多载波汇聚技术在超长距离海陆微波上的应用

杨晋宁， 车永辉， 许 贺

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司， 广东 深圳 518067）

我国的海洋油气资源储量丰富，为国民经济提供重要的能源保障。而那些远离陆地的海上油气田由于其所处地理环境的特殊性，无法使用任何运营商的网络资源，其与陆地间的通信只能依靠海事卫星系统或超长距离海陆微波系统。

随着通信技术的不断发展，越来越多传统通信技术经过改进后被用于海上油气田。现阶段，各海上油气田已经由海事卫星、超长距离微波等传统通信手段联合组建起计算机网络，为海上设施上的用户提供了互联网访问、生产和生活数据的采集与传输、CCTV 监控视频传输、海上人员和设施安全保障等多种通信服务。但随着传输回陆地的实时数据越来越多，需要以高质量的基础通信作为保障成为了最迫切的需求。

1 传统超长距离海陆微波系统

1.1 超远距离对传统微波系统的影响

电磁波传输时总是以自由空间传播模型为参考，预测当收发机之间没有任何阻挡时的接收信号强度。自由空间是指一种均匀的、理想的、各向同性的介质空间，此时不考虑反射、折射、吸收、散射和热损耗等影响因素[1]。在自由空间中，收发机之间的距离为d，接收机处的接收功率可以由弗里斯（Friis）传输公式[2-3]表示为：

式中：Pr是发射功率；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益；λ是波长；L是系统损耗因子，当L=1 时，表示系统无损耗。

根据公式（1），同时考虑收发天线增益时，自由空间路径损耗（Free Space Path Loss, FSPL）模型可表示为：

即：

式中：f是频率，单位为MHz；d是收发机之间的距离，单位为km。

从式（3）可看出，收发机之间的距离d越大，自由空间路径损耗就越大，故超远距离海陆微波链路的空间损耗受链路长度影响较大。

1.2 多径衰落的影响

由于海陆通信所处环境的复杂性，传输信号到达接收端时不仅有发射端发射的直射信号，还有信号传输过程中，经过其他物体的反射、折射、绕射后到达接收端的不同路径信号。这些信号由于多路传输之间存在不同的时延，进而造成了接收时间与相位存在很大的不同，这样接收端接收到的信号就是多个信号的叠加产物，如果同相叠加会使得信号增强，反相叠加又会使得信号减弱，这就是多径衰落[4]。多径效应和衰落造成接收端信号电平起伏不定，使得接收信号具有随机波动性，严重时甚至将影响信号传输的质量[5-6]。

多径效应和衰落极大地影响了超远距离微波系统的性能，使得传统的超远距离微波系统可用性无法得到有效保障。通过近几年海上设施的实际使用统计发现，传统微波和卫星通信链路年度可用率不到95%；春夏交接时，多径效应和衰落更盛，通信链路的可用率甚至低于90%，应用效果无法保障。

所以，传统的海陆通信能力已经成为制约海上油气田开展数字化转型、智能化发展工作的瓶颈，在此背景下，本文提出一种基于多载波物理层链路汇聚自适应带宽控制技术（MC-ABC）的微波系统。

2 基于MC-ABC 技术的超远距离海陆微波系统

2.1 多载波聚合技术

多载波聚合技术就是通过聚合方式把两个或者多个基本的载波（Component Carrier, CC）聚合成一个较大的带宽，以便支持高速数据传输[7]。载波聚合分为带内连续、带内非连续和带间不连续三种组合方式，其实现复杂度依次增加，如图1 所示。

图1 载波聚合的方式

在多载波聚合技术的各类使用场景中，MAC 层聚合更有利于多载波聚合技术的发展[8-9]，而本文提出的基于多载波物理层链路汇聚自适应带宽控制技术（MCABC）的微波系统正是在这种理论指导中实现的。该微波系统将多个射频载波聚合创建成一个逻辑通道，使数据流优化地分配到所有的载波中，实现与MAC 地址或业务流无关的负载均衡，优化无线传输能力，较以往海洋石油行业使用的海陆微波在以太网链路层进行聚合的模式相比，容量和带宽控制效率都得到一定的提高。同时，针对海洋环境多变引起传输信道变化，该系统具备自适应调制方式，每个载波的调制方式可以进行独立、无损的切换，在固定的带宽上提高了传输容量和效率，同时在各个载波上仍然能实现最大化频谱效率。

多载波聚合由于直接聚合多个基本载波，复用已有的系统频带资源，使得该技术大大提高了带宽使用效率和频谱资源的利用率，并且提升上下行速率。下行N个载波聚合的最大吞吐率计算公式[10-11]如下所示：

通过式（4）可知，聚合的载波个数、小区的层数、小区的最大调制方式、小区的最大带宽与下行最大速率成正比，而MC-ABC 超远距离海陆微波系统的调制方式范围可支持QPSK 至4 096QAM 调制模式。以后面实际测试中选取的FR2 120 kHz 子载波间隔的8 载波和64QAM 调制模式为例，当最大带宽为100 Mb/s 时，下行最大速率可达2.1 Gb/s，远远超过现有的各类海陆通信方式。根据式（4），如果提高调制模式，下行速率还有更大的提高空间。

2.2 MC-ABC 超远距离海陆微波系统

MC-ABC 超远距离海陆微波系统适用于长距离、大容量计算机网络，同时支持载波链路汇聚，更加有效地利用频谱资源传送更大的容量，同时也提高了链路的可靠性。该系统还能提供高度模块化且灵活配置的架构，针对多载波和汇聚站点进行优化，是结构紧凑且具备很强扩展性的系统。

系统还具有以下特点：

1） 高发射功率，最大传输功率可达38 dBm，提高发射功率和采用高增益天线可提高接收信号电平，减弱海面反射的影响。

2） 采用非常低损耗的分路系统来提高多载波系统的系统增益。同时，优化的结构设计可在线增加载波，扩展系统，对运行的设备几乎没有影响。

3） 支持中频合成的空间分集，更好地对抗多径衰落。

4） 支持QPSK 至4 096QAM 及全范围无误码切换的自适应编码调制，采用不同的调制方式会对系统的性能产生不同的影响。

5） 支持帧头去重复技术，对小尺寸的以太网帧能大幅地提高传输容量，更好地利用频谱资源。

3 系统测试

3.1 链路设计仿真

陆地与海洋各选取一点，通信距离为152 km，A 站海拔高度为910 m，配置2 副2.4 m 天线，B 站为海拔高度为0 m，2副1.8 m天线，最大障碍物海拔高度为580 m，距离A 站20 km。系统连接示意图如图2 所示。仿真环境设置如图3 所示。

图2 系统连接示意图

图3 仿真环境设置

使用MC-ABC 微波系统所附的仿真软件进行仿真，得到图4 的结果。其中TX power 为发射功率；RX threshold level 为 接 收 门 限；EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）；Total annual 为链路全年可用率，其单位为百分比。

图4 仿真结果

由图4 中可以看出：

1） 当调制方式选择为64QAM，带宽为182～223 Mb/s，发射功率到达36 dBm 时，接收门限为-69.45 dBm，接收信号电平为-43.93 dBm，链路全年可用率达96.276%；

2） 当调制方式选择为32QAM，带宽为153～188 Mb/s，发射功率到达37 dBm 时，接收门限-72.55 dBm，接收信号电平为-42.93 dBm，链路全年可用率达99.128 6%；

3） 当调制方式选择为16QAM，带宽为115～140 Mb/s，发射功率到达37 dBm 时，接收门限-75.95 dBm，接收信号电平为-42.93 dBm，链路全年可用率达99.817 9%。

由此次仿真可证明：在A 站天线海拔高度910 m，B 站天线海拔高度为0 m，AB 两站通信距离152 km 时，MC-ABC 微波系统发射功率到达36 dBm，调制方式选择64QAM，带宽保持在182～223 Mb/s 时，全年可用率可达96.276%，该链路完全满足海陆通信的要求。

3.2 实地测试环境搭建

1） 两个通信站点相距151 km，天线安装完成后如图5 所示。

图5 海陆天线安装

陆地站点：海拔高度约930 m，测试天线安装高度2 m，设备IP 地址设置为192.168.1.11；

海上站点：海拔高度0 m，天线安装高度45 m，设备IP 地址设置为192.168.1.10。

2） 测试工具是便携式计算机4 台；测试软件为带宽测试软件。

3） 测试方法为：本次测试使用高增益天线，设备调制方式选择64QAM 模式64QAM 调制技术，同时分别在陆地和海上相互拼对端数据包，经过多日的拼包测试后，结果如图6 所示。

图6 ping 包测试界面

图中：链路带宽是双向带宽，约为328 Mb/s； 接收电平值约为-50 dBm，电平冗余约为18 dBm，电平余量满足跨海链路要求；Ping 包链路平均延时2 ms，无丢包情况，证明链路稳定、可靠。

本次测试期间，海上处于大雾天气，链路稳定可靠，达到99%以上的可用性；同时，本链路支持自适应调制模式，在低调制模式下，链路可达99.9%以上的可用性。

使用MC-ABC 微波系统专用的软件系统测试实时接收电平，如图7 所示。

图7 实时链路状态测试

其中Max RSL为最大接收电平；Min RSL为最小接收电平；接收门限1（RX Level Threshold1）值为-50 dBm；接收门限2（RX Level Threshold2）值为-68 dBm。

随机选取一天，每15 min 测试一次最大接收电平和最小接收电平，最终结果显示：

1） 最大接收电平有84 次超过了接收门限1，仅有12 次处在大于-60 dBm 而小于-50 dBm 的区域；

2） 最小接收电平基本上是在接收门限2 附近，仅有少数几次处在大于-80 dBm 而小于-68 dBm 的区域。

根据以上测试可知，MC-ABC 微波系统在海陆超远距离传输时，链路稳定可靠，达到99%以上的可用性。同时，链路支持自适应调制模式，即使在低调制模式下，链路也可达较高的可用性。

3 结 语

基于MC-ABC 技术的超远距离海陆微波系统的应用，大幅度提升了海陆通信的带宽和可用性，为数字化转型和智能化发展相关工作，以及5G 等技术在海上的应用提供了通信基础。比较传统微波通信技术和散射通信技术，MC-ABC 超远距离海陆微波系统的传输能力得到提升，具有传输距离远、可靠性高、传输带宽大、网络延时小等特点，取得了良好的应用效果，具有很高的应用和推广价值。