海上風(fēng)電基站的5G 信號(hào)傳播特性及其影響因素分析

曹芳志

（珠海樂(lè)創(chuàng)通信技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

5G 海上風(fēng)電基站，作為基于5G 新無(wú)線（New Radio，NR）的一體化基站，擁有小體積、低部署成本以及簡(jiǎn)便施工等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需新增傳輸即可解決海上風(fēng)電場(chǎng)的5G 信號(hào)覆蓋盲點(diǎn)。通過(guò)5G 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)及其周邊海域的高速5G 信號(hào)無(wú)縫覆蓋，且能夠大幅提高海上風(fēng)電基站的通信效率和穩(wěn)定性。本文通過(guò)分析5G 信號(hào)在海上風(fēng)電基站的傳播路徑、距離以及衰減等特性，并探討海洋環(huán)境、天氣、風(fēng)電基站的結(jié)構(gòu)和位置等因素對(duì)5G 信號(hào)傳播的影響。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)面臨的通信需求和挑戰(zhàn)

由于風(fēng)電場(chǎng)通常位于遠(yuǎn)離陸地20 ～120 km 的海上區(qū)域，同時(shí)涉及到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳，如風(fēng)力、轉(zhuǎn)速、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，以進(jìn)行效率優(yōu)化和故障預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)包括基站設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的依賴，減少安全風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營(yíng)成本。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求也在日益增長(zhǎng)。海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以及人工智能（Artificial Intelligence，AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高的要求，傳統(tǒng)的衛(wèi)星和窄帶專網(wǎng)通信方式帶寬有限，延時(shí)高，容易受到天氣等環(huán)境因素的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)階段，風(fēng)電場(chǎng)之間協(xié)同作業(yè)的需求增加，站間的高速、低延時(shí)等通信需求為5G 技術(shù)的引入提供了廣闊的應(yīng)用空間[1]。

2 5G 在海上風(fēng)電場(chǎng)通信中的應(yīng)用

5G 技術(shù)能夠利用其高速、大帶寬、低延遲的特性，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，使海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行更加智能化。5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)傳輸海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括但不限于溫度、壓力、風(fēng)速等，通過(guò)實(shí)時(shí)分析這些數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)預(yù)警可能出現(xiàn)的故障，大幅提高了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和安全性。同時(shí)，5G 海上風(fēng)電基站還能實(shí)現(xiàn)基站之間的快速信息交換，使得基站之間能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交換，從而使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行更加協(xié)同，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。除此之外，5G 網(wǎng)絡(luò)還使得海上風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能，大幅降低了運(yùn)維成本[2]。通過(guò)利用5G 網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)分析能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行深度挖掘，從而提高其發(fā)電效率。

3 影響5G 信號(hào)傳播的因素分析

3.1 天氣條件的影響

海上風(fēng)電場(chǎng)這種極端環(huán)境下，雨、霧、溫度和濕度等在內(nèi)的各種天氣因素，都可以對(duì)5G 信號(hào)的傳播特性產(chǎn)生影響。雨滴對(duì)5G 信號(hào)的影響尤其明顯，其大小和形狀可以使信號(hào)發(fā)生散射，而雨滴內(nèi)部的水分也會(huì)吸收信號(hào)，這2 種效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減。雨滴的分布和密度會(huì)隨著降雨強(qiáng)度的變化而變化，導(dǎo)致信號(hào)衰減的程度也隨之變化。例如，在大雨中，5G信號(hào)可能會(huì)嚴(yán)重衰減，降低信號(hào)的傳播距離和質(zhì)量；霧中的水滴和濕度都會(huì)吸收和散射信號(hào)，在高濕度的海洋環(huán)境中，霧氣還會(huì)改變空氣的折射率，導(dǎo)致信號(hào)傳播路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)；溫度的變化會(huì)改變空氣的折射率，特別是在溫度梯度較大的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生異常折射，而且溫度的變化還會(huì)影響大氣中水蒸氣的含量。在海上風(fēng)電基站中，天氣條件的變化更為劇烈，可能在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷各種極端天氣，因此對(duì)5G 信號(hào)的影響也更為復(fù)雜和嚴(yán)重。

3.2 海洋環(huán)境的影響

海洋環(huán)境中的海浪、鹽度以及溫度等對(duì)5G 信號(hào)的傳播有直接影響。海浪會(huì)改變海面的形狀和粗糙度，從而影響海面對(duì)5G 信號(hào)的反射與散射特性，其高度、周期、方向等參數(shù)會(huì)影響海面的粗糙度，根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s 時(shí)，海面粗糙度的變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降約7 dB。海水的鹽度會(huì)改變海水的電導(dǎo)率，從而影響海面對(duì)5G 信號(hào)的反射與吸收特性，相關(guān)研究顯示，當(dāng)海水的鹽度從35‰增加到40‰時(shí)，對(duì)28 GHz 頻率5G 信號(hào)的反射系數(shù)會(huì)增加約0.1，這可能導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降約1 dB。溫度對(duì)5G 信號(hào)傳播的影響主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面，一方面，溫度的變化會(huì)改變海水的密度和電導(dǎo)率，進(jìn)而影響海面對(duì)5G 信號(hào)的反射與吸收特性；另一方面，海洋溫度梯度的變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在海面以下的傳播路徑發(fā)生折射，從而影響信號(hào)的傳播距離和方向，根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)海水溫度從20 ℃降低到10 ℃時(shí)，對(duì)28 GHz 頻率5G 信號(hào)的反射系數(shù)可能會(huì)增加約0.2，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降約2 dB。

3.3 風(fēng)電基站結(jié)構(gòu)和位置的影響

主要表現(xiàn)在基站的高度、位置、朝向以及周圍建筑物和其他風(fēng)電機(jī)等因素，對(duì)信號(hào)傳播路徑、傳播距離和信號(hào)強(qiáng)度等方面的影響?；镜母叨瓤梢詻Q定其信號(hào)的傳播距離和覆蓋范圍，一般來(lái)說(shuō)，基站的高度越高，其信號(hào)的傳播距離越遠(yuǎn)，覆蓋范圍也就越大，當(dāng)基站的高度增加時(shí)，信號(hào)可能會(huì)經(jīng)歷更多的反射和散射，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降[3]。基站的位置如果位于海上風(fēng)電場(chǎng)的中心，則其信號(hào)可以覆蓋更大的區(qū)域，而如果基站位于風(fēng)電場(chǎng)的邊緣位置，則其信號(hào)的覆蓋范圍可能就會(huì)受到限制；基站的位置如果位于風(fēng)電機(jī)的附近，則風(fēng)電機(jī)可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生反射和散射，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。若基站朝向風(fēng)電機(jī)，則風(fēng)電機(jī)可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生反射和散射，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。

3.4 5G 技術(shù)自身的限制

5G 技術(shù)主要使用毫米波頻段，因高頻信號(hào)的傳播距離較短，更容易受到建筑物、植物、雨滴等物體的阻擋，以及大氣的吸收影響。這意味著在海上風(fēng)電基站等開闊環(huán)境中，5G 信號(hào)可能需要更多的中繼站或者基站來(lái)保證信號(hào)覆蓋。根據(jù)相關(guān)研究，毫米波的傳播損耗大約為70 ～100 dB/km，比3G 和4G 的信號(hào)損耗更大。由于5G 技術(shù)采用了新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議，如NR、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）等，在提供更高效率和靈活性的同時(shí)，可能需要更高的維護(hù)成本和更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理[4]。5G 網(wǎng)絡(luò)需要更多的基站和更高的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)海上風(fēng)電基站等遠(yuǎn)離電網(wǎng)的環(huán)境來(lái)說(shuō)，需要采取特殊的電源解決方案，如利用風(fēng)電或者太陽(yáng)能等可再生能源。以上均可能影響其在海上風(fēng)電基站等環(huán)境中的信號(hào)傳播，因此需要采取一系列的技術(shù)和策略加以優(yōu)化，如增加中繼站或基站、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理、采用可再生能源等。

4 改善海上風(fēng)電基站的5G 信號(hào)傳播質(zhì)量的策略研究

4.1 優(yōu)化基站設(shè)計(jì)和布局

基站的設(shè)計(jì)主要涉及天線設(shè)計(jì)。在海上環(huán)境中，天線需要具備抗風(fēng)、防腐蝕以及耐鹽霧的特性，以適應(yīng)惡劣的海洋氣候條件。多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)的天線由于其在提升通信效率和可靠性方面的優(yōu)越性，天線的高度與信號(hào)的覆蓋范圍和質(zhì)量有直接的關(guān)聯(lián)，需要根據(jù)實(shí)際海域環(huán)境和應(yīng)用需求合理設(shè)定天線高度。在基站布局的優(yōu)化中，主要考慮如何提高信號(hào)覆蓋效果。海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域廣闊，傳統(tǒng)的基站布局可能難以覆蓋所有區(qū)域，因此設(shè)計(jì)更加密集的基站布局，以確保較大的覆蓋范圍。同時(shí)，需要針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和需求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，避免因?yàn)榛鹃g的相互干擾而影響信號(hào)質(zhì)量。在優(yōu)化基站設(shè)計(jì)和布局的過(guò)程中，應(yīng)用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)、海浪、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)等，可幫助對(duì)信號(hào)傳播情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的理解，從而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，另外 人工智能和大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用也可以幫助更精確地預(yù)測(cè)與掌握信號(hào)傳播的影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化基站設(shè)計(jì)和布局。

以某100 km 外場(chǎng)海上探測(cè)船的通信需求解決方案為例，擬采用5G Mesh 技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，如圖1 所示。Mesh 技術(shù)具有自組織、自中繼的特點(diǎn)，特別適合用戶量較少但分布稀疏的場(chǎng)景。本案例中，存在2 種可選方案：（1）在覆蓋方向70 km 左右存在一個(gè)小島平臺(tái)，可以在海拔100 m 左右的高度建立一個(gè)基站小平臺(tái)，采用自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋；（2）如果沒(méi)有合適的島嶼，可以通過(guò)移動(dòng)式的中繼船來(lái)實(shí)現(xiàn)中繼，中繼船上可以建立100 m 高的立桿或系留無(wú)人機(jī)。在需要拉中繼時(shí)，將中繼船開至中繼點(diǎn)。若中繼點(diǎn)高度不夠，可以增加中繼點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)覆蓋。該案例中，5G Mesh 方案自中繼、自組織，可以根據(jù)覆蓋需要適當(dāng)增加中繼點(diǎn)，無(wú)需做復(fù)雜規(guī)劃。此外，中繼或覆蓋基站的高度不需太高，減少了工程成本。但5G Mesh 自身的流量受限，因?yàn)橹欣^也需占用帶寬資源，只適合用戶并發(fā)不太大的場(chǎng)景。此案例展示了5G Mesh 技術(shù)在海上通信覆蓋方面的應(yīng)用，為類似場(chǎng)景設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行的解決方案參考。

圖1 5G Mesh 解決方案

4.2 信號(hào)增強(qiáng)和衰減補(bǔ)償技術(shù)

信號(hào)增強(qiáng)是提高信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵，基于波束成形技術(shù)的信號(hào)增強(qiáng)是一種有效方法。波束成形通過(guò)在特定方向上集中無(wú)線信號(hào)，從而提高了信號(hào)在這個(gè)方向上的強(qiáng)度，降低了信號(hào)在其他方向上的干擾。在海洋環(huán)境中，5G 信號(hào)傳播經(jīng)常受到多種因素的影響，如風(fēng)速、海浪、鹽霧等，這些都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減?；谧赃m應(yīng)調(diào)制和編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技術(shù)的衰減補(bǔ)償方案被廣泛應(yīng)用，能夠根據(jù)信道狀況的變化自動(dòng)調(diào)整調(diào)制和編碼方案，以達(dá)到補(bǔ)償信號(hào)衰減的效果[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，需要以上述的信號(hào)增強(qiáng)和衰減補(bǔ)償技術(shù)，結(jié)合大量的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。例如，通過(guò)收集和分析風(fēng)速、風(fēng)向、海浪等環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)波束成形和AMC進(jìn)行了優(yōu)化配置，同時(shí)基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析，對(duì)這些環(huán)境因素與信號(hào)傳播特性的關(guān)系進(jìn)行了深入的建模和學(xué)習(xí)，進(jìn)一步優(yōu)化了信號(hào)傳播。

4.3 使用新技術(shù)以及新型設(shè)備

邊緣計(jì)算技術(shù)的引入可以提高5G 信號(hào)的處理效率，海上風(fēng)電基站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，每天可能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百TB 的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的集中處理方式會(huì)引起信號(hào)延遲，影響到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。邊緣計(jì)算技術(shù)通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)施，使得每天產(chǎn)生的數(shù)百TB 數(shù)據(jù)在產(chǎn)生的地方就得以處理，從而將延遲降低了80%，提高了信號(hào)傳輸效率。無(wú)線電頻譜掃描設(shè)備的使用可以幫助分析和優(yōu)化信號(hào)傳播，實(shí)時(shí)收集和分析信號(hào)強(qiáng)度、頻率、傳播路徑等信息。這些信息的收集和分析每分鐘可以進(jìn)行上百次，為優(yōu)化信號(hào)傳播提供了實(shí)時(shí)、詳實(shí)的依據(jù)。另外，光纖無(wú)線混合接入技術(shù)的引入能顯著提高5G 信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低約30%的設(shè)施投入。

5 結(jié) 論

本次研究對(duì)海上風(fēng)電基站的5G 信號(hào)傳播特性及其影響因素進(jìn)行了深入分析。通過(guò)對(duì)5G信號(hào)傳播特性、傳播距離、信號(hào)衰減的討論，論述海洋環(huán)境、天氣條件以及風(fēng)電基站的結(jié)構(gòu)和位置等因素對(duì)5G 信號(hào)傳播產(chǎn)生的重要影響。為改善5G 信號(hào)在海上風(fēng)電基站的傳播效果，提出了一些優(yōu)化策略。在后期實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高效、穩(wěn)定且可靠的5G 信號(hào)傳播。