蜂窝网络基站无线桥接的研究

郑 健 ，丁良辉

(1. 上海交通大学 电子信息与电信工程学院，上海 200240；2. 上海伟赛智能科技有限公司,上海 200030)



蜂窝网络基站无线桥接的研究

郑 健1,2，丁良辉1

(1. 上海交通大学 电子信息与电信工程学院，上海 200240；2. 上海伟赛智能科技有限公司,上海 200030)

介绍了应急场景下蜂窝基站无线桥接应用的需求，从应急场景信号覆盖和网络流量两个情况，比较了WiFi网桥、LTE网桥和UHF网桥的技术优劣，针对UHF无线网桥，基于无线信号传播模型，从理论上分析了链路预算与发射功率需求，并对上海地区地面广播电视频谱分布情况进行了分析，指出地面广播电视的空白频谱可以用于应急场景下蜂窝基站的UHF桥接。

应急场景；蜂窝网络；无线桥接

地震、海啸、火灾、恐怖袭击等突发因素会导致手机蜂窝移动网络信号丢失，为了恢复蜂窝移动网络信号，可使用无线网桥将应急基站连入主干网，达到快速完成蜂窝网络信号覆盖和补点的目的。目前能够使用的桥接方式有很多，但缺乏在应急环境中的对比，同时，对UHF网桥也缺乏统一的系统分析。因此，本文对比了用于蜂窝网络基站无线桥接的优劣，针对UHF网桥分析了其链路预算与发射功率需求，并以上海为例论证了使用广播白频谱架设蜂窝网络基站无效桥接的可行性。

1 蜂窝基站无线桥接应用分析

1.1 无线网桥技术

无线网桥是一种利用无线传输方式实现在两个或多个网络之间通信的技术。无线网桥具有功率大、传输距离远、抗干扰能力强等优点。无线网桥主要用于室外，配备定向或全向天线实现长距离的点对点或点对多点连接。

1.2 无线网桥的应用场景

本文讨论的无线网桥应用场景大致可分为两种情况：

1)在重大灾害或者事故中受到影响(如本地光缆断裂等)，本地基站成为“孤岛”，孤立于主干网络之外。因而需要通过无线桥接的方式实现“孤岛”基站与主干网络的互联。这种情况下，“孤岛”端的无线网桥天线架设在“孤岛”基站通信塔上，另一端天线架设在附近完好的蜂窝基站通信塔上，通过定向或全向天线进行点对点通信，使基站恢复正常。

2)由于本地基站损坏，使得网络中出现缺口而不得不使用移动应急基站补点。此时，工程人员通过临时架设应急基站完成网络信号的再覆盖，并通过无线网桥使应急基站连入主干网络。应急基站端的无线网桥天线架设在地面上，无线网桥另一端天线架设于附近的蜂窝基站通信塔上。应急基站可以是如基站车辆的移动基站，也可以是临时架设在屋顶、路边的便携式基站。

两种情况的应用系统结构示意图如图1所示。

图1 蜂窝网络基站无线网桥系统结构图

一般来说，无线通信网络基站的距离间隔为城区600 m左右、郊区3 km左右，而形成“孤岛”的基站相较其他基站的间隔距离最小约为3～5 km。在如地震等重大事件发生时，受灾面积波及较广。搭建无线网桥时，应急基站与完好的邻近基站的间隔距离可达20～30 km，这要求基站间无线桥接的网络传输距离不能太短。

2 无线网桥系统技术参数分析

无线网桥系统的需求包括功能需求和网络需求两部分。

2.1 功能需求

作为应急式的保障性通信，无线网桥必须体现以下原则：可靠性、扩展性和经济性。无线网桥的系统设计应采用模块化的设计思路，以保证其有充分的可扩展性。在无线网桥整体方案上追求高效率和低成本，是其商业化的必然需求。因此，无线网桥系统除了考虑整体开发成本以外，还需要考虑长期运营的成本。

在应急事件发生后，无论是使用应急基站还是使用“孤岛”基站通过无线网桥恢复受灾地点的蜂窝网络通信，都必然有一段蜂窝网络无服务的空窗期。失去蜂窝网络覆盖的受灾群众会逐渐变得焦虑，此时一旦蜂窝网络恢复通信，受灾群众会在短时间内产生大量呼叫请求以减少自己的焦虑症状。因此，无线网桥需要保证大业务量下的网络通畅。

另外，为了不影响蜂窝基站的正常通信，对于国内无线网络运营商所在的频段，无线网桥应予以回避。

2.2 网络需求

无线网桥同时也要满足蜂窝网络基站上下行传输的网络需求。

由上文所说，无线网桥需要保证能够不影响对基站的远程管理，还要能够短时间承载大量业务。因此，对于无线网桥来说，在控制面时延，需要保证其从空闲态到激活态的转换时延尽可能小，休眠状态到激活态时延也不能太大。另外，应急基站搭建完成后会在短时间内涌入大量用户，为了确保用户接入，在控制面容量上，无线网桥要保证能够支持大量激活态的用户。

对于发生在不同地点的应急场景，其所需通信距离也不同。在城区，由于蜂窝基站布设较密，因此在受灾地区架设的应急基站与临近蜂窝基站的间距也较小，其所需点对点通信距离也较小。在郊区，由于地势空旷，蜂窝基站之间的距离也随之增大，架设的应急基站与临近基站的间距也更大。

具体的无线网桥网络需求如表1所示。

表1 LTE基站对无线网桥的网络需求

3 主流网桥技术方案比较

目前市面上的无线网桥技术方案，主要有以下3种：WiFi网桥、LTE网桥以及UHF网桥。这3种网桥方案各有特点，每种方案都各自适用不同的应用场景。本节通过对比不同无线桥接技术的特点来讨论基站间无线桥接最为适用的网桥方案。

3.1 WiFi网桥

WiFi技术主要基于IEEE802.11标准，其特点是功耗较低、带宽较宽、射频信号较强。根据设置的不同，WiFi网桥的物理速率最高支持11 Mbit/s，带宽也可设置为10 MHz与20 MHz两种。一般民用WiFi的覆盖范围最高达300 m，而WiFi网桥使用了更大的发射功率与高增益的定向天线，使得WiFi网桥的点对点传输距离可达到20 km[2]。例如神脑(EnGenius)公司的ENH710EXT无线网桥[3]、思科(Cisco)公司的Aironet 1400系列无线网桥[4]等。

WiFi技术所采用的频段相对较高，这样高频段的电磁波在自由空间传播时，较难穿透或绕过中间的遮挡物。在环境复杂的室外空间，很少有纯视距范围传播无线信号的场景，反而在2个通信点之间大多有建筑物或山体、树木等遮挡物。即使信号得以穿透或绕过遮挡物，其带宽也未必能满足需求。如需要搭设应急基站车时，由于应急车辆端无线网桥的天线只能搭设在地上或车顶，因此应急车辆端的无线网桥天线高度远比不上架设于通信塔顶的蜂窝基站端无线网桥的天线高度。在这种情况下，无线信号会穿越更多的障碍物，降低WiFi网桥的信号接收效果[5]。

3.2 LTE网桥

LTE是4G蜂窝网络使用在基站和用户之间的空中接口技术，相比WiFi网桥，LTE网桥的网络架构是全IP扁平化结构，传输速率最高可达下行100 MHz，网桥带宽可根据不同场景设置1.25～20 MHz。LTE网桥采用全向或定向天线，发射更大功率的信号，其信号传输距离可达20～50 km。比如鑫软图(Sinolte)公司的XNB-SPH1800A无线网桥[6]、羚科(LINGKE)公司的LK-AC-5HP-LR无线网桥等[7]。

但是LTE技术在架设时的费用问题也无法忽略，架设LTE网桥需要面临高额的专利费以及网络建设成本。

3.3 UHF网桥

本文所提及的UHF网桥，是采用UHF频段——主要是200～800 MHz范围内的频段、调制解调采用DTM-B标准并且采用OFDM技术进行信号传输的无线网桥，例如文络(WINNET)公司的WM-T2000系列无线网桥[8]等。

选择UHF特高频，主要是看重其波长长，可以更好地绕过障碍物的特性，以实现更好的无线传输和覆盖[9]。而200～800 MHz频段的频率特性使得其在无线传输时能够获得比WiFi(2.4 GHz或5.8 GHz)或LTE(1.8 GHz或2.6 GHz)技术更好地绕过障碍物特性，以实现更好的无线传输与覆盖。而在无线网桥典型的应用场景中，灾后重建场景的地势环境十分恶劣，普通的无线网桥无法达到其覆盖范围的要求。

UHF网桥的传输速率在73 MHz左右，根据设置的不同，可支持1～16 MHz带宽，支持的最高移动速率约为120 km/h。在与其他两种网桥处于同一EIRP的条件下，UHF网桥的传输距离可达50 km。

另外，UHF网桥不需要支付专利使用费用以及数据流量费用，网络建设成本更低。但是目前的频谱被地面广播电视占用，需要考虑频谱授权和可用白频谱问题。

3.4 比较

上述3种无线网桥技术的性能对比见表2。

表2 WiFi、LTE与UHF网桥主要性能对照

由表2可见，WiFi技术在覆盖范围与支持最高移动速率这两项有比较明显的劣势，不符合前文对网桥功能需求的分析。而LTE技术的网络建设成本较高，在应急场景下无法快速搭建符合要求的无线网桥。因此，笔者认为UHF网桥是最适合应急场景下蜂窝网络基站无线桥接的应用需求。

4 UHF无线网桥信号覆盖性能分析

在比较了市面上使用较广泛的几种无线网桥技术标准后，笔者认为最适合蜂窝网络基站间进行无线桥接的无线网桥是UHF网桥。为了使本系统的无线网桥满足其覆盖半径与网络需求，需要通过分析本系统的链路预算与传播模型来着手。

4.1 链路预算与传播模型

链路预算的一般流程包括配置系统带宽，确定天线配置，确定开销复核，发送端功率增益与损耗计算，接收端功率增益、损耗计算，链路总预算等[10]。为了保证接收机的正常接收，接收信号的强度应当满足

Prx>N0

(1)

式中：Prx为接收端的信号强度；N0为基底噪声，即

N0=30+10lg(kT)+10lg(B)+NF

(2)

式中：k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K;T为热力学温度，常温下T=290 K；B为带宽，单位为Hz；NF为噪声系数，本文中假设NF=5 dB。

接收端的信号强度与发射端的信号强度和信号衰落之间的关系为

Prx=Prx-Lp(d)

(3)

式中：Lp(d)表示路径损耗。奥村模型下的城市路径损耗表示为

Lp(d)=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(ht)-k(hr)+

[44.9+6.55lg(ht)]lg(d)

(4)

式中：f为信号中心载频；ht，hr分别为发射天线与接收天线的高度，单位为m；k(hr)为移动接收天线的修正因子。

对于中等规模的城市，有

k(hr)=(1.1lgf-0.7)hr-(1.56lgf-0.8)

(5)

对于大型城市，有

k(hr)=3.2(lg11.75hr)2-4.97

(6)

对于郊区地区，路径损耗Lrural(d)可以表示为

(7)

根据以上公式即可推算，在确定的衰落环境中以一定的功率和带宽发送时信号最远的传输距离。

4.2 白频谱分布估计

为更好地进行应急场景下的信号覆盖分析，笔者所在的团队在上海进行了白频谱分布研究，以最终确定应急场景下无线网桥所可以采用的主要频段。上文中，由于笔者选择了UHF技术的无线网桥作为应急场景下的无线网桥主要技术标准，而这种网桥的系统带宽为8 MHz，因此将测试频段划分为8 MHz的不同频道，本文中以频道为单位进行计算分析。

利用奥村模型计算信道衰落可以得到各个频道在各自不同发射条件下的覆盖距离和到达各个地区时的接收功率[12]。若接收功率高于底噪声，则在这个区域利用此频道进行上行通信会产生干扰，即此频道在该地区不可以作为白频谱使用；若接收功率低于底噪声，则可以考虑在此地区复用该频道。结合实际城市/地区间的距离与拓扑结构，本文的计算结果如图2和图3所示，图中可复用区域和覆盖边缘区域均可以作为白频谱资源使用，可复用区域距离同频下行广播区域更远，可以优先考虑使用。

图2 上海市白频谱分布示意图

图3 上海及周边地区白频谱分布示意图

从图2中可以看出，上海市内的可用频道非常有限，特别是在人口密集的市中心区域，仅有第11频道(中心频率为211 MHz)可以作为白频谱资源使用；与此相对的，松江区、奉贤区和金山区可用的空白频段较多。由图3可以看出，如果考虑使用分配给上海市和上海周边的所有频道，则上海地区可以选择使用的白频谱资源增多。结合图2、图3可知，上海地区可作为白频谱使用的频道集合为

S={11,13,18,21,22,23,24,25,27,29,30,31,35,

36}

(8)

对应的可用中心频点(单位：MHz)集合为

F={211,474,514,538,546,554,562,610,626,642,650,658,690,698}

(9)

4.3 上行链路覆盖半径

根据上文测得结果，笔者选取610 MHz作为中心频点，通过链路预算的方法估计小区覆盖半径。为方便计算，笔者采用了应急基站场景，无线网桥的天线一端架设于临近的蜂窝基站通信塔顶端，距离地面30 m，而另一端则直接架设于地面，高度2 m，其他主要参数见表3。图4展示了对应的链路预算计算结果，据此结果可以获得单个上行小区的最大覆盖半径，即应急基站到邻近基站的最远距离[11]。

表3 链路预算相关参数

根据上行链路参数，分别计算郊区环境和城区环境中用户不同的发射功率下可达到的覆盖范围，结果如图4所示。根据图4可以发现，在一般的应急场景下，用户的EIRP在40 dBm时，郊区环境覆盖距离约为22 km；在城区的覆盖距离约为7 km。如果适当降低对用户EIRP的限制，增大用户的发射功率，当用户的发射功率达到50 dBm时，在郊区可以达到40 km左右的覆盖距离，在城市地区的覆盖距离约为13 km。

图4 不同衰减模型下的链路预算结果

本文计算在城区和郊区两种传输环境中，为了达到不同覆盖距离发射设备所需要的发射功率，结果如图3所示。由图3可以看出，若需要满足上文提到的典型的应急场景信号覆盖需求，用户信号的传输距离要达到30 km(郊区)或10 km(城区)，其上行设备发射端需要约为46 dBm的发射功率[12]。对于现有的上行用户设备而言，这样的发射功率较难实现，因此本文提出的通过搭设应急基站与无线网桥帮助远距离用户与通信基站之间通信的方案具有实际价值。

5 结语

通过分析蜂窝网络基站无线桥接的应用场景及对无线网桥系统的网络需求与功能需求分析，比较了市面上广泛使用的3种无线网桥技术，提出基于OFDM的UHF网桥是符合应急场景中蜂窝网络基站无线桥接的最佳无线网桥选择。

进一步对该无线网桥进行链路预算，通过奥村模型对传播链路的覆盖半径分析，结合笔者所在团队对上海地区白频谱分布估计，计算得出了所有无线网桥适合使用的中心频点，并通过设定的中心频点计算出了无线网桥的覆盖距离。但由于应急环境的突发性，这些中心频点不一定全部符合应急环境所在位置的网络环境。因此，最好在突发事件发生地点重新测定频谱以确定最合适的中心频点。

[1] 李军. 异构无线网络融合理论与技术实现[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[2] 李晓阳. WiFi技术及其应用与发展[J]. 信息技术，2012(1):196-198.

[3] ENH710EXT工业级室外无线AP/网桥[EB/OL].[2016-10-12]. http://www.engeniustec.com/index.aspx?menuid=4&type=productinfo&lanmuid=7&infoid=101&lang uage=cn.

[4] Cisco[EB/OL]. [2016-10-12]. http://www.cisco.com/c/zh_cn/products/collateral/wireless/aironet-1400-wireless-bridge/product-data -sheet09186a008018495c.html.

[5] 郭庆, 王振永, 顾学迈. 卫星通信系统[M]. 北京：电子工业出版社, 2010.

[6] LTE便携基站[EB/OL]. [2016-10-12]. http://www.sinolte.net/productview.jsp?pid=8.

[7] 羚科远距离无线网桥全千兆LK-AC-5HP-LR[EB/OL]. [2016-10-12].http://www.wirelesser.com/products/lk-ac-5hp-lr-long-range-wireless-bridge-cpe.html.

[8] uLinx系统[EB/OL]. [2016-10-12]. http://www.winnetech.com/index.php?case=archive&act=show&aid=39.

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责任编辑：薛 京

Research on wireless bridge between cellular base stations

ZHENG Jian1, 2, DING Lianghui1

(1.SchoolofElectronicInformationandTelecommunicationEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiVSITechnologyCo.,Ltd.,Shanghai200030,China)

The requirement of wireless bridge application between cellular base stations in emergency scene is introduced. The advantages and disadvantages of WiFi-based bridge, LTE bridge and UHF bridge are compared taking signal coverage and network traffic into account. The link budget and the requirement of transmit power of the UHF bridge is analyzed by using the wireless signal propagation model. It is concluded that the white spectrum of terrestrial broadcasting can be used for UHF bridge between cellular base stations in emergency case.

emergency scene; cellular network; wireless bridge

郑健，丁良辉.蜂窝网络基站无线桥接的研究[J]. 电视技术，2016,40(12)：99-103. ZHENG J,DING L H.Research on wireless bridge between cellular base stations[J]. Video engineering，2016,40(12)：99-103.

TN925+.92

A

10.16280/j.videoe.2016.12.019

2016-10-27