千里岩-南黄岛超远距离无线通信系统应用研究

卢 博，于 博，王 彬，胡 伟，孙静宜，冯立达，蒋 涛

国家海洋局北海预报中心 青岛 266100

2013年12月4日工信部正式向三大电信运营商发布TD-LTE牌照,标志着中国电信产业正式步入4G时代[1]。随着移动运营市场竞争的日益激烈及用户规模的不断扩大,运营商把加强网络的广度覆盖和深度覆盖作为工程建设的重点,以提高自身竞争力[2]。2015 年2 月,国家工业信息化部发布 《关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》,将1 785～1 805 MHz划分为交通(城市轨道交通等)、电力、石油等行业专用通信网和公众通信网频段,推动了TD-LTE 1.8G无线专网的积极发展[3]。

随着国家经济的发展,沿海渔业、海上旅游业也迅速壮大,海域数据通信需求日益增多。海洋这类特殊应用场景,地广人稀,业务需求量不大,覆盖成为主要限制因素,用常规的建设手段难以实现经济良好的广域覆盖[4]。

1 研究区域概况

千里岩又名千里岛、千里山。位于 36°15′56″N,121°23′10″E,黄海中部西岸的大陆架上。岛形似哑铃状,南北长约0.82 km,东西宽约0.24 km,面积为1.0405 km2,该岛最高点海拔93.5 m。国家海洋局北海预报中心 (以下简称 “北海预报中心”)在千里岩北端海拔约60 m的顶部建有海洋环境监测站。

此前千里岩有一台专用笔记本电脑定时上传监测站气象水文资料到北海预报中心,通信手段为VSAT小站加入到卫星传输网络,经北海信息中心VSAT地面接收站中转,将千里岩海洋环境监测站的气象水文资料传输到北海预报中心数据服务器。此外,在千里岩办公楼外还有一台科达摄像机用于实时海况视频监控。此VSAT卫星传输链路与自然资源部北海局其他单位共享1 Mbps带宽,可有效使用的链路带宽约128 kbps,属于窄带无线通信。而岛上视频监控系统因需要高带宽实时传输视频到预报中心视频监控平台,受限于VSAT卫星传输链路带宽不足而无法发挥效用。

千里岩的值班人员仅以卫星电视作为娱乐手段,工作之余的互联网访问无法实现,因此,千里岩值班人员长时间无法与亲友即时通讯,更不能获取外界的热点时事,这种信息隔绝严重影响着值班人员的工作与生活心态。

南黄岛隶属于山东省威海乳山市海阳所镇,位于山东半岛南部黄海北部。西北与险岛相望,北面隔一条水道与海阳所镇的小石口相望,是乳山市最大的岛屿。南黄岛为南北走向,长2 000 m,由北顶子、北山和南山3个自然山头组成,其中北山最高,海拔60 m。自然资源部北海预报中心在海拔约30 m的南山建有海洋环境监测站。之前在南黄岛只有一台PC工作站定时上传观测站气象资料到北海预报中心,通信手段是CDMA调制解调器拨号到挂子场的电信3G基站,通过公网3G链路将南黄岛观测站的气象资料传输到预报中心数据服务器。

2TD-LTE1.8G无线专网

TD-LTE是4G的一个重要技术标准,TD-LTE具有低时延、高速率、大带宽、高安全性等诸多优点,因此TD-LTE技术十分适用于无线专网的建设工作。在4G技术应用的众多频率中,使用1.8 GHz的专有频段配合专用设备进行组网,实现专网与公网的完全隔离,可以在最大程度上杜绝各类信息非法侵入和安全隐患。TD-LTE具有5 ms的延时特性,非常适用于视频和语音信号的实时传输[5],目前已成为国际标准之一。基于TD-LTE的无线通讯相对于目前WIFI等其他无线组网技术和标准有线组网技术,其优点是无需考虑复杂的硬件安装、综合布线、网络设计等问题,快速部署接入点也更加灵活方便。

3 超远距离覆盖

TD-LTE 1.8 GHz超远距离的有效覆盖范围不仅取决于基站的性能,如发射功率、终端接收灵敏度、空间传播损耗、天线增益、馈线损耗、衰落余量等因素,同时也与无线传播环境,如地理环境和基站布局等有着直接和间接的关系。因此,使用TD-LTE的模式组网,结合超远距离的有效覆盖需求及影响基站覆盖的重要因素,可以采用灵活多样的覆盖增强技术来增加系统可容忍的最大路径损耗,最终达到大幅提高系统性能的目的[6]。

3.1 天线挂高

在海平面环境下进行无线电波的超远距离传播,通过空气传播的直达波和经过海面反射的反射波是主要的传播路径。由于传播损耗很小,信号可以传播到距离很远的海域。在如此远距离的情况下,地球表面不能再被看作是平面,而应当作球面,需要考虑地球曲率对无线传播的影响。

在超远距离的传播路径上,地球引起的反射波会在接收机内部对直射电波产生消极或积极的影响。根据LTE基站的馈线损耗、正态衰落余量、基站侧的天线增益和灵敏度数据,通过链路预算可以得到允许的最大路径损耗。无线视距、接收端天线高度密和基站天线高度互为因果变量[7],其关系如图1所示。

图1 视距覆盖示意图

图1中,R0为地球半径,HT为基站天线挂高,HR为CPE接收端天线挂高,则视距d可由式 (1)表示:

由于R0>>HT,R0>>HR,所以式 (1)可简化为式(2):

考虑地久半径R0=6 370 km,由式 (2)可得:

式 (3)中HT和HR单位为m。

由于空气的温度、湿度和压力随着高度发生变化,介电常数也成为常量,随着高度的增加而减小,并随着空气的逐渐稀薄趋于0。这使得无线电波在对流层中的传播轨迹变成沿地球曲率方向的曲线,不再是直线,即无线电波在对流层中传播时发生折射。这种折射现象的发生相当于增大了地球半径,在标准的大气折射下,修正后得到的视距公式为:

式 (4)中,HT为基站天线挂高,单位为m,HR为CPE接收端天线挂高,单位为m,d为基站覆盖半径,单位为km。本系统中,南黄岛天基站天线挂高约30 m,千里岩CPE接收端天线挂高约60 m,则南黄岛基站的视距为:

3.2 站址选择

在海面环境的覆盖组网设计中,覆盖距离是最为重要的关注点。要实现海面超远距离覆盖,必须要保证LTE基站天线与CPE接收端之间具有良好的无线传播环境。

(1)站址高度

海上传输基站通常安装于海岸山体之上,基站天线的有效挂高直接影响到海面无线传输的覆盖距离,天线挂高设计时必须尽量满足目标区域处于视距的覆盖范围内,否则由于地球曲率的影响,远端目标若处于非视距海域时,信号会出现迅速衰减,此时覆盖难以保证。

(2)传播环境勘察

实现海面超远距离覆盖一个重要的前提条件是海面具有良好的无线传播环境[9],因此基站的选址应满足以下条件:

①传播方向无明显遮挡物,如高山、大型平台等；

②基站的海拔高度越大越好；

③靠近海岸,传播路径尽量在海面；

④目标海域与基站之间无大片陆地区域。

3.3 天线选择

多天线系统是指收发双方都采用多根天线进行收发。通过选用科学的发射信号和适配的接收机,多天线技术可以在提高系统容量和增加无线覆盖距离的同时,有效的的控制无线通信系统的建设成本[8]。本系统选择了技术成熟的2T2R基站和1T2R接收端方案,以增强基站覆盖能力。

由于无线电波的特性,水平极化信号的传播会在贴近海面时产生极化电流,极化电流受海水阻抗影响会产生热能,从而使得电场信号迅速衰减。相对而言,垂直极化的方式则较难产生极化电流,因此可以避免能量的大幅衰减,保证电波信号的传播效率。由于接收端垂直于地面更容易匹配垂直极化信号,因此在选择接收端时,相比于其他非垂直极化天线,垂直单极化天线的覆盖效果会更好一些,尤其是在开阔的海面上,覆盖效果更为显著[10]。此外,沿海地区常年风速较大,因此本系统选择了表面积较小的天线,以减小天线表面所承受的风力,同时可以降低天线对铁塔和抱杆的安装要求。

3.4 大功率基站

采用大功率基站设备进行组网,可在源头上提升信号的功率,从而达到增加传输距离和覆盖范围的目的。目前国内常见的LTE设备RRU最大发射功率一般大于40 W,而为了满足海岛站超远距离传输的需求,本系统基站的RRU最大发射功率为200 W。

4 系统建设

乳山海洋环境监测站南黄岛测点、千里岩海洋环境监测站都是自然资源部北海局的重要站点,两岛现有通信手段的局限性、两岛值班人员的工作生活条件都急需改善。为此,经前期调研,考察各种陆岛通信手段的可行性后,排除国家深海基地管理中心、田横岛、乳山市区等局限性较大的通信中转地点,决定将中转地点选择在离南黄岛最近的挂子场码头自留地,并制定了 “千里岩-南黄岛-挂子场-预报中心”多跳传输、无线和有线宽带专网结合、分段实施的解决方案。

本系统根据实际情况制定了 “岛-岛无线、岛-陆无线、陆上有线专线”三段接力传输链路。考虑到孤悬海上的千里岩远离陆地难以交通联络的现实,首先要保证千里岩和南黄岛之间无线宽带专网的稳定性和可靠性,为此,特选择我国自有知识产权的4G-LTE技术实现两岛之间54 km的超远覆盖。借助LTE技术双向鉴权的安全性及强大的抗干扰能力,保障两岛之间无线传输的稳定性和可靠性,在20 MHZ频宽下测试上下行带宽超过了10 Mbps。南黄岛与挂子场之间相距近3 km,选择网桥传输简单实用。此外,为了保证两岛观测数据和监控视频上传到北海分局预报中心,两岛与预报中心通信链路保证带宽至少各2 Mbps,为此,租用联通公司MSTP专线6 Mbps带宽在挂子场和预报中心之间建立有线专网通信,互联网则接至南黄岛当地节点。

4.1 千里岩设备建设

根据千里岩的位置、地形和岛上的基础设施等实际情况,在千里岩海洋环境监测站气象观测场铁塔底部安装互联网用途CPE接收端,在气象观测场旁边的水泥方形地基上安装数据专网用途CPE接收端和海康威视云台摄像机。链路方面,所有设备先通过网线直连到地震台设备所在房间的光纤收发器,再通过已有的光纤连接至海洋站值班办公室防火墙上。供电方面,均使用已有电路,接入至站上生活电网。

图2 左图为千里岩站俯瞰图，图中左上为观测场铁塔，中下部为地震房；右图为CPE客户端和云台摄像机

室外CPE采用垂直设计,满足远距离,弱信号条件下的安装,并提供WIFI的功能,能将LTE信号转化为WIFI信号。工作频率范围1 785～1 805 MHz,带宽20 MHz,1T2R双收单发技术,工作功率20 W。

图3 室外CPE终端外观

4.2 南黄岛设备建设

根据南黄岛的位置、地形和岛上的基础设施等实际情况,在南黄岛测风塔塔顶安装1.8G一体化外挂基站。链路和供电方面,基站通过网线和电线直连至南黄岛值班室。

基站主要由基带控制单元 (BBU)和远端射频单元 (RRU)组成,工作频率范围1 785～1 805 MHz,带宽20 MHz,2T2R双收双发技术,工作功率200 W。

4.3 千里岩岛至南黄岛无线通信建设

南黄岛测风塔至千里岩岛气象观测场直线距离为54 km,接近南黄岛基站的理论视距54.52 km的边缘,但实际上由于两地之间无任何阻挡,基站采用大功率小发射角和2T2R技术,加上海表的信号反射,南黄岛基站的覆盖范围要大于理论值,实际使用过程良好的信号强度也表明两地之前的距离在基站的有效覆盖内。

图4 中心偏左圆柱体建筑物为测风塔，中心右下方绿色方形处为南黄岛值班室

图5 1.8G一体化外挂基站外观

图6 千里岩岛-南黄岛距离示意图

图7 系统拓扑图

因为考虑到网络安全原因,分别在千里岩岛值班室和南黄岛值班室安装部署深信服防火墙各一台,建立VPN隧道,用于传输千里岩海洋观测数据和海况视频监控数据,互联网则是通过多个NAT地址转换连接至南黄岛通信基站,再连接至值班室防火墙,虽共享两个硬件设备,但均使用的是不同的端口且端口之间存在隔离。

4.4 南黄岛至北海预报中心通信建设

分别在南黄岛值班室房顶和挂子场码头预报中心自留地10 m高度的铁塔搭建5G和2.4G无线网桥,新建挂子场码头自留地至北海预报中心的联通6 M MSTP专线,与5G网桥直连,用于海洋观测数据和海况视频监控的传输,2.4G网桥与当地的联通节点直连,静态IP登录,用于互联网数据的传输。

5 系统应用

系统于2016年12月完成安装调试,并于当月进入试运行阶段。表1为试运行前后6个月的气象水文观测数据到报率对比。由此表中2016年的到报率可以看出,在该系统建成前,观测数据的到报率已经很高,这是因为目前千里岩海洋环境监测站所使用的的数据传输软件具有数据续传功能,即通信链路中断后观测数据存储至工控机,待通信链路恢复后补发中断期间的数据。这种传输方式可以保证数据到报率一直处于较高水平,但因为通信链路传输质量问题导致的报文丢失这种低概率事件仍无法避免。由此表中2017年的到报率可以看出,该系统建成运行后,数据到报率仍处于较高水平,且相较于建成之前有了小幅度的提升。

表1 2016年6-11月与2017年1-6月海洋观测数据到报率

图8和图9为千里岩海洋环境监测站海况视频监控的效果截图,两图分别为绿潮和海浪的抓拍,这些视频不管是对于目前的离岸观测,还是相关的科学研究工作,都具有十分重要的参考意义。图10为地波雷达的安装调试图,该系统不仅能够实时传输海洋观测数据和海况监控视频,同时可以用于地波雷达、GNSS和其他海洋观测设备的数据传输。

图8 海况视频监控绿潮效果图

图9 海况视频监控海浪效果图

图10 地波雷达天线和主机

6 结 语

本系统首次在离岸、无信号的海岛海洋环境监测站开展超远距离无线通信技术研究和示范站点建设。系统建成后,海洋观测实时数据分钟报文报到率达到99.5%以上,视频在线率98%以上,解决了海岛实时观测数据、视频图像带宽的通信问题,为我国海岛通信建设提供示范。但目前该系统的传输稳定性受天气影响较大,特别是位于千里岩岛和南黄岛中间的海域出现雷雨或大雪天气时,信噪比会显著增高,传输质量明显下降,因此仍需寻找新的技术手段解决此问题。