关于“三沙1号”大型游轮移动通信网络覆盖的探讨

黄圣红，李洲

(1 中国移动通信集团海南有限公司，海口 570125；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

关于“三沙1号”大型游轮移动通信网络覆盖的探讨

黄圣红1，李洲2

(1 中国移动通信集团海南有限公司，海口 570125；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文结合“三沙1号”大型游轮移动通信网络建设的实际案例，介绍其2G、4G网络建设的方案，包括移动通信建设方案、卫星通信系统建设方案、船载通信系统配套方案等，可用于指导后续大型游轮、舰船移动通信网络建设。本文所探讨的大型游轮移动通信网络的覆盖方案对于运营商开展大型游轮、舰船移动通信网络建设有重要的参考意义。

4G网络；大型游轮；移动通信；网络覆盖

1 引言

海南属于海洋大省，管辖的海域面积约2 000 000 km2。海南高度重视发展海洋经济建立海洋强省，起到表率作用，担当起这个历史的责任。在海洋基础设施建设方面，积极推进三沙交通、通信、水电、后勤保障等基础设施建设，特别是推进“三沙1号”建造和西沙永兴岛综合码头二期工程等重点项目。

在“一带一路”国家战略下，海洋建设提速，海域通信需求强烈。“三沙1号”船长120 m，宽20 m，排水量8 100吨，最大航速20节，续航力6 000海里，可搭载旅客450人，载车25辆。该船主要航行于南海远海航区，担负三沙市所属的西、南、中沙群岛海域的综合补给、行政管理、岛礁考察及其他相关任务。由于无线基站覆盖距离有限以及深海区无法建设基站，“三沙1号”在离岸一定距离后，绝大部分的航线没有无线基站信号。为了保障“三沙1号”在南海远海通信盲区的无线通信，将在“三沙1号”上新建一套通信系统，有效补充网络覆盖，解决了海上的移动通信难题，同时对海上作业、维护国家海洋领土主权具有重大意义。

根据客户对移动通信的实际需求， 要求对“三沙1号”的船舱各楼层及周边海域实施2G和4G网络覆盖。为保障人们在大型游轮上的实时通信，需要在游轮上建设船载基站。船载基站采用卫星传输接入北京中心站，传输总速率在5 Mbit/s左右。

经过详细勘察设计，结合海南本地网资源，提出建设方案如下：新建船载卫星通信系统1套、船载基站3个（中国移动2G基站1个、中国移动4G基站1个及预留其它运营商基站1个）、船载室内分布系统1套、扩容中国移动原有卫星中心站1项，租用卫星转发器1项，调度2条从北京地球站至海口的E1（2 Mbit/s）电路，调度1条从北京地球站至海口的IP（10 Mbit/s）电路。

新增的“三沙1号”卫星传输远端基站通过卫星接入北京中心站，然后通过北京中心站至中国移动望京枢纽楼的光传输电路接入中国移动长途一级干线，通过调用一级干线和省内的二级干线接入该基站的归属BSC或MME，传输路由比一般陆地通信基站传输路由长且复杂。网络结构示意图如图1所示。

图1 网络结构示意图

2 移动通信建设方案

在船上建设2G基站及4G基站各1个，在船顶架设室外覆盖天线2个，在船舱内架设一套室内分布系统以实现2G及4G信号全覆盖，全程为三沙1号上的用户提供语音业务以及数据业务，以满足用户各类业务需求。

2.1 船载基站及室外覆盖

2.1.1 船载基站设备

考虑到覆盖功率、走线、船载空间以及后期维护，船载2G主设备采用华为DBS3900设备一套，配置O12；船载4G主设备采用华为DBS3910设备一套，配置O1，船载2G及4G基站设备与卫星天线共机房安装。另外，4G需安装1个GPS天线于室外空旷位置，GPS天线通过1/2跳线与BBU链接。

2.1.2 室外天线

室外天线安装在轮船顶层空旷位置，对甲板及周边海域进行覆盖。室外天线均通过馈线与RRU主设备链接，RRU再通过野战光缆及电源线与BBU链接，从机房到船顶需布放2根野战光缆。

2.1.3 覆盖距离

覆盖距离2G采用Okumura-Hata模型计算，4G采用COST-231-Walfish-Ikegami模型计算。在海面空旷区域，2G可覆盖周边海域约1 000 m，4G可覆盖周边海域约400 m；在码头，由于无线传输损耗比海面大，因此，在码头2G可覆盖岸边约600 m， 4G可覆盖岸边约200 m。

2.1.4 漫游管控

由于安装室外天线，必将造成轮船周边外省用户被漫游，对此，中国移动海南公司将通过海南本地网进行管控，使轮船周边外省用不被漫游。

2.1.5 系统干扰

由于安装室外天线，轮船在靠近岸边时必将对岸边陆地基站造成频率干扰，使用户无法通信。这只能通过船上员工进行人工操作，在靠近岸边约2 km的地方就要关闭2G基站室外天线，以免因频率干扰而造成用户无法通信。

2.1.6 传输速率分配

卫星设备之间满足5 Mbit/s传输速率，速率分配如下：

中国移动2G业务：重点保障话音业务，配置12个载频，约需1.5 Mbit/s。

中国移动4G业务：尽力而为提供低速率数据业务，配置1个载频，约需2 Mbit/s。

预留约1.5 Mbit/s数据速率给其它单位使用。

2.1.7 话务容量

2G话务容量： 2G配置12个载频，按O12配置，每用户平均忙时话务量为0.025 Erl，设定呼损率为2%，配86个业务信道、业务信道按话言信道76个、静态PDCH业务信道10个计算。本方案可同时满足76个用户通话。

4G传输速率：根据速率分配，4G最大速率为2 Mbit/s，按同时有10个用户使用计算，平均每用户传输速率为204.8 kbit/s，用户越多，传输速率越低。

2.2 室内分布系统

分别在“三沙1号”的天花板上安装吸顶天线，对客轮进行全覆盖。如有边缘区域的玻璃窗，则采用定向吸顶天线，以避免由于信号大量外泄。吸顶天线通过馈线与2G及4G主设备RRU链接，RRU再通过野战光缆及电源线与BBU链接，网络系统图如图2所示。

3 卫星通信系统建设方案

3.1 远端站卫星通信系统建设方案

将在“三沙1号”上新建1个远端站，含卫星通信设备、“动中通”卫星天线等。

3.1.1 卫星通信设备

卫星通信设备由室内单元和室外单元组成。室内单元包括IDR通信调制解调器、TCP加速器、Abis优化设备。

IDR调制解调器采用L波段设备，集成了LNB供电和10MHz参考的选件，直接通过Tx馈线给发射BUC提供10MHz参考基准，同时通过Rx馈线给LNB供电，从而大大简化了系统体系结构，增加可靠性。

由于BUC发射功率较大，需要单独供电。此外，MODEM通过Tx发射接口使用FSK信号来监控BUC，替代了ODU外接的RS232/RS485监控线，提供BUC状态的监视，包括详细的告警、BUC的射频功率、BUC的衰减控制、工作温度，并可编程BUC给出额外效率补偿，BUC被统一纳入到Modem的管理中。

TCP加速器采用透明代理的方式，将TCP一端的连接终结，然后重新发起一个连接到TCP的另外一端。这样，两端的数据分组都被缓存在两端的TCP加速器上，TCP加速器之间的数据发送由TCP加速器进行控制。在这两个透明代理之间，通常将协议转换为UDP协议或其它自定义协议，这些协议本身可以完全按照自己的要求进行控制，达到提高TCP性能的效果；同时，双边TCP加速还可以引入压缩、缓存等技术进一步提高TCP性能。可见，采用TCP加速能够提升4G用户的体验。

Abis优化设备分析Abis接口传输的不同数据，进行相应的处理算法，打破固定的时隙分配方式而在远端恢复原数据，降低Abis数据速率从而节省带宽。

图2 船载网络系统图

室外单元由“动中通”卫星天线、BUC（含室外上变频单元和固态功率放大器SSPA）、低噪声变频放大器LNB、电源保护器、空调等组成。LNB接收来自卫星转发器的下行信号变频为L波段，并将信号放大。BUC将L-Band信号上变频并将信号经功率放大器放大，由天线发射到卫星转发器。室内外单元之间采用L波段连接。

3.1.2“动中通”卫星天线

“三沙1号”在海上的移动过程中，其方向和地理位置一直在发生变化，无法采用传统的固定卫星天线系统。为了解决卫星相对位置不断变化的问题，三沙1号采用船载“动中通”卫星通信系统。

“动中通”天线可以感知自身位置和状态的变化，实时调整接收天线方向，使其对准目标卫星，保障通信的连续性。

船载“动中通”卫星通信系统在初始静态情况下，由GPS、经纬仪、捷联惯导系统测量出航向角、船体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据船只的地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。在船体运动过程中，系统测量出船体位置的变化，通过数学平台运算，变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证船体在变化过程中天线对星在规定范围内，使卫星发射天线在船体运动中实时跟踪地球同步卫星。

远端站设备连接方式如图3所示。

3.2 通信系统选择及网络结构

IDR/IBS体制是全球卫星通信设备制造商公认的制造标准，不同厂家的通信设备（如Modem）可以互相兼容和互通，便于选配设备和扩容。同时采用该技术的设备操作和维护方便，工作可靠性高，时延抖动小。考虑到以上优点以及当时卫星技术的发展程度，中国移动卫星网建网之初选择了IDR/IBS技术体制组网，并一直沿用至今。

目前，除了IDR/IBS技术，还有一些采用TDM/ TDMA或者TDMA体制的VSAT系统也可以用于基站接入使用，这些体制的主要优点是可以多个站动态共享转发器资源，但根据中国移动实验室的测试结果，当采用动态共享技术时会导致时延抖动的增加，从而影响卫星链路的传输质量和GSM网络的通信质量；而如果不采用动态共享，则无法获得带宽资源的节省。

另外，考虑到中国移动已建设了很大规模的IDR/ IBS卫星传输网络，并在此基础上开发了一套比较完善的网管系统，而且随着地面光缆覆盖范围的不断扩大以及村通工程的基本结束，未来用于基站传输的通信网络建设需求会逐渐减少，因此本期工程建议不再引入新的卫星技术体制，继续沿用前期工程的IDR/IBS方式传输。

采用IDR方式建设的卫星网络系统框图如图4所示。

3.3 通信频段及主站选择

“三沙1号”远端站建议采用C频段资源。主要因为这些地区雨量大，C频段雨衰较小，链路更稳定。不管选用哪个频段，都应充分利用北京中心站已建射频设备，以节省设备投资，而且建设周期较短。

图3 远端站设备连接示意图

图4 IDR卫星网络结构示意图

3.4 端站卫星天线口径选择

考虑到船上安装位置和安装难度，建议尽量采用小口径天线。因此，本项目采用2.4 m口径“动中通”卫星天线。

3.5 链路计算

计算场景如表1所示。

表1 计算场景

卫星设备之间满足5 Mbit/s传输速率，速率分配如下：

中国移动2G业务：重点保障话音业务，配置12个载频，约需1.5 Mbit/s。

中国移动4G业务：尽力而为提供低速率数据业务，配置1个载频，约需2 Mbit/s。

预留约1.5 Mbit/s数据速率给其它单位使用。

系统传播可用度为99.9%。主站卫星天线指向误差取0.2 dB，端站卫星天线指向误差取0.5 dB，上下行大气损耗各取0.2 dB。

北京中心站为750 W行波管功放（馈源口输出功率650 W）。

远端站采用2.4 m口径天线，则远端站需配置40 W功放，采用QPSK+TPC7/8和载波叠加，可满足传输速率的要求，功带较为平衡。

根据链路计算结果，可得到本期工程带宽需求情况如表2所示。

4 船载通信系统配套方案

4.1 电源系统需求

卫星天线系统需3路220 V交流电给设备供电。（1）天线空调供电。天线空调正常工作时供电为220 V 5.5A，考虑到其启动电流大及供电余量，天线空调供电要求不低于2 000 W。

表2 带宽需求情况

（2）上甲板其它设备供电。天线转台供电为220 V 150 W，考虑到该路电源同时为ODU供电及供电余量，上甲板其它设备供电要求不低于1 000 W，供电要求通过UPS。

（3）下甲板设备供电。天线控制器供电为220 V 160 W，供电要求通过UPS。

考虑到船载空间有限以及引电难度，基站采用多路交流供电，其中1路220V交流+交流转直流设备+ DCDU（直流分配单元）分别给主设备机房2G及4G的BBU和RRU供电，其他分布于各层的BBU采用就近引入220 V交流供电。

4.2 防雷接地要求

远端站应使用水平接地体将卫星地球站的卫星天线基础接地体、基站铁塔地网、电力变压器地网以及站内各建筑物地网相互连通，形成封闭的环形联合地网，并采用站内等电位连接设计和雷电过电压保护等综合防护措施。

卫星天线基础的闭合接地环与生产用房的闭合接地环在地下应有两处以上可靠的连接，组成封闭的地网。

要求卫星设备及天馈线系统均处于远端站避雷针的有效保护角内，走线架以及天线支架要求与地网良好连接。

连接室外单元和室内单元间L频段电缆的金属外护层在室外应在天线背部和机房入口处外侧就近接地；如电缆较长（超过60 m），应在电缆中间增加一个接地点。

卫星馈线和GPS馈线应安装馈线避雷器，避雷器的安装应靠近室内设备。与BTS相连的2 Mbit/s数据线也应该安装数据线避雷器。

5 结论

经过多个月的努力，2016年1月25日，在“三沙1号”轮船上开通了移动2G及4G基站，该船全程有移动2G及4G信号，船舱及周边海域信号良好，上传及下载最大传输速率可达15Mbit/s，无论是打电话、通视频、还是上QQ、发微信，畅通无限。2G网络指标良好，覆盖率达到100%，接通率达到98%，掉话率仅为1.02%，全程呼叫成功率98.48%。4G网络指标良好，覆盖率达到99.96%，VoLTE接通率达100.00%，呼叫建立时延9.91S，MOS值大于3.0占比达到97.74% ，闲时下载速率达到6.78 Mbit/s，非闲时下载速率1.75 Mbit/s。

“三沙1号”船载移动2G及4G基站是全国第一个采用动中通开通的2G/4G基站，满足了人们在游轮上随时随地与外界互联及大数据传输的需求，对提升海洋信息化水平等方面也起到积极作用，同时对协助维护我国领土、领海主权完整，确保边疆安全，促进我国海洋经济发展，提升我国电信产业国际竞争力和应急抢险能力具有重要战略意义。

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Discussion on the mobile communication network coverage of SanSha No.1 cruise

HUANG Sheng-hong1, LI Zhou2
(1 China Mobile Group Hainan Co., Ltd., Haikou 570125, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

This paper brief l y introduces the 2G&4G network construction which including mobile communication, satellite communication system and shipboard communication matching programetc.combined with the actual case of SanSha No.1 cruise mobile communication network construction. As guidance,mobile network coverage can be used on the cruise ships and warships. Besides, this method also has a great reference value for Operators developing mobile network construction on moving ships in the maritime space.

4G network; cruise ship; mobile communication; network coverage

TN929.5

A

1008-5599（2017）05-0061-06

2017-02-10