5G海域覆盖赋能海洋经济发展
发布时间：2022-06-22 作者：中兴通讯 赵仲杰，吕佩 阅读量：
随着经济的发展，海域、沙漠、农村等场景和地区对数据通信的需求也日趋增强，尤其在海域，除近海存在渔业、旅游等场景外，还有航线、海洋环境监测、海上风电、海域执法救援等更远距离数据通信的需求。传统无线网覆盖方案仅能实现14km内的数据传输，更远则需要依托较为昂贵的海洋卫星通信系统。但是，视频通话、高清直播、监控视频回传等业务又在容量上受到掣肘，卫星通信无法满足多样化的海洋业务需求。因此，利用5G超远覆盖技术打造一张大容量、低成本、高可靠的海上无线网络是摆在运营商面前的一大机遇。
在“海洋强国”战略的大背景下，5G海域覆盖不仅可为海洋资源监管治理提供超远距离网络信号，也为渔民深海养殖、海上风电场的视频监控等信息采集和回传提供了经济便利的高速通信服务手段，还满足了渔民直播带货等新兴场景的网络需求。
海上地广人稀，常规网络覆盖方案投资收益比较低。中兴通讯提出基于超远覆盖技术的5G海域覆盖方案，用最少的站点达到最大的覆盖距离，节省投资的同时满足用户网络通信需求。
海域覆盖关键技术
海域覆盖主要聚焦于超远覆盖场景，其有效覆盖范围取决于多种因素，包括频段特性、站址及天线挂高、天线选择、基站及终端发射功率、PRACH接入格式等。总的来说，频段越低，天线海拔高度越高，基站功率越大，小区覆盖距离也就越远。
针对无线海域覆盖需求，需要将基站覆盖的关键因素与网络规划相结合，才能达到大幅提高覆盖范围和系统性能的目的。
关键因素一：频段
理论上频率低的电波传播距离长，频率高的电波传播距离短。在自由空间场景，以700MHz为基准，2.1GHz较700MHz路损增加9.5dB左右，因此电信联通使用2.1GHz频段进行5G超远覆盖时，需配合采用高增益天线。此外，在站点规划阶段，不仅需要考虑覆盖距离，还需要考虑业务对于容量的需求，做到按需组网。
关键因素二：站址及天线挂高
地球是个球体，因此无线电波在地表面进行超远距离传播时，需要考虑地球曲率对信号传播的影响。海域传播模型中，主要影响因素为天线挂高及接收终端高度。
超远覆盖需要保证在视距范围内通信，为了尽可能保证可视距离，在终端高度一定的前提下，需要基站天线挂高越高越好，即“站得高看得远”。链路预算表明，在站点选择上，TDD NR近海覆盖时，站高对上行边缘速率的影响较小，站点选择更加灵活；而对FDD NR而言，站高对其超远覆盖能力影响明显，站址选择上优先考虑高海拔站点，如在比较高的山丘、沿海边山顶建立铁塔。
关键因素三：天线选择
在天线选择上，需要选择具有良好零点填充和上副瓣抑制的天线，以避免严重的“塔下黑”问题，如涉及超远覆盖场景，则需要采用高增益平板天线和透镜天线。
针对中国移动网络，由于700MHz频段低，天线尺寸大，综合考虑迎风面的影响，通常情况下建议选择高增益平板天线，但其在多波束设计的时候旁瓣抑制较差，在网络优化阶段需要解决重叠覆盖问题。
针对电信和联通2.1GHz网络，透镜天线是个不错的选择。透镜天线具备20dBi的高增益，且拥有4波束特性，在组网上更有优势，节约站点资源，此外还具有波束指向性好、旁瓣抑制高等特性。
关键因素四：大功率基站
采用大功率RRU可提升信号的功率，经过同样的空间衰耗，终端的接收功率会相应增加，从而增加下行覆盖。中兴通讯大功率四通道RRU产品，输出功率高达4×80W，满足基站超远覆盖需求。
关键因素五：PRACH接入格式
3GPP在5G R15标准中定义了随机接入前导格式，不同的随机前导格式决定了一个PRACH占用的时域资源及小区的覆盖范围，较大的覆盖范围需要较长的CP（循环前缀）和GT（保护间隔）来抵消相应的往返时延，即小区覆盖范围越大，传输时延越长，需要的CP和GT越大。
如图1所示，根据3GPP标准规定，TDD NR仅支持PRACH Format 0格式，最大接入距离为14.5km；但针对PRACH format 0中GP进行定制，可拓展至支持最远59km接入，目前中兴通讯已对此功能展开了相应研究与应用。同时，FDD NR支持修改为Format 1格式，能够实现103km的最大接入距离，满足海域超远覆盖要求。
图1 PRACH格式与最大小区半径
探索实践
5G商用两年有余，各运营商逐步将建设视野聚焦至海域，积极探索5G海域超远覆盖应用。
福建移动、福建广电联合中兴通讯在福州平潭海域完成了5G基于700MHz的海域超远覆盖的测试验证。平潭5G站点高400m，在普通平板天线的条件下，拉远距离达到79km。且测试船只距离站点超过60km的情况下，下行速率仍超过77Mbps，上行速率超过800kbps。该测试表明，NR 700MHz超远覆盖可以满足用户70km以内网页浏览、50km以内1080p视频直播、40km以内VoNR、2K高清视频的需求，为海上风电、航线、渔排、海岛等场景提供可靠网络保障。
山东联通联合中兴通讯在日照港岚山区海域完成了5G基于2.1GHz的海域超远距离覆盖。岚山港5G站站高112m，通过使用中兴通讯大功率多通道5G基站，选择特殊的PRACH帧接入格式，配合重量轻、增益高的龙勃透镜天线，以最少的站点达到最大的覆盖距离。在2.1GHz 20M频谱带宽条件下，距海岸线48km处仍然能达到91.8Mbps的下载数据传输速率；54km极限距离的下载速率也仍然能达到2Mbps。
随着5G技术的不断演进，中兴通讯将持续加大5G在海域覆盖技术方案的投入，助力运营商打造一张高质量海洋5G网络，推动海洋领域的智能化发展和经济效益提升，促进信息技术与海洋经济深度融合，为数字经济在海洋领域的发展奠定坚实基础。
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