福建沿海船岸無線寬帶專網(wǎng)規(guī)劃布局研究

陳兵，王辰，林新宇，陳瓊，王國發(fā)

（1．交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100029；2．東海航海保障中心福州通信中心，福建 福州 350004；3．成都鼎橋通信技術(shù)有限公司，四川 成都 610000）

1 引言

近年來，我國陸地公共移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展迅猛，已建成世界上規(guī)模最大的蜂窩通信系統(tǒng)，并引領(lǐng)5G 技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。得益于陸地發(fā)達(dá)的通信手段和信息化技術(shù)的發(fā)展，陸地信息化服務(wù)水平整體較高。相比之下，我國海上通信發(fā)展落后于陸地通信發(fā)展步伐，已成為海事監(jiān)管、搜救應(yīng)急、航海保障、救助打撈等海上交通管理業(yè)務(wù)現(xiàn)代化、信息化發(fā)展的瓶頸。

福建沿海是我國沿海南北海上運(yùn)輸?shù)慕煌ㄒ?，又是閩臺(tái)之間海上直航的唯一通道，水上交通繁忙，歷年來通航環(huán)境復(fù)雜，一直為我國沿海高風(fēng)險(xiǎn)水域之一。當(dāng)前福建沿海船岸寬帶通信鏈路主要依靠衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，如VSAT 系統(tǒng)及海事F 站系統(tǒng)等，僅部分船舶安裝，衛(wèi)星通信費(fèi)用高，帶寬不足，極大地限制了移動(dòng)執(zhí)法、移動(dòng)辦公、及應(yīng)急搜救等業(yè)務(wù)的有效開展。隨著海洋強(qiáng)國、交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，福建沿海近岸航路的船岸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷增加，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代航海保障所包含的海測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、海上移動(dòng)執(zhí)法、海上應(yīng)急協(xié)同作戰(zhàn)指揮、海圖船舶海上更新等多元化、精準(zhǔn)化服務(wù)需求，迫切需要研究適應(yīng)海上通信的無線接入技術(shù)，提升海上通信溝通效率和應(yīng)急通信保障能力。

2 現(xiàn)狀與專網(wǎng)建設(shè)需求

2.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

目前，在福建沿海海岸線5km 以內(nèi)，移動(dòng)建設(shè)有9258 個(gè)基站，海島基站建設(shè)有514 個(gè)。受制于維護(hù)成本大、接入用戶少等因素，福建沿海海上的公共移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)速度緩慢，陸地基站的信號(hào)僅能向海洋延伸不到5-10 公里，沿岸近海航路水域的船岸通信服務(wù)有待提升。

2.2 服務(wù)對(duì)象

福建沿海船岸無線寬帶專網(wǎng)的服務(wù)對(duì)象主要為海上交通運(yùn)輸管理部門和涉海（水）政企用戶。其中海上交通運(yùn)輸管理部門主要包括海事部門、航海保障部門、救撈部門等，用于開展應(yīng)急搜救、視頻監(jiān)控、移動(dòng)辦公執(zhí)法、電子巡航以及數(shù)據(jù)回傳等業(yè)務(wù)。涉海（水）政企用戶主要包括海洋、海警、漁政等政府部門和海上風(fēng)電場管理部門、海上施工企業(yè)、海上旅游企業(yè)等企業(yè)用戶，用于獲取導(dǎo)助航和海上安全信息等方面的信息、確保應(yīng)急通信鏈路暢通等。

2.3 通信需求

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，與移動(dòng)公網(wǎng)下行通信為主不同，本文研究的專網(wǎng)通信以上行通信為主，具體為：在覆蓋率90%情況下，小區(qū)邊緣上行通信帶寬≧1Mbps。單小區(qū)上行最大通信帶寬20Mbps，下行最大通信帶寬50Mbps。

2.4 覆蓋需求

福建沿海船舶交通流量大，沿海船舶的活動(dòng)主要集中在海峽中線至福建沿岸之間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，沿岸主航跡帶寬度在4～10n mile 之間，航跡帶中心距福建沿岸4～9n mile，即沿岸主航跡帶離岸9～14n mile。

圖1 福建沿海船舶交通軌跡圖

3 基站布局研究

3.1 技術(shù)選擇

4G-LTE 通信技術(shù)成熟，可根據(jù)業(yè)務(wù)類型靈活配置TD-LTE 幀的上下行配比。本文采用TD-LTE 技術(shù)進(jìn)行福建沿海航路無線寬帶通信專網(wǎng)布局研究。

3.2 頻率選擇

工信部已規(guī)劃1785-1805MHz 頻段用于各行業(yè)用戶專網(wǎng)，包括電力、石油、交通等行業(yè)。本論文主要用于交通行業(yè)專網(wǎng)建設(shè)，擬采用1785-1805MHz 頻段。

3.3 設(shè)備選型

為了保證滿足各級(jí)用戶通信范圍和帶寬需求，本文建議采用的設(shè)備參數(shù)信息如表1、圖2所示。

表1 設(shè)備參數(shù)表

圖2 天線方向圖

3.4 基站布局

通過調(diào)研，本文在福建沿海選取11 座基站，站點(diǎn)布局及基本信息如圖3、表2所示。

圖3 基站布局圖

表2 基站信息表

3.5 仿真分析

根據(jù)路徑損耗=基站每子載波等效全向發(fā)射功率-終端最小信號(hào)接收電平-慢衰減和干擾余量，以1800MHz TDD 20M 帶寬下的使用CPE 終端視頻回傳業(yè)務(wù)為例，按照小區(qū)邊緣速率1024kbps、覆蓋率90%的覆蓋目標(biāo)，基站海面?zhèn)鬏斈Ｐ椭凶畲舐窂綋p耗計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 最大路徑損耗計(jì)算表

由表得，33dbm 的CPE 在1024kbps 業(yè)務(wù)邊緣RSRP 為-115.99，覆蓋極限距離為41.6km，仿真結(jié)果如圖4、5 所示。

圖4 單站點(diǎn)終端覆蓋極限距離

圖5 福建沿海無線寬帶專網(wǎng)覆蓋仿真圖

由圖得，通過沿海11 座基站的布局，基本可以實(shí)現(xiàn)福建沿海近岸15n mile 以內(nèi)水域的無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可滿足福建沿海近岸航路水域海事監(jiān)管、搜救應(yīng)急、航海保障等業(yè)務(wù)的寬帶通信需求。

4 結(jié)語

船岸寬帶通信是開展海上交通運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)的發(fā)展基礎(chǔ)，未來面對(duì)智能航運(yùn)的快速發(fā)展，高通量、高速率、高可靠、低延時(shí)、多連接的船岸寬帶通信需求更為迫切。本文結(jié)合福建沿海近岸航路水與船岸寬帶通信需求，提出了基于TD-LTE 技術(shù)的福建沿海航路船岸無線寬帶專網(wǎng)規(guī)劃布局思路，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，TD-LTE 技術(shù)可以用于福建沿海船岸無線寬帶專網(wǎng)建設(shè)，可基本滿足福建沿海近岸航路水域海事監(jiān)管、搜救應(yīng)急、航海保障等業(yè)務(wù)的寬帶通信需求。研究成果為后續(xù)工程項(xiàng)目的建設(shè)提供了有益探索和實(shí)踐。

當(dāng)前，作為 “新基建”戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展迅猛。2020年4月1日，工信部發(fā)布《關(guān)于調(diào)整700MHz 頻段頻率使用規(guī)劃的通知》，正式將廣電700MHz 頻段劃歸移動(dòng)通信系統(tǒng)，為我國低頻段5G發(fā)展提供頻率保障。700MHz 頻段具有傳播損耗小，穿透能力強(qiáng)等無線傳播特性，同時(shí)具有高達(dá)100M 帶寬的頻譜資源，適合沿海水域大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋、船岸寬帶通信需求，且能夠顯著降低組網(wǎng)基站要求。因此，700MHz 5G 無線網(wǎng)絡(luò)也將是沿海船岸無線寬帶通信專網(wǎng)建設(shè)的另一選擇，有待進(jìn)一步研究論證。