 Mbit/s。

通過所設(shè)計(jì)的方法，對(duì)比傳統(tǒng)的信號(hào)增強(qiáng)方法（傳統(tǒng)方法20 km后無信號(hào)覆蓋），實(shí)驗(yàn)使用方法在接收端能夠有效獲取更大的信噪比信號(hào)；基于最大合并比算法模式能夠自適應(yīng)地優(yōu)化接入信道的性能，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力；此外，系統(tǒng)采用龍伯天線技術(shù)，低損耗、高增益和高輻射效率有效增加信道容量，滿足海面深度覆蓋需求。

從移動(dòng)終端感知方面測(cè)試本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1）通過輪船上手機(jī)和岸站在相距0～45 km的情況下網(wǎng)絡(luò)可以連通。

2）移動(dòng)智能終端上微信、小視頻等應(yīng)用全程流暢。

3）定點(diǎn)語音通話持續(xù)觀察5 min（記錄13次），網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、帶寬穩(wěn)定。

4）視頻回傳效果畫質(zhì)清晰，滿足慢直播業(yè)務(wù)需求。

5）視頻通話效果，語音清晰，畫面流暢。

通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)際處理后的信號(hào)在RSRP電平值、上行和下行速率網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)上都有顯著提升，處理后信號(hào)強(qiáng)度增幅值最大最穩(wěn)定，距離基站40～45 km處信號(hào)滿足基本業(yè)務(wù)的覆蓋要求。

3? 結(jié)? 論

隨著近海覆蓋的需求在不斷增加，為此研究利用合理的信號(hào)增強(qiáng)方法減少了新增站址，解決了海上基站建設(shè)難的問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的信號(hào)增強(qiáng)方法能夠提升頻譜效率，改進(jìn)傳統(tǒng)信號(hào)增強(qiáng)方法中存在的不足，隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，通過與更多的超遠(yuǎn)覆蓋技術(shù)相結(jié)合，能進(jìn)一步解決超遠(yuǎn)覆蓋的時(shí)延干擾等問題，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：鄭小熠（1982.06—），男，漢族，福建福州人，中級(jí)通信工程工程師，本科，研究方向：無線網(wǎng)。