基于空中基站的LTE海域覆蓋方案

黃勁安 陸俊超

【摘 要】首先研究電磁波在海域和陸地傳播的區(qū)別，推導(dǎo)出電磁波在海域上的傳播模型，然后通過LTE的幀結(jié)構(gòu)、視距傳播理論確定海域基站的極限覆蓋距離和天線極限掛高，最后提出LTE海域覆蓋整體解決思路，并制定空中基站的建設(shè)方案。

空中基站；海域覆蓋；海域傳播模型

1 引言

受海域通信設(shè)施部署條件以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的制約，現(xiàn)階段的海上移動(dòng)通信一般是通過衛(wèi)星通信來實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星通信可滿足基本的語音通信，但由于其數(shù)據(jù)傳輸速率只有2.4 kb/s～9.6 kb/s，通常難以滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，加上衛(wèi)星電話終端的價(jià)格普遍較高，體積更大，可推廣性不強(qiáng)。為實(shí)用起見，需要制定更具普及性的民用通信方案，以便沿海國家在專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線寬帶覆蓋。

LTE是目前使用最為廣泛的民用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)制式，能同時(shí)滿足語音業(yè)務(wù)和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，如能用于海域無線寬帶覆蓋，將可取得經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可靠性。但鑒于LTE本身并非專用于長距離覆蓋的制式，更多時(shí)候只應(yīng)用于陸地上的密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)等場(chǎng)景，難以用于遠(yuǎn)距離的海域覆蓋，有必要研究一套新型并可行的解決方案，采用創(chuàng)新的手段進(jìn)行基站架設(shè)，突破基站必須在陸地上建設(shè)的傳統(tǒng)思路，以滿足更大面積海域場(chǎng)景的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求。

2 電磁波的海域傳播衰耗

傳播模型的確定是計(jì)算路徑損耗的先決條件。由于海上的信道環(huán)境較陸地更為復(fù)雜且不穩(wěn)定，加之地球弧度、船舶遮擋、云霧衰減、雨衰等問題的影響，必須選用合理的傳播模型來做路損預(yù)測(cè)。常用于室外電波傳播的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕蠧ost231-Hata模型、Okumura模型、SPM模型等，但這些模型都是基于陸地環(huán)境而設(shè)計(jì)的，直接用于海面環(huán)境可能會(huì)引起較大的誤差。原因主要是，海面反射信號(hào)對(duì)實(shí)際接收到的信號(hào)的影響較大，在具體計(jì)算海面電磁波傳播損耗的時(shí)候，應(yīng)分別考慮直射路徑和反射路徑的信號(hào)損耗，同時(shí)還要考慮大氣吸收損耗、船體穿透損耗以及云霧衰減、雨衰等損耗。

2.1 自由空間損耗

自由空間傳播是指電磁波在理想空間中完全不會(huì)被障礙物吸收能量，也不存在反射或散射的傳播，只與電磁波的頻率、傳播距離有關(guān)，其傳播損耗公式為：

PLfs=32.45+20lgf+20lgd （1）

公式（1）中，f為電磁波的工作頻率，單位為MHz；d為電磁波傳播的距離，單位為km。

電磁波在海面的直射路徑通?？梢砸曌髯杂煽臻g傳播。

2.2 海面反射損耗

電磁波在海面環(huán)境下傳播，可理想地視作直射波和來自海面的反射波結(jié)合，如圖1所示。將海面視作平面，電磁波向海面入射，碰觸海面后產(chǎn)生反射，入射角與反射角相等。

假設(shè)海平面平坦光滑，基站天線高度為ht，移動(dòng)臺(tái)天線高度為hR，基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離為d，電磁波的波長為λ，反射波和直射波的路徑差為Δr，相位差為Δφ，根據(jù)幾何關(guān)系，可得：

Δr=（（ht+hR）2+d2）1/2-（（ht-hR）2+d2）1/2 （2）

通過泰勒展開式，可推導(dǎo)出路徑差Δr的近似值為：

Δr=2hthR/d （3）

因此可推導(dǎo)出相位差Δφ為：

Δφ=4πhthR/λd （4）

由上述結(jié)論，可推導(dǎo)出反射損耗近似值為：

PLr=10lg（Erec/Efs）2≈10lg[4sin2（4πhthR/λd）] （5）

2.3 大氣吸收損耗

大氣中的氧氣和水蒸氣會(huì)對(duì)電磁波有吸收作用。由于同等溫度條件下，海面大氣的相對(duì)濕度遠(yuǎn)高于陸地環(huán)境，因此，電磁波在海面上傳輸時(shí)，需要考慮由氧氣和水蒸氣這兩部分所產(chǎn)生的吸收損耗。

在微波波段，大氣吸收損耗為分子損耗率與視距距離的乘積，即：

PLa=（γo+γw）×d （6）

由式（6）可知，大氣吸收損耗與收發(fā)天線間的距離是呈線性關(guān)系的，大氣吸收損耗會(huì)隨著基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離增加而增大。式（6）中，γo為氧分子損耗率，γw為水蒸氣分子損耗率。對(duì)于57 GHz以下的頻段，氧分子損耗率可近似計(jì)算為：

γo=[0.007 19+6.09/（?2+0.227）+4.81/（?-57）2]×?2×10-5

（7）

水蒸氣分子損耗率可用下式計(jì)算：

γw=[6.73+300/（（?-22.3）2+7.3）]×?2ρ×10-9 （8）

海面水蒸氣密度約為7.5 g/m3，代入式（8）可得：

γw=[6.73+300/（（?-22.3）2+7.3）]×?2×7.5×10-9

（9）

2.4 其它損耗

其它必須考慮的損耗主要包括船體穿透損耗、云霧衰減、雨衰等。

（1）船體穿透損耗

電磁波穿透船體時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，由于船體與陸地上的汽車、火車的材質(zhì)近似，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，船體穿透損耗可取定為：

PLS=15 dB （10）

（2）云霧衰減

根據(jù)瑞利散射近似的原理推導(dǎo)可知，在10 GHz以上時(shí)，衰減大概為3 dB～4 dB；當(dāng)頻率降低至4 GHz時(shí)，云霧衰減已經(jīng)不足0.5 dB。由此可見，在LTE工作頻段，云霧衰減的影響幾乎可以忽略。

（3）雨衰

利用適用于1 GHz—350 GHz的HPM模型可推導(dǎo)出雨衰隨頻率變化的數(shù)值。與云霧衰減類似，在10 GHz以上時(shí)，雨衰大概為2 dB～3 dB，在LTE工作頻段，雨衰基本可以忽略。

2.5 海域傳播衰耗計(jì)算

綜上所述，電磁波的海域傳播衰耗計(jì)算公式如下：

PL=PLfs+PLr+PLa+PLS （11）

將式（1）、式（5）、式（6）、式（10）代入式（11）可得：

PL=32.45+20lg?+20lgd+10lg4sin2（4πhthR/λd）+

[（0.00719+6.09/（?2+0.227）+4.81/（?-57）2）×?2×10-5+

[6.73+300/（（?-22.3）2+7.3）]×?2×7.5×10-9]×d+15

（12）

3 LTE基站覆蓋半徑預(yù)測(cè)

LTE網(wǎng)絡(luò)的超遠(yuǎn)距離傳播可按視距傳播場(chǎng)景考慮，但其覆蓋的距離受限于多種因素，包括前文所述的海域路徑損耗、基站發(fā)射功率、終端接收機(jī)靈敏度、收發(fā)天線增益、饋線損耗等。此外，由于海域傳播距離比陸地遠(yuǎn)得多，LTE幀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的限制也不能忽略。綜上所述，應(yīng)通過對(duì)LTE幀結(jié)構(gòu)、視距傳播路徑的綜合分析，再結(jié)合海域傳播鏈路預(yù)算，同時(shí)考慮基站架設(shè)的安全性和可行性，最終作出單站的覆蓋半徑預(yù)測(cè)。

3.1 LTE理論極限覆蓋距離

LTE的覆蓋能力由多種參數(shù)決定，以LTE FDD為例，在忽略其它限制的前提下，LTE FDD網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離主要與保護(hù)時(shí)間GT的長度有關(guān)。不同配置下的LTE FDD理論覆蓋距離如表1所示。

由表1可見，在Preamble格式3的配置下，LTE FDD理論可達(dá)的最大覆蓋距離約為107.34 km。TD-LTE的最大覆蓋距離與LTE FDD基本相當(dāng)，均能達(dá)到100 km級(jí)別。

3.2 基站天線極限掛高

電磁波在海域傳播時(shí)，由于傳播距離比陸地更遠(yuǎn)，所以應(yīng)把地球表面視作球面，必須考慮地球曲率的影響。在VHF和UHF頻段的地對(duì)地電磁波傳播中，傳播路徑越長，地球?qū)﹄姶挪▊鞑サ挠绊懺酱?。在明確基站發(fā)射功率、終端靈敏度等參數(shù)后，即可通過鏈路預(yù)算計(jì)算出允許的最大路徑損耗。若傳播信號(hào)在視距范圍內(nèi)的損耗小于允許的最大路徑損耗，信號(hào)進(jìn)入非視距范圍后信號(hào)強(qiáng)度將急速下降。因此，超遠(yuǎn)覆蓋場(chǎng)景下，基站的覆蓋距離主要與視距范圍相關(guān)。

天線視距與基站天線高度、移動(dòng)臺(tái)天線高度的關(guān)系如圖2所示：

如圖2所示，根據(jù)幾何關(guān)系以及將地球半徑R0=6 370 km代入可得：

d≈×（+） （13）

根據(jù)式（13），設(shè)hR為6 m，可知當(dāng)ht為535 m時(shí)，已基本達(dá)到LTE的理論極限覆蓋距離。因此，基站天線高度設(shè)定在500 m左右即能達(dá)到LTE極限覆蓋需求。

3.3 LTE海域鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算的參數(shù)、指標(biāo)取值說明如下：

工作頻率：1 800 MHz；

基站功率：2×80 W；

基站天線：18 dBi；

終端天線：0 dBi；

塔放增益：上行12 dB，下行最大功率按51 dBm計(jì)算。

根據(jù)以上取值，鏈路預(yù)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2結(jié)果，上下行允許的最大路徑損耗為133.7 dB。結(jié)合式（12），可推算出在滿足該最大路徑損耗時(shí)，兼顧下傾角設(shè)置的可行性，設(shè)定海域基站天線掛高為400 m，則該基站覆蓋半徑約為70 km。

綜上所述，LTE海域基站可實(shí)施的最大覆蓋半徑為70 km。

4 空中基站的建設(shè)方案

4.1 整體思路

基于前文結(jié)論，為了滿足盡可能大的海域覆蓋面積需求，需考慮海-陸結(jié)合覆蓋方案，即近海區(qū)域（海岸線對(duì)開10 km以內(nèi)）由陸地基站解決，遠(yuǎn)海區(qū)域（海岸線對(duì)開10 km以外）由空中基站解決。

（1）近海區(qū)域覆蓋

一般情況下，陸地基站需同時(shí)兼顧海岸的覆蓋，專用于近海水域的扇區(qū)資源有限，且需要同時(shí)兼顧周邊站點(diǎn)的干擾問題，因此在天饋方案上，不考慮增加塔放，只需在原有站點(diǎn)上新增或升級(jí)大功率射頻單元覆蓋近海。此外，由于每個(gè)站點(diǎn)覆蓋的近海范圍需盡量寬廣，因此不考慮窄波瓣天線，使用水平半功率角為65°的定向天線。同時(shí)還需同步做好海岸沿線各站點(diǎn)的小區(qū)參數(shù)配置協(xié)同，避免增加小區(qū)間干擾造成掉話。

（2）遠(yuǎn)海區(qū)域覆蓋

遠(yuǎn)海區(qū)域覆蓋考慮由空中基站解決，要求天線掛高保持在100 m至400 m區(qū)間以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋。綜合考慮建設(shè)成本和可行性，可選方案有熱氣球基站和系留式無人機(jī)基站兩種，二者原理上基本相同。首先尋找海面上地理位置合適且具備基建條件的島礁，在島礁上建造小型簡(jiǎn)易機(jī)房及供電設(shè)施，機(jī)房內(nèi)放置BBU、GPS天線以及衛(wèi)星傳輸設(shè)備，BBU經(jīng)由衛(wèi)星傳輸鏈路接入陸地上的運(yùn)營商核心網(wǎng)。BBU與RRU之間通過光纜連接，RRU由小型機(jī)房引電纜供電，光纜與電纜均跟隨熱氣球或系留無人機(jī)的系留鋼纜路由布放。

整體覆蓋思路如圖3所示：

4.2 空中基站建設(shè)方案

本文以熱氣球基站為例，闡述單個(gè)空中基站的建設(shè)方案。

（1）天饋建設(shè)方案

設(shè)置12個(gè)扇區(qū)，天線安裝在熱氣球設(shè)備箱外圍，采用窄波束高增益天線（如18 dBi/32°天線），并統(tǒng)一設(shè)置1°電下傾角，天線方向角由0°開始，順時(shí)針每隔30°一面布放。設(shè)備箱內(nèi)安裝6臺(tái)RRU和12臺(tái)雙向塔放，每臺(tái)RRU功分兩個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分別連接一臺(tái)塔放。為避免熱氣球在空中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同步改變方向角而使移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生頻繁切換，按照目前主流設(shè)備廠家的最大小區(qū)合并數(shù)考慮，6臺(tái)RRU合并為一個(gè)邏輯小區(qū)?？罩刑祓伣ㄔO(shè)方案如圖4所示：

RRU和塔放的各項(xiàng)參數(shù)如下：

RRU參數(shù)

制式：LTE FDD；

工作頻段：上行1 710 MHz—1 785 MHz，下行

1 815 MHz—1 880 MHz；

發(fā)射功率：2×80 W；

收發(fā)支路數(shù)：2T2R；

功耗：600 W/臺(tái)；

重量：20 kg/臺(tái)。

塔放參數(shù)

增益：上行12 dB，下行最大功率51 dBm；

功耗：500 W/臺(tái)；

重量：25 kg/臺(tái)。

（2）空中電源配置方案

空中基站功耗主要來源于RRU和塔放，每臺(tái)RRU功耗600 W，6臺(tái)合計(jì)3 600 W。每臺(tái)塔放功耗500 W，12臺(tái)合計(jì)6 000 W，總功耗合計(jì)9 600 W，乘以1.5的冗余系數(shù)后為14 400 W。因此，可采用380 V分三相供電到熱氣球設(shè)備箱，每一相回路需承受4 800 W功耗，即大概22 A電流/相。綜合考慮負(fù)荷電流、損耗壓降等因素，建議采用一條4×16 mm2電纜由地面供電至熱氣球設(shè)備箱。

（3）光纖配置方案

按每臺(tái)RRU使用2芯光纖考慮，采用1+1備份，地面機(jī)房到熱氣球設(shè)備箱之間的光纜為24芯，并在地面機(jī)房、熱氣球設(shè)備箱分別設(shè)置1個(gè)24芯ODF箱用于光纜成端。

（4）接地方案

無線設(shè)備均需做防雷接地處理，設(shè)備箱內(nèi)需設(shè)置接地銅排，總接線孔數(shù)不少于30孔。熱氣球設(shè)備箱與礁石地面通過鋼索進(jìn)行接地連接。

（5）安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

設(shè)備箱內(nèi)需考慮散熱條件，盡量保持箱內(nèi)溫度在50攝氏度以下，否則容易造成無線設(shè)備退服；

由于天線安裝于高空，長期受風(fēng)壓影響，存在固定件松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，需重點(diǎn)考慮承載件的堅(jiān)固性；

海面上臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷暴等天氣對(duì)通信設(shè)備有較大的影響，在惡劣天氣下空中基站應(yīng)降落規(guī)避。

4.3 空中基站仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證空中基站的覆蓋效果，利用Atoll對(duì)該基站海域覆蓋環(huán)境進(jìn)行仿真。設(shè)定基站天線高度為400 m，使用18 dBi高增益天線，下行單通道功率為51 dBm，塔放上行增益為12 dB，在滿足RSRP>-105 dBm的條件下，基站的覆蓋半徑約為70 km，如圖5所示，與前文結(jié)論基本相符。

綜上所述，空中基站方案能夠解決遠(yuǎn)海區(qū)域的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，但由于每個(gè)空中基站最多只能解決半徑約70 km的區(qū)域且單站容量有限，如需更大面積的覆蓋或支持更多并發(fā)接入，需通過疊加多個(gè)空中基站來解決。

5 結(jié)束語

海域自然資源豐富，勘探業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)日益發(fā)展，發(fā)展海域民用通信覆蓋存在極大的必要性。衛(wèi)星通信受限于成本和通用性，難以在民用領(lǐng)域有效推廣。鑒于此，本文提出了海-陸結(jié)合的整體解決思路以及具有創(chuàng)新性的空中基站方案，期望能在海域民用通信領(lǐng)域?yàn)闃I(yè)內(nèi)相關(guān)單位帶來新方向的思考。

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