基于5G的海域覆盖解决方案研究及探索.pdf

2 2023年7月 第 7 期（第36卷 总第312期）月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏基于5G的海域覆盖解决方案研究及探索陈刚，温囯曦，冯焱彬（中国移动通信集团福建有限公司，福州 350003）摘 要 随着海洋经济的发展，海上高速通信的需求开始显现。本文针对海域5G网络覆盖规划建设以及性能提升方面进行技术方案研究和探索，并以某省海域5G网络实测覆盖为例，对方案中运用到的解决方案进行了数据分析论证和实际效果验证，为后续海域5G网络覆盖提供可借鉴的经验。关键词 5G；海域覆盖；三网一体；游牧式基站；虚拟测试中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2023）07-0002-06收稿日期：2023-06-18作为智慧海洋的重要组成部分，海洋信息化产业近年来发展迅速。如何让用户体验到稳定、高速、低廉的海上通信服务，是当今海洋通信需要应对的一大挑战。新一代移动通信技术 5G 具有增强移动宽带(eMBB)、超高可靠与低时延通信（RULLC）、海量机器类通信(mMTC)的三大应用能力，能满足陆地沿岸、海岸、近海和远海等点线面一体的海域通信需求，可通过构建海洋立体通信系统，为智慧海洋提供强有力的通信保障。1 海域 5G 网络覆盖解决方案1.1 建网方案总体规划海洋地理环境空旷无遮挡。地球曲率是影响电磁波传播距离的主要因素，视距范围基本决定了覆盖距离的上限，在规划时需针对近海和远海设定不同站高，同时也需重点考虑与其它站点的相互干扰以及海域不同场景移动性与材质引起穿透损耗对于最终感知的影响。以某运营商为例，充分发挥各频段的优势，采用中低频搭配立体组网方式，即用低频承接覆盖需求、中频承载容量需求，能够有效匹配海域不同场景下的业务特征。如图 1 所示，本文创新提出“三网一体”的分距分频海域 5G 网络覆盖解决方案，即通过应用不同频段实现沿海“岸网”、近海“海洋网”、远海“海洋网”和离岸大于 50 km 的远洋“船网”的 5G 无缝覆盖，满足不同行业用户的通信需求。1.2 岸网建设离岸 10 km 以内称为岸网，其业务场景多，容量需求大，是海域覆盖的重点，建网方案基本遵从传统移动通信网建设思路和方法，主要以 2.6 GHz 为主、4.9 GHz为辅进行覆盖。正常的 To C 业务可以按照小区边缘速率下行 100 Mbit/s、上行 5 Mbit/s 进行站点规划，除此之外，还需要考虑以智慧港口等为主的 To B 业务，除了网络覆盖的需求之外，其对网络的容量、时延和可靠性也极为敏感，因此可利用 2.6 GHz 构建一张同时满3 2023年7月 第 7 期（第36卷 总第312期）月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏足 To C 与 To B 的网络，同时可适时利用 4.9 GHz 进行容量补充，实现陆海统筹以及湾港联动。1.3 海洋网建设海洋网又分为近海海洋网和远海海洋网。近海海洋网为离岸1030 km的海域，此区域有大量的海上风电、海上油田、邮轮以及海事部门的执法船只等；远海海洋网为离岸 30 50 km 海域，主要存在远洋捕捞、海上油田、环境检测和广播服务等业务需求。1.3.1 近海海洋网建设近海海洋网主要以 2.6 GHz+700 MHz 协同进行覆盖。在站址选择上，可结合海岸线海拔建设 50 m 高度宏站即可满足覆盖要求。在设备选型上，根据业务需求采用 2.6 GHz MassiveMIMO AAU，并充分利用设备抗干扰能力强、可分时段配置优化任务以及自适应天线权值切换等功能，实现主覆盖方向随着潮汐话务而自动变化，同时通过 700MHz 设备对船舱内的深度覆盖进行适当补充。在站间距选择上，主要需保证相邻站点在信号交界处的最远覆盖能力。通过仿真数据发现，无论近海还是远海，常规水平波瓣宽度 65天线站间距保持在0.5 R 0.7 R（R 为目标覆盖距离），高增益水平波瓣宽度 33天线站间距建议 0.3 R 0.5 R，可以保证交界处的覆盖效果。同时，中远距离的覆盖需合理调整 2.6 GHz 帧结构参数设置实现正常接入。常规 2.6 GHz 帧结构为 5 ms单周期，只能支持 PRACH Format 0 格式，最大接入距离为 14.5 km。远海覆盖可针对 PRACH Format 0中保护时隙（GP）进行定制，实现最远支持 60 km 接入。1.3.2 远海海洋网建设远海海洋网主要以 700 MHz 为主进行覆盖。在站址选择上，由于超远覆盖传播路径主要是在视距范围内，视距受到基站高度影响。从图 2 仿真结果可以看到，站点越高，相应覆盖距离越远。对于大于 30 km 的远海覆盖，在低海拔区域，天线挂高至少需要 50 m 才能实现较好的覆盖。在设备选型上，优先采用大功率 700 MHz 4TR RRU 配合高增益平板天线和透镜天线进行远海覆盖。某省海域针对透镜天线应用测试结果见表 1，透镜天线在远点覆盖上优于普通天线。1.4 船网建设对于离岸超过 50 km 的远洋船网，可利用超高站址或岛屿站址，采用 700 MHz 做尽力而为的覆盖，同时在传统通信无法满足时应主要通过卫星通信设备接力协同进行网络连接。目前船上卫星通信普及度高，船舶自动识别系统（VHF/AIS）为商用船舶强制安装系统，设备由国家船级社认证，可实现满足基本语音、关键报海域覆盖业务分布及覆盖解决方案示意图沿海近海远海天线高度50 km山体高度塔高700 MHz2.6 GHz4.9 GHz10 km4.9 GHz视频业务/网页浏览近海养殖/水上渔村滨海旅游/客运滨海旅客视频/购物等海事/渔政执法视频等数据回传近远海捕捞语音、小分组数据30 km3风电场巡检、数据回传12345图1 海域覆盖业务分布及覆盖解决方案示意图测试距离(km)NR 平均 SSB RSRP透镜天线(dBm)普通单小区(dBm)增益10-73.93-73.71-0.220%30-89.5-91.031.530%50 km-102.86-103.80.94%表1 不同天线定点测试对比4 2023年7月 第 7 期（第36卷 总第312期）月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏警通信和低速数据业务等通信需求。2 海域 5G 网络覆盖提升创新方案“三网一体”的海域 5G 网络覆盖主要依赖岸网基站形成满足业务需求的海上小区。同时，用户终端通过与岸基站进行连接，实现数据传输。因此，面向覆盖提升，整个创新方案可分别从基站侧和用户侧两个方向展开研究。2.1 基站侧2.1.1 RRU 双拼提升远点上下行覆盖效果对于远海覆盖距离的进一步拓展，可应用两个700 MHz RRU 双拼组成超级小区进行上行软合并。其原理是将同一终端的两份有用信号先进行数据合并再进行解调，进而提升基站接收灵敏度。对于上行软合并超级小区内上行有多 CP 激活的 UE，上行两个 CP 同时接收 UE 的数据信号，并进行数据合并解调，提升用户的上行解调性能及用户上行速率；针对下行，小区合并后，两个 CP 发送相同的数据，对于终端来说相当于发射分集，会提升终端解调能力，进而提升用户下行体验。某省海域进行的 100 m 站高实测见表 2，RRU 双拼不仅可实现平均上下行 20%的速率提升，同时 RSRP 平均增益也有 1.6 dB。2.1.2 游牧式基站级联延伸覆盖范围如图 3 所示，游牧式基站是将基站和本地算力有机结合，并支持多种回传方式的一种新形态基站，主要由无线模块、回传模块、计算模块和其它配套设备组成。在搜救船和执法船上搭载游牧式基站，可拓展网络覆盖，实现快速响应，精准定位，为传统海域公共安全业务提供新的思路。在“2022 年海上化学品泄漏应急演练”中，图2 不同天线挂高和海拔高度下RSRP覆盖仿真图测试距离(km)平均上传速率平均下载速率NR 平均 SSB RSRP双拼超级小区(Mbit/s)普通单小区(Mbit/s)增益双拼超级小区(Mbit/s)普通单小区(Mbit/s)增益双拼超级小区(dBm)普通单小区(dBm)增益10 45.8440.4913.22%102.4384.8420.72%-72-73.711.71%304.073.2525.49%39.4733.9316.30%-89.4-91.031.63%502.541.8536.98%21.116.0731.30%-102.2-103.81.6%表2 RRU双拼与普通小区测试对比5 2023年7月 第 7 期（第36卷 总第312期）月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏应用游牧式基站，实现了现场救援视频实时回传，同时利用自身算力良好支撑了前线救援指挥部的现场调度。2.2 用户侧2.2.1 CPE 解决室内覆盖受限问题由于商用终端上行发射功率(200 mW/400 mW)相对于基站下行发射功率较小，因此超远覆盖主要受限于上行链路，对于有一定速率需求的海上用户，可考虑在船上部署室外型 CPE，将上行天线安装在船顶桅杆上，设备放在室内。CPE 组网如图 4 所示，CPE 设备自带Wi-Fi 天线，实现室内覆盖或通过 LAN 口接 Wi-Fi设备或有线设备，解决船舱内的终端用户上网需求。2.2.2 直放站增强室内 5G 信号强度对于大型船只的船舱内部通信需求，可应用如图 5所示的直放站方案解决船舶内部信号快速衰减和用户感知差的问题。在部署时将直放站的接收天线安装在船只的顶部设备平台中，舱内部署室内分布系统进行覆盖，可将船舱内部的有效手机覆盖信号从近海范围提高到远海范围。实测表明，部署直放站后可以将船舱内部的有传输网Internet核心网/relay网关公网基站游牧式基站CPE专网用户公网用户本地服务器本本地地服服务务器器海面船只、平台等图3 游牧式基站覆盖增强示意图图4 CPE组网示意图6 2023年7月 第 7 期（第36卷 总第312期）月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏效手机覆盖信号，从 20 km 的覆盖距离提高到 50 km以上，良好地解决了船舶用户的手机上网问题。50 km处，船舱内信号从-125 dBm 增强到-76 dBm，手机上传及下载速率分别可达到 38.8 Mbit/s 及 36.8 Mbit/s。3 海域 5G 网络评估及性能提升创新解决方案由于海域面积广阔、环境复杂、气候变化多样，海域 5G 网络的性能评估和日常优化与陆地存在明显的差异，需要根据气候和环境情况由专业人士配合出海，成本极高，因此需要通过低成本高效手段来有效提升海域5G 网络性能。3.1 海域 5G 网络质量评估创新方案3.1.1 基于 MR/MDT 虚拟海测传统海测需要协调人力船力，存在成本高、时间受限和区域不完整等问题。而基于 MR/MDT 的虚拟海测，可充分利用软采数据及 MR/MDT 数据对全网或指定区域，基于 GPS 定位进行海域覆盖指标精准分析，给出5G 弱覆盖、重叠覆盖和 SS-SINR 差等问题的详细分析。同时对掉话和切换失败等相关异常事件进行统计，误差更小，应用更灵活，可有效支撑海域网络质量评估。3.1.2 智能化网络质量评测平台通过建立智能化网络质量评测平台可以让用户成为海上“网络质量检测人”。海上用户通过众测终端接入网络，采集空口层 1、层 2 和层 3 的完整 log 数据以及GPS 精准位置，可大幅降低海域测试租船费用和人力投入，将更真实、更深入的海上网络信息数据采集回传至服务器进行自动统计分析，可有效反映海上用户日常活动范围的网络质量，实现有针对性的、低成本、高效率的海域 5G 网络评估。3.2 海域性能提升解决方案3.2.1 海域干扰解决方案由于海域空旷无遮挡，干扰成为影响网络性能的主要因素，按照干扰源区分为内部干扰和外部干扰。内部干扰包括同频组网干扰和同频异帧格式干扰；外部干扰主要是其它系统对 5G 的干扰，包括广播电视对700 MHz NR 的干扰，以及其他运营商 2.6 GHz 通信系统对 2.6 GHz NR 系统的干扰等。对于海域干扰可通过 PRB 随机化、深度滤波及协同多点传输（CoMP）等功能实现抑制与规避。PRB 随机化可根据不同小区划分不同的 RB 分配起始位置，实现小区间频域资源错开，达到降低干扰和提升吞吐量的目的。深度滤波可根据外场强干扰所在频段，减少该干扰频段对其它有用频段的影响，实现非干扰频段 RB 继续保留通带，从而增强了抗干扰能力。CoMP 可在小区边缘让其它邻区原本为干扰的信号变成有用信号，使SINR 大幅提升，并通过多小区的协同调度以及软合并，使其它小区避免在和目标小区相同的时频域资源上调度图5 直放站组网示意图7 2023年7月 第 7 期（第36卷 总第312期）月刊电信工程技术与标准化中国移动通信集团福建有限公司创新成果专栏Research and exploration of 5G-based sea coverage solutionsCHEN Gang,WEN Guo-xi,FENG Yan-bin（China Mobile Group Fujian Co.,Ltd.,Fuzhou 350003,China）Abstract With the development of the marine economy,the demand for high-speed communication of marine is starting to emerge.This paper conducts research and exploration of technical solutions for the planning,construction and performance improvement of marine 5G network coverage,and takes the measured coverage of 5G network in a province as an example,carried out the data analysis and demonstration and actual effect verification of the solutions used in the scheme,so as to provide reference experience for subsequent 5G marine network coverage.Keywords 5G;marine network coverage;three networks integrated;nomadic base stations;virtual testing参考文献1 周善将.基于5G超远覆盖技术的研究与实践J.电信工程技术与标准化,2021(10).2 冯焱彬，温国曦.智慧海洋，通信先行5G海面超远覆盖技术及应用场景探究J.通信世界,2022(8).3 徐芙蓉,崔航,于天意,等.5G云、网、业一体游牧式部署方案J.电信科学,2022(1).用户，并获取多天线的信号合并增益，从而减少小区间的同频干扰，保证用户的链路质量，提高解调性能。3.2.2 时频双聚合（FAST）为实现海域上下行性能的进一步提升，可应用 5G FAST 方案，在不同频段的覆盖和帧结构特性基础上引入上行时分复用（TDM）调度技术，在时域和频域双维度实现容量覆盖双增强。3GPP R16 中支持 UL 载波聚合(CA)两载波时分发射方式，通过 Uplink Tx Switching 方式来实现通道的切换，保证 TDD 的上行双流能力，实现下行覆盖提升与上下行容量提升。在某省的实测数据表明，700 MHz 和 2.6 GHz 跨站聚合后，存在其他用户的情况下，上行速率高达 277 Mbit/s，下行速率达 1 833 Mbit/s，远高于原单 2.6 GHz 覆盖性能。4 结束语随着 5G 智慧海洋网络及市场应用的不断完善和发展，网络通信也需要进一步向海域延伸扩展。本文对海域 5G 覆盖解决方案进行了创新性的研究探索，在性能提升以及质量评估方面提出相应的建议，为后续海域5G 网络部署提供借鉴，同时助力国家海洋强国与沿海乡村振兴发展。