5G网络海面超远覆盖技术分析及应用

马 丹，牟 军，马云刚，马广辉（.中国联通山东分公司，山东 济南 5000；.中国联通日照分公司，山东 日照 76800；.山东省邮电规划设计院有限公司，山东济南 5000；.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 50007）

1 5G超远覆盖方案背景

5G超远覆盖是指在海面、大草原、沙漠等广大、开阔特殊地区，实现超过普通宏站的5G大范围覆盖。从技术层面来说，超远覆盖技术对于海面、草原、沙漠都是适用的，只是对于海面、草原、沙漠场景来说，不同的地形地貌对于无线信号的传播模型存在影响，存在细微差异但不影响超远覆盖方案。

随着国家经济发展，沿海渔业、海上旅游业迅速壮大，海域数据通信需求日益增多。除近海存在轮渡、旅游、水上闭塞项目等通信需求外，还有海水养殖、渔政、海面搜救、海巡、缉私等更远距离专用无线数据通信的需求。传统海域通信采用卫星通信服务，资费昂贵。海面5G超远覆盖的应用，可以保障渔民生活和生产劳动通信，为海洋渔业和港口作业提供高质量的5G 服务，解决了海域卫星通信服务单一、资费昂贵等问题，推进信息技术与海洋经济深度融合。某省联通一直致力于海洋等环境超远覆盖的研究，并获取了大量的实际海测数据，对海洋覆盖模型进行了修正，建立了相应的海洋覆盖模型库，积累了丰富的规划优化经验。

本文介绍了5G 海面超远覆盖方案的实现原理及关键技术，并结合某市的覆盖案例进行验证，验证了5G 海面超远覆盖方案的可行性，为后续进行5G 海面超远覆盖的商用部署提供了技术支撑。

2 5G超远覆盖方案技术简介

超远覆盖是以最少的站点达到最大的覆盖距离，在满足边远用户数据通信需求的同时大幅节省投资成本。从实现上来说，需要多种手段配合来实现超远覆盖。

2.1 频段选择

对5G超远覆盖中的频段选择进行了仿真分析，结果如图1 所示。在自由空间场景下，以700 MHz 为基准，2.1 GHz 较700 MHz 的路损增加9.5 dB 左右，2.6 GHz 较700 MHz 的路损增加11.4 dB 左右，3.5 GHz 较700 MHz 的路损增加14 dB 左右。不同的路径损耗斜率对路损影响也较大。频段越高路损越大，因此700 MHz 是超远覆盖的最佳频段选择。针对中国联通的频率资源现状，在使用2 100 MHz 频段进行超远覆盖时，建议采用高增益天线。

图1 不同频段相对于700 MHz的路损差值

2.2 站址选择

海面传播特性决定了海面传播模型的渐变特征，对应三段式传播模型。如图2 所示。从A 段到B 段再到C 段，信号衰减速度逐步加快。建议系统工作在A段或B 段，避免工作在C 段。在超远覆盖区域，通过传播模型的分析可知，在地球曲率影响下，终端一旦进入阻挡阴面路损会迅速增大，基本上很快就无法进行通信。因此即使超远覆盖也需要在视距范围内通信。

图2 海洋超远覆盖无线传播特性及海面传播模型

根据传播模型理论可知：

式中：

Ht——基站天线挂高

Hr——移动台高度

R0——地球半径

地球半径取6 370 km，对式（1）化简可得：

由此可见，可视距离与基站天线高度和终端天线高度有关。站址选择时需要保证天线挂高与覆盖目标之间有良好的无线传播环境；即“站的高看的远”，一般来说，遵循下面几个原则。

a）如果要求基站覆盖半径在30 km 左右，通常选择在比较平坦的地点建立铁塔，塔高一般在50 m 左右。

b）如果要求基站覆盖半径在45～70 km 的范围，通常选择在比较高的山丘、沿海边山顶的地方建立铁塔，高度在100～200 m不等。

c）如果要求基站覆盖半径在70 km 以上，通常站高选择在200 m以上，需要借助山体、热气球等。

视距能力理论计算如表1所示。

表1 视距能力理论计算

2.3 天线选型及组网

在5G超远覆盖方案中，天线选用原则如下。

a）推荐垂直单极化天线，垂直极化方式不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。由于垂直于地面的手机更容易与垂直极化信号匹配，所以也有利于地面上手机天线接收。

b）对于近海海域覆盖可以根据目标覆盖区域分布情况选择水平面半功率角为120°或65°的高增益天线。对于远海海域覆盖场景，通常建议选择65°高增益天线。

c）天线型号选择时，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。

d）在海面超远覆盖场景下，FDD NR 建议使用4天线设备组网，以增强基站覆盖能力；TDD NR 建议使用8天线设备组网，以增强基站覆盖能力。

天线倾角设置建议如下。

a）要确保能够覆盖到远端目标区域；同时对于超高站，可通过设置适当的电下倾和机械下倾来调整近端覆盖。

b）海域、沙漠等区域可能存在强风，应尽量选择表面积小的天线。

现在一般使用的相控阵天线是利用接收端的移相单元实现对来自特定方向上信号的提取。但在通信链路建立之前，需要首先确定发射信号的方位角，并且根据这个设定移相器的参数，再对信号进行接收，这个在实际通信环境，特别是信道变化特别快的情况下，会带来显著的时延。目前有一种新型龙勃透镜天线，顾名思义它可以像光学透镜一样实现对信号的聚焦（通过相控阵来实现）（见图3）。这个过程中不需要移相，信号会在接收天线阵列上某个单元实现相干叠加完成相控阵的任务。这样可以大大简化信号估计过程中的算法复杂度，降低时延。它可以将入射的特定波长的电磁波汇聚到球面上的某一个点，同样它也可以将电磁波沿着原方向反射回去。

图3 新型龙勃透镜天线波束示意图

相同增益下龙勃透镜天线比平板天线的垂直面更宽，水平波束更窄，天线增益更大，更适用于带状覆盖（比如航线），在组网上更有优势，节约站点资源。它还具有重量轻、增益高、波束指向性好、旁瓣抑制高等特性，且能显著降低风阻。

2.4 基站功率及配置建议

建议基站下行采用大功率RRU 设备进行组网，可从根本上提升信号的功率，经过同样的空间衰耗，终端（终端发射功率一般23～26 dBm）的接收功率会相应增加，从而能够达到增加下行覆盖的目的。一般建议采用通道功率为80 W 的设备。在5G 超远覆盖方案中，基站建议配置塔顶放大器（Tower Mounted Amplifier，TMA）。移动通信系统中，基站RRU 和天线之间的馈线距离过长，为了保障整个基站的接收灵敏度，在基站RRU 和天线之间增加TMA 来弥补馈线损耗，系统上行的噪声系数会得到较好的改善。如果站点铁塔条件允许，RRU可以上塔安装，仅使用2～3 m的跳线和天线对接，这种情况下可以不配置TMA设备。

2.5 PRACH格式和Ncs配置选择

在5G 系统中，为了保证上行信号传输正交性，避免小区内干扰，基站要求来自同一子帧但不同频域资源的不同UE 的信号到达基站的时间基本上对齐。因此，终端需要在接收到下行同步后提前发送上行数据，时间提前量（TA）为2倍单向时延，如图4所示。上行时间提前量是通过随机接入过程获取，理论上只要有上行数据就可以获取TA。在5G 网络部署时，需根据覆盖范围选择适当的PRACH格式。

针对线性不一致等式系统Ax=b+w,Eldar等人同样证明了基于随机遍历的Kaczmarz迭代算法具有指数收敛率[11],即

图4 无线信号空口时延调整及超远覆盖距离计算

NR/LTE系统为了对抗多径干扰，保证子载波间正交性，避免符号间干扰，引入了循环前缀（CP）；因此，基站在CP范围内接收到UE所发送的上行数据能够正确地解码上行数据，即可以容忍一定的时延，这个时延乘以光速就是UE 到基站的最大距离的2 倍（见图4），所以可以看出通过这种方式，只要容忍的时延越大，基站能覆盖的距离就越远。

由于终端的移动使得终端和网络之间的距离是不确定的，所以如果终端需要发送消息到网络，则必须实时进行上行同步的维持管理。PRACH 的目的就是要达到上行同步，建立和网络上行同步关系以及请求网络分配给终端专用资源进行正常的业务传输。

协议中规定了多种PRACH 格式，如图5 所示的长序列格式。其中CP 表示循环前缀，SEQ 表示前导序列，即PRACH发送内容，GP是保护间隔。

图5 PRACH格式与最大小区半径关系

对于同一个前导，不同格式间主要差异为：

a）时域长度不同：1 ms、3 ms、3.5 ms。

b）CP、GP长度不同。

可以看出，PRACH 的Format 1 的CP 长度和GP 长度最长，因此其覆盖距离也就越远，小区半径=min（CP，GP）；根据图4，PRACH 的Format 1 支持的半径计算如下：（其中480 代表子载波间隔为480 kHz，4 096代表FFT点数，NR上报TA=64Ts）

CP长度决定的小区半径：

先计算容忍的最大时延为：21 240×64×［1（/480×4 096）］=684.9 μs，所以CP 长度决定的小区半径=（0.3×684.9）/2=102.7 km。

GP长度决定的小区半径：

先计算容忍的最大时延为：21 984×64×［1（/480×4 096）］=715.6 μs，所以GP 长度决定的小区半径=（0.3×715.6）/2=107.3 km。

因此，通过计算可得知，PRACH Format 1 最大支持半径为102.7 km。

另外，PRACH 参数的规划中还有一个比较重要的是：根据小区规划半径来确定Ncs值，然后确定每个小区需要多少个ZC 根序列。Preamble 信号就是由ZC 根序列通过循环移位来产生的，移位的多少就是通过Ncs 的值来确定。需要强调的是，ZC 根序列是一个循环序列，其长度为839 位，不同移位后产生的Preamble是相互正交的，这就意味着即使UE 使用不同的Peamble 同时接入网络，也能被基站分辨出来。Ncs 循环移位参数与最大小区半径的对应关系如表2 所示，从表2 可以看出，不同的Ncs 配置支持的小区半径也不同，若需要最大小区半径，需要Ncs配置为0。

表2 Ncs循环移位参数与最大小区半径

通过Ncs值来确定小区半径：假设Ncs=11，Value=93，那么839/93=9，代表一个根序列可以生成9 个Preamble ID；那么64 Preamble ID 需要通过8 个序列循环移位生成（见图6）。

图6 根序列及检测示意

基站将接收到的PRACH 数据与根序列逐个进行相关运算，在某一个Ncs窗口内检测到相关峰后，则即检测到Preamble ID，相关峰与窗口起始位置的长度即为TA 值，因此可以看到Ncs Value 的长度即为检测到的TA最大值，也即决定了小区半径。

下面分别针对FDD NR 和TDD NR 来分析小区覆盖半径的最大支持情况。

针对FDD NR，小区覆盖半径需要综合多个因素：

a）PRACH格式：循环前缀（CP）、保护带（GP）。

b）Ncs配置：Ncs不同支持的小区半径不同。

即：小区半径=min（CP，GP，Ncs）；因此，从前述信息可以看到，要支持超远覆盖需要支持PRACH Format 1格式，且最大覆盖距离为102.7 km。

如图7 所示，2.5 ms 双周期帧结构，每5 ms 里面包含5 个全下行时隙、3 个全上行时隙和2 个特殊时隙。Slot3 和slot7 等为特殊时隙，配比为10：2：2（可调整）。所以对于TDD NR，由于存在上下行的转换，因此还需要考虑上下行转换保护间隔GP，即：小区半径=min（CP，GP，Ncs，上下行转换保护间隔GP）。

图7 2.5 ms双周期帧结构

从PRACH Format 1 格式可知，其在时域上持续时间为3 ms，而TDD NR每个Slot为0.5 ms，若TDD NR支持PRACH Format 1 需要连续6 个上行Slot，对于大多数应用场景，这样会牺牲用户下行体验，因此TDD NR当前暂不支持100 km超远覆盖，当前PRACH Format 0最大仅能支持15 km，后续会考虑通过算法优化等方案实现大于15 km的可能性。

2.6 技术原理总结

通过上面的超远覆盖原理介绍可知，要实现超远覆盖需要多种手段一起配合来实现。

a）尽量选择低频段。频段越高，路损增加越大。

b）合理选择站址。尽量提高基站天线高度，同时终端高度也尽量提高。

c）天线选型建议使用高增益天线。比如在线状覆盖时使用龙勃透镜天线，相较普通板状天线，龙勃透镜天线的主要性能表现更胜一筹。

d）建议使用大功率多通道产品来增强基站覆盖能力。如果基站RRU 和天线之间的馈线距离过长，建议基站配置塔放。

e）要根据不同的场景，选择合适的PRACH 格式及Ncs 配置，因为PRACH 格式和Ncs 配置共同决定了小区半径大小。

3 某市海面5G超远覆盖测试验证

为了验证5G海面超远覆盖的实际效果，某省联通在海洋发展局的大力支持下选择了在沿海海拔较高位置使用2.1 GHz NR 基站对海面进行了超远覆盖测试。实际测试验证了此种条件下覆盖性能的连续性和稳定性以及覆盖距离、业务距离。这为后续海面5G超远距离覆盖商用实施提供了基础数据支撑。

3.1 测试站点及测试设备情况

本次测试站点是位于海岸边，山丘海拔70 m，天线悬高35 m，海拔高度105 m。站点经度为xx.xxx，纬度为xx.xxx，下倾角为0°，方位角为100°，朝向海面覆盖。

测试设备包括鼎力狗、3 套GPS、多部商用终端AXON 10S Pro、防水用具、塑料支杆、3 m 数据线、测试船（测试时人和电脑在2 层甲板，手机固定在2 层船头的灯杆上）。

3.2 测试结果

本次在船舶行进的过程中，做了基于普通商用终端的FTP 数据拉远测试，测试使用的普通商用终端达到了100%的接入成功率。本次主要对距离海岸线48 km 处以及极限拉远位置做了数据测试，结果如图8 所示。

图8 测试结果

从图8 可以看出，在距海岸边48 km 处仍然能达到91.8 Mbit/s的数据下载速率；在极限拉远位置54 km处，也仍然能达到2.21 Mbit/s的下载速率。

在测试行进过程中也多次做了视频通话验证，视频通话顺畅无卡顿，用户体验良好。

4 结束语

随着5G 网络的规模部署，5G 信号在城市、乡镇和农村的覆盖都在不断完善，海面覆盖如海岛旅游、海洋渔业等人员的5G 覆盖需求也越来越迫切。本文对5G海面超远覆盖关键技术进行了研究分析，并在某市开展了5G海面超远覆盖的实际验证测试，为海面超远覆盖提供了有效的支撑。某省联通愿与合作伙伴一起充分共享优势资源共建“智慧海洋”，加快在诸如智能船舶等各方面的智能化，一起利用5G为国家乡村振兴战略添砖加瓦。