TD-LTE在長江口E航海中的實踐

毛新健 任子俊

摘要：為提高長江口深水航道的通航效率，研究利用深水航道邊坡解決大型船舶的安全超寬交會問題，同時通過E航海建設(shè)，提供深水航道導(dǎo)助航信息服務(wù)。大量的導(dǎo)助航信息服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸和實時獲取，均依托于高速、有效、可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)。但由于目前長江口水域，現(xiàn)有公共網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)連續(xù)有效的信號覆蓋，船岸之間沒有建立有效可靠的專用寬帶無線數(shù)據(jù)鏈路，無法實現(xiàn)大數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)實時獲取。因此在長江口水域組建基于TD-LTE制式的高速無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提供長江口沿海岸（島）30 n mile范圍內(nèi)的寬帶通信，打造船岸海上WiFi網(wǎng)絡(luò)，彌補現(xiàn)有公網(wǎng)覆蓋不足，鏈路不連續(xù)，從而解決船岸大數(shù)據(jù)傳輸和信息實時獲取問題。

關(guān)鍵詞：TD-LTE; E航海

1 ?需 求

長江口深水航道位于上海，是長三角經(jīng)濟帶的咽喉，由于受限于航道寬度，為保障航行安全，超寬船舶需單向通行。隨著船舶流量增大，船舶體積大型化，以及深水航道的通航安全限制，導(dǎo)致航道單向航行情況日益頻繁，嚴(yán)重制約著通航效率。在保證通航安全的前提下，如何提高長江口深水航道的通航效率成為推進(jìn)上海國際航運中心建設(shè)，發(fā)展長三角經(jīng)濟圈首要解決的問題之一。

為提高長江口深水航道的通航效率，海事部門研究利用深水航道邊坡解決大型船舶的安全超寬交會問題，同時通過E航海建設(shè)，提供深水航道導(dǎo)助航信息服務(wù)，保障超寬船舶航行交會時的通航安全。

E航海是目前國際海事組織（IMO）、國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）主導(dǎo)的下一代海上航海保障綜合服務(wù)體系，旨在通過信息化手段協(xié)調(diào)船舶和岸上海事信息的采集，整合，交換，展示和分析，以增強船舶泊位到泊位的導(dǎo)航和相關(guān)服務(wù)，以保障海上航行安全和安保，保護(hù)海上環(huán)境。

長江口E航海系統(tǒng)，除了集成視覺航標(biāo)、無線電航標(biāo)、AIS、雷達(dá)、北斗等傳統(tǒng)的導(dǎo)助航服務(wù)外，還包括了更多的安全輔助保障服務(wù)。

1.1 實時視頻監(jiān)控和水文氣象數(shù)據(jù)

深水航道固定點上的高精度、高倍距攝像頭，將航道及水面實時視頻監(jiān)控信息回傳至相關(guān)責(zé)任方;重點水域航標(biāo)上的水文氣象采集器，采集流速流向、風(fēng)速風(fēng)向、能見度等水文氣象數(shù)據(jù)實時回傳，從而實現(xiàn)航道通行情況及水面海洋信息監(jiān)測。

1.2 船舶信息實時獲取和交換共享

深水航道通航船舶，實時與相關(guān)責(zé)任方進(jìn)行高速信息交換共享，實時獲取港口航道通航環(huán)境信息，航行通（警）告信息等，各類導(dǎo)助航服務(wù)信息，為船舶安全航行提供安全保障。

大量的導(dǎo)助航信息服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸和實時信息獲取，均依托于高速、有效、可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)。但由于目前長江口水域，現(xiàn)有公共網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)連續(xù)有效的信號覆蓋，無法形成統(tǒng)一的通信渠道，船岸之間沒有建立有效可靠的專用寬帶無線數(shù)據(jù)鏈路，造成信息孤立，無法實現(xiàn)大數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)實時獲取和交換共享。

在現(xiàn)有公網(wǎng)無法滿足及保證使用的前提下，在長江口水域組建基于TD-LTE制式的高速無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提供長江口沿海岸（島）30 n mile范圍內(nèi)的寬帶通信，打造船岸海上WiFi網(wǎng)絡(luò)，彌補現(xiàn)有公網(wǎng)覆蓋不足，鏈路不連續(xù)等問題，統(tǒng)一數(shù)據(jù)通信渠道，整合相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到實時監(jiān)控及交換共享的目的。

2 ?研 究

TD-LTE，即 Time Division Long Term Evolution（分時長期演進(jìn)），是基于OFDMA（正交頻分多址）技術(shù)，由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，包括FDD和TDD兩種模式。TD-LTE是目前世界上使用最廣泛，終端種類最豐富的4G標(biāo)準(zhǔn)，也是由我國主導(dǎo)，包含大量我國技術(shù)專利，同時得到了廣泛國際支持的國際標(biāo)準(zhǔn)。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)演進(jìn)、帶寬時延、傳輸速率、覆蓋距離、頻譜利用、安全可靠等各方面具有顯著的優(yōu)勢，可充分滿足長江口水域相關(guān)方對無線高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求：

（1）TD-LTE作為我國主導(dǎo)提出的，我國擁有核心基礎(chǔ)專利，未來技術(shù)演進(jìn)方向清晰明確;

（2）TD-LTE在1.8 GHz工作頻段上，具備較強的抗干擾穩(wěn)定性和遠(yuǎn)距離傳輸性，采用20M載波帶寬，上行傳輸峰值可達(dá)50 Mbps，下行傳輸峰值可達(dá)100 Mbps，可確保在同一帶寬上同時為用戶提供語音、寬帶數(shù)據(jù)及高清視頻等綜合應(yīng)用;

（3）TD-LTE采用全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，有效縮短控制面和用戶面時延，控制面時延<100 ms，用戶面時延<5 ms。此外，組呼建立時延<500 ms，話權(quán)搶占時延<200 ms，端到端視頻通話時延<1 s，滿足用戶快速指揮調(diào)度的應(yīng)用需求;

（4）TD-LTE 的下行頻譜效率為5 bits/Hz，上行頻譜效率為2.5 bits/Hz，比3G 系統(tǒng)提高2～4 倍。支持上下行時隙配比靈活可調(diào)，適應(yīng)用戶對大數(shù)據(jù)采集、高清視頻監(jiān)控及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等上下行非對稱的多媒體業(yè)務(wù)需求;

（5）TD-LTE采用多層次安全加密體制，支持網(wǎng)絡(luò)與終端間的雙向鑒權(quán)，空口加密及信令完整性保護(hù)和端到端加密，滿足專網(wǎng)客戶的特殊安全要求;

因此，選擇TD-LTE制式建設(shè)長江口水域高速信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，為E航海建設(shè)一張成熟、穩(wěn)定、安全、高效，且融合IP語音、寬帶數(shù)據(jù)、高清視頻等業(yè)務(wù)的1.8 GHz無線寬帶專網(wǎng)，依托TD-LTE船岸通信高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)并滿足應(yīng)用需求的綜合導(dǎo)助航服務(wù)，從而保障長江口超寬船舶交會時船舶航行安全，提升長江口航道通航效率。

3 ?核心要素

長江口TD-LTE高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域為水域，覆蓋距離成為網(wǎng)絡(luò)核心要素，水域覆蓋的最重要目標(biāo)是達(dá)到盡量遠(yuǎn)的覆蓋要求。要達(dá)到遠(yuǎn)距離良好覆蓋要求，需要重點考慮如下幾個條件：

（1）站點的選擇（高度、位置）;

（2）信號的空間損耗;

（3）信號時延;

（4）地球半徑的影響。

其中，站址天線高度直接決定了水域覆蓋距離。

TD-LTE基站的無線信號輻射到水面時會產(chǎn)生多個反射波，但能夠被移動臺接收到的一般只有一個反射波，其他反射波由于反射角不同被反射到其他區(qū)域。因此水面無線傳播具有二波特征，需要考慮到船體損耗、地球曲率的影響，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

無線電波在水面?zhèn)鞑r，在可視距離內(nèi)，傳播路徑主要是通過空氣傳播的直達(dá)波和水面的反射波。在可視距離以外的地球陰影區(qū)域，需要考慮地球球面形成的遮擋造成的繞射損耗。

TD-LTE基站站址通常選擇在沿海高處，水面無線電波傳播環(huán)境與自由空間近似，無線電波可以傳播到很遠(yuǎn)的水面上，地球不能再看作平面，而應(yīng)看作球面，即地球曲率將對無線電波傳播產(chǎn)生影響。另外處于傳播路徑上的島嶼、山、船體等會對無線電波的傳播帶來相應(yīng)的影響。

在進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)水面覆蓋規(guī)劃時，需要充分考慮不同區(qū)域的特點，既要盡量實現(xiàn)無縫覆蓋、又要關(guān)注航道等重點區(qū)域的良好覆蓋。遠(yuǎn)海以廣覆蓋、遠(yuǎn)覆蓋為主，對容量需求不高，主要保證航道覆蓋;近海與遠(yuǎn)海之間存在信號重疊覆蓋區(qū)，由于在水面反射條件下，信號容易反射傳播，并且衰耗很慢，這就容易導(dǎo)致這個重疊區(qū)難以控制范圍，而且由于在重疊區(qū)近海站與遠(yuǎn)海站的干擾很可能強度相當(dāng)，這就很容易帶來干擾，需要嚴(yán)格針對天饋系統(tǒng)進(jìn)行控制，精準(zhǔn)覆蓋。

因此，長江口TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，重點在于根據(jù)各類因素確認(rèn)基站小區(qū)覆蓋半徑，保證基站選址及天線設(shè)計高度，致使信號能夠滿足設(shè)計覆蓋要求，實現(xiàn)長江口乃至上海港水域高速、有效、可靠的無線網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋，如圖1所示。

4 ?實 踐

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由管理中心、LTE基站和終端三部分組成，長江口TD-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)了1個管理中心和6座LTE基站，從而實現(xiàn)長江口乃至上海港水域高速網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋，如圖2所示。

4.1 管理中心

長江口TD-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理中心建在上海航標(biāo)處，主要是提供用戶位置信息管理、網(wǎng)絡(luò)特性和業(yè)務(wù)控制、信令和用戶信息傳輸機制等服務(wù)，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)接入控制（接入控制、擁塞控制、系統(tǒng)信息廣播）、無線信道加擾解擾、移動性管理（切換、位置定位）等功能。

管理中心核心網(wǎng)作為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)關(guān)，向下負(fù)責(zé)6座基站設(shè)備的接入，向上負(fù)責(zé)與現(xiàn)有各類應(yīng)用系統(tǒng)連接以及LTE網(wǎng)絡(luò)的對外的網(wǎng)絡(luò)出口。

4.2 LTE基站

長江口TD-LTE基站為岸基站，基站設(shè)備由BBU和RRU兩部分組成。BBU為基帶處理單元，RRU為射頻拉遠(yuǎn)單元，雙通道設(shè)計，支持單通道40 W的發(fā)射功率，極大增加覆蓋范圍。長江口TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采用1BBU+3RRU組網(wǎng)方式，BBU和RRU之間通過光纖連接，采用星形組網(wǎng)。

根據(jù)實地勘察及理論計算，為達(dá)到全面覆蓋長江口水域深水航道的目標(biāo)，乃至擴展至整個上海港水域，按照選取設(shè)備的性能指標(biāo)，項目最終在大戢山、花鳥山、佘山、雞骨礁、橫沙及吳淞建設(shè)6座LTE基站3小區(qū)組網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)長江口乃至上海港口近海水域及主要航道的無線高速寬帶信號全覆蓋，見表1。

根據(jù)測算，6個站點的平均站間距為44.49 km。最大站間距為62.79 km，最小站間距為29.83 km，也就是小區(qū)最小覆蓋半徑有32 km，就能實現(xiàn)兩基站交叉覆蓋，滿足計劃水域覆蓋需求，如圖2所示。

鑒于TD-LTE基站系統(tǒng)主要在水域海島，所以此次海島基站和岸端之間采用微波傳輸系統(tǒng)作為傳輸鏈路，對于具備光纖傳輸鏈路的站點直接采用光纖作為傳輸鏈路，如圖4所示。

4.3 終端子系統(tǒng)解決方案

長江口TD-LTE高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用大功率CPE作為通用的接入終端。

大功率CPE產(chǎn)品基于4G TD-LTE國際標(biāo)準(zhǔn)，支持最大傳輸速率為DL：100 Mbps、UL：50 Mbps，支持2×2雙天線MIMO技術(shù)，下行MIMO傳輸支持TM1/2/3/4/7/8模式，上行傳輸支持單天線端口傳輸模式;WiFi支持2R×2T，最大傳輸速率為300 Mbps。

針對船端系統(tǒng)，船上的電子海圖、攝像頭、GPS、傳真機等可以借助交換機或者直接通過以太網(wǎng)線連接到CPE網(wǎng)口，進(jìn)而通過CPE接入TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。

針對岸基系統(tǒng)，水域上的攝像頭、氣象站、水位儀、流量測速儀等可以通過以太網(wǎng)線或者通過相應(yīng)的硬件網(wǎng)關(guān)連接到CPE網(wǎng)口，進(jìn)而通過CPE接入TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。

無論船端系統(tǒng)和岸基系統(tǒng)的CPE均可以提供WiFi熱點接入功能，任何具備無線功能的終端，都可以通過WiFi熱點接入CPE，從而進(jìn)一步接入TD-LTE網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。

5 ?效能檢測

長江口TD-LTE系統(tǒng)建設(shè)完成后，進(jìn)行了效能檢測。測試TD-LTE基站信號覆蓋范圍和情況，以及測試航線從一個小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個小區(qū)的信號無縫切換情況。

5.1 TD-LTE基站信號覆蓋范圍和情況

TD-LTE 1.8GHz在水域連續(xù)覆蓋的信號覆蓋情況較好，沒有明顯的覆蓋盲點。

在水域大部分區(qū)域信號強度達(dá)到了-95dBm以上，且整個覆蓋連續(xù)，滿足大數(shù)據(jù)回傳的流量性需求;在離基站較近范圍，信號強度可以達(dá)到-75 dBm以上，如圖5所示。

5.2 航路信號無縫切換

依據(jù)航道無線信號打點測試，信號覆蓋滿足航線覆蓋要求，航線上已安裝CPE終端航行船舶可正常通過TD-LTE網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng);航線固定點位攝像頭、水文氣象儀器數(shù)據(jù)可正?；貍?，滿足實時監(jiān)測需求，如圖6所示。

6 ?結(jié) 語

TD-LTE高速網(wǎng)絡(luò)在長江口E航海中已成功實踐，依托TD-LTE高速、有效、可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決了公網(wǎng)信號不佳水域，E航海所面臨的船岸互聯(lián)互通和大數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題，為長江口深水航道超寬船舶交會所需綜合導(dǎo)助航服務(wù)提供了傳輸鏈路保障，從而有效確保超寬船舶交會時船舶航行安全，進(jìn)而提升長江口深水航道通航效率。