摘? 要

隨著5G在全國的規模部署，城市、鄉鎮和農村的5G覆蓋正在不斷完善，在海面、沙漠、草原等特殊場景的5G覆蓋要求也越來越迫切。如何用較少的資源和投資就能完成特殊場景的5G覆蓋已成為目前關注的重點。以海面超遠覆蓋為例，介紹了適用于這些特殊場景的5G超遠覆蓋的實現原理、關鍵技術等內容，并通過在某市進行的海面5G超遠覆蓋的案例進行測試驗證，得出相應的關鍵數據，為后續5G海面超遠覆蓋的商用部署提供了技術支撐。

5G超遠覆蓋方案背景

5G超遠覆蓋是指在海面、大草原、沙漠等廣大、開闊特殊地區，實現超過普通宏站的5G大范圍覆蓋。從技術層面來說，超遠覆蓋技術對于海面、草原、沙漠都是適用的，只是對于海面、草原、沙漠場景來說，不同的地形地貌對于無線信號的傳播模型存在影響，存在細微差異但不影響超遠覆蓋方案。

隨著國家經濟發展，沿海漁業、海上旅游業迅速壯大，海域數據通信需求日益增多。除近海存在輪渡、旅游、水上閉塞項目等通信需求外，還有海水養殖、漁政、海面搜救、海巡、緝私等更遠距離專用無線數據通信的需求。傳統海域通信采用衛星通信服務，資費昂貴。海面5G超遠覆蓋的應用，可以保障漁民生活和生產勞動通信，為海洋漁業和港口作業提供高質量的5G服務，解決了海域衛星通信服務單一、資費昂貴等問題，推進信息技術與海洋經濟深度融合。某省聯通一直致力于海洋等環境超遠覆蓋的研究，并獲取了大量的實際海測數據，對海洋覆蓋模型進行了修正，建立了相應的海洋覆蓋模型庫，積累了豐富的規劃優化經驗。

本文介紹了5G海面超遠覆蓋方案的實現原理及關鍵技術，并結合某市的覆蓋案例進行驗證，驗證了5G海面超遠覆蓋方案的可行性，為后續進行5G海面超遠覆蓋的商用部署提供了技術支撐。

5G超遠覆蓋方案技術簡介

超遠覆蓋是以最少的站點達到最大的覆蓋距離，在滿足邊遠用戶數據通信需求的同時大幅節省投資成本。從實現上來說，需要多種手段配合來實現超遠覆蓋。

2.1 頻段選擇

對5G超遠覆蓋中的頻段選擇進行了仿真分析，結果如圖1所示。在自由空間場景下，以700 MHz為基準，2.1 GHz 較700 MHz的路損增加9.5 dB左右，2.6GHz較700 MHz的路損增加11.4 dB左右，3.5 GHz較700 MHz的路損增加14 dB左右。不同的路徑損耗斜率對路損影響也較大。頻段越高路損越大，因此700MHz是超遠覆蓋的最佳頻段選擇。針對中國聯通的頻率資源現狀，在使用2 100 MHz頻段進行超遠覆蓋時，建議采用高增益天線。

圖1 不同頻段相對于700 MHz的路損差值

2.2 站址選擇

海面傳播特性決定了海面傳播模型的漸變特征，對應三段式傳播模型。如圖2所示。從A段到B段再到C段，信號衰減速度逐步加快。建議系統工作在A段或B段，避免工作在C段。在超遠覆蓋區域，通過傳播模型的分析可知，在地球曲率影響下，終端一旦進入阻擋陰面路損會迅速增大，基本上很快就無法進行通信。因此即使超遠覆蓋也需要在視距范圍內通信。

圖2 海洋超遠覆蓋無線傳播特性及海面

傳播模型

根據傳播模型理論可知：

?(1)

Ht——基站天線掛高

Hr——移動臺高度

R0——地球半徑

地球半徑取6 370 km，對式（1）化簡可得：

?(2)

由此可見，可視距離與基站天線高度和終端天線高度有關。站址選擇時需要保證天線掛高與覆蓋目標之間有良好的無線傳播環境；即“站的高看的遠”，一般來說，遵循下面幾個原則。

a）如果要求基站覆蓋半徑在30 km左右，通常選擇在比較平坦的地點建立鐵塔，塔高一般在50 m左右。

b）如果要求基站覆蓋半徑在45~70km的范圍，通常選擇在比較高的山丘、沿海邊山頂的地方建立鐵塔，高度在100~200m不等。

c）如果要求基站覆蓋半徑在70 km以上，通常站高選擇在200 m以上，需要借助山體、熱氣球等。

視距能力理論計算如表1所示。

表1 視距能力理論計算

2.3 天線選型及組網

在5G超遠覆蓋方案中，天線選用原則如下。

a）推薦垂直單極化天線，垂直極化方式不易產生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。由于垂直于地面的手機更容易與垂直極化信號匹配，所以也有利于地面上手機天線接收。

b）對于近海海域覆蓋可以根據目標覆蓋區域分布情況選擇水平面半功率角為120°或65°的高增益天線。對于遠海海域覆蓋場景，通常建議選擇65°高增益天線。

c）天線型號選擇時，需要選擇具有良好零點填充和上副瓣抑制的天線，以避免嚴重的“塔下黑”問題。

d）在海面超遠覆蓋場景下，FDD NR建議使用4天線設備組網，以增強基站覆蓋能力；TDD NR建議使用8天線設備組網，以增強基站覆蓋能力。

天線傾角設置建議如下。

a）要確保能夠覆蓋到遠端目標區域；同時對于超高站，可通過設置適當的電下傾和機械下傾來調整近端覆蓋。

b）海域、沙漠等區域可能存在強風，應盡量選擇表面積小的天線。

現在一般使用的相控陣天線是利用接收端的移相單元實現對來自特定方向上信號的提取。但在通信鏈路建立之前，需要首先確定發射信號的方位角，并且根據這個設定移相器的參數，再對信號進行接收，這個在實際通信環境，特別是信道變化特別快的情況下，會帶來顯著的時延。目前有一種新型龍勃透鏡天線，顧名思義它可以像光學透鏡一樣實現對信號的聚焦（通過相控陣來實現）（見圖3）。這個過程中不需要移相，信號會在接收天線陣列上某個單元實現相干疊加完成相控陣的任務。這樣可以大大簡化信號估計過程中的算法復雜度，降低時延。它可以將入射的特定波長的電磁波匯聚到球面上的某一個點，同樣它也可以將電磁波沿著原方向反射回去。

圖3 新型龍勃透鏡天線波束示意圖

相同增益下龍勃透鏡天線比平板天線的垂直面更寬，水平波束更窄，天線增益更大，更適用于帶狀覆蓋（比如航線），在組網上更有優勢，節約站點資源。它還具有重量輕、增益高、波束指向性好、旁瓣抑制高等特性，且能顯著降低風阻。

2.4 基站功率及配置建議

建議基站下行采用大功率RRU設備進行組網，可從根本上提升信號的功率，經過同樣的空間衰耗，終端（終端發射功率一般23~26 dBm）的接收功率會相應增加，從而能夠達到增加下行覆蓋的目的。一般建議采用通道功率為80 W的設備。在5G超遠覆蓋方案中，基站建議配置塔頂放大器（Tower Mounted Amplifier，TMA）。移動通信系統中，基站RRU和天線之間的饋線距離過長，為了保障整個基站的接收靈敏度，在基站RRU和天線之間增加TMA來彌補饋線損耗，系統上行的噪聲系數會得到較好的改善。如果站點鐵塔條件允許，RRU可以上塔安裝，僅使用2~3 m的跳線和天線對接，這種情況下可以不配置TMA設備。

2.5 PRACH格式和Ncs配置選擇

在5G系統中，為了保證上行信號傳輸正交性，避免小區內干擾，基站要求來自同一子幀但不同頻域資源的不同UE的信號到達基站的時間基本上對齊。因此，終端需要在接收到下行同步后提前發送上行數據，時間提前量（TA）為2倍單向時延，如圖4所示。上行時間提前量是通過隨機接入過程獲取，理論上只要有上行數據就可以獲取TA。在5G網絡部署時，需根據覆蓋范圍選擇適當的PRACH格式。

圖4 無線信號空口時延調整及超遠覆蓋

距離計算

NR/LTE系統為了對抗多徑干擾，保證子載波間正交性，避免符號間干擾，引入了循環前綴（CP）；因此，基站在CP范圍內接收到UE所發送的上行數據能夠正確地解碼上行數據，即可以容忍一定的時延，這個時延乘以光速就是UE到基站的最大距離的2倍（見圖4），所以可以看出通過這種方式，只要容忍的時延越大，基站能覆蓋的距離就越遠。

由于終端的移動使得終端和網絡之間的距離是不確定的，所以如果終端需要發送消息到網絡，則必須實時進行上行同步的維持管理。PRACH的目的就是要達到上行同步，建立和網絡上行同步關系以及請求網絡分配給終端專用資源進行正常的業務傳輸。

協議中規定了多種PRACH格式，如圖5所示的長序列格式。其中CP表示循環前綴，SEQ表示前導序列，即PRACH發送內容，GP是保護間隔。

圖5 PRACH格式與最大小區半徑關系

對于同一個前導，不同格式間主要差異為：

a）時域長度不同：1 ms、3 ms、3.5 ms。

b）CP、GP長度不同。

為了保證不同的UE到達基站的時刻是相同的，那么CP、GP的長度越長代表可容忍的時延就越大，也就是傳播距離就越大。

可以看出，PRACH的Format 1的CP長度和GP長度最長，因此其覆蓋距離也就越遠，小區半徑=min（CP，GP）；根據圖4，PRACH的Format 1支持的半徑計算如下：（其中480代表子載波間隔為480 kHz，4 096代表FFT點數，NR上報TA=64Ts）

CP長度決定的小區半徑：

先計算容忍的最大時延為：21 240×64×［1/（480×4 096）］=684.9 us，所以CP長度決定的小區半徑=（0.3×684.9）/2=102.7 km。

GP長度決定的小區半徑：

先計算容忍的最大時延為：21 984×64×［1/（480×4 096）］=715.6 us，所以GP長度決定的小區半徑=（0.3×715.6）/2=107.3 km。

因此，通過計算可得知，PRACH Format 1最大支持半徑為102.7 km。

另外，PRACH參數的規劃中還有一個比較重要的是：根據小區規劃半徑來確定Ncs值，然后確定每個小區需要多少個ZC根序列。Preamble信號就是由ZC根序列通過循環移位來產生的，移位的多少就是通過Ncs的值來確定。需要強調的是，ZC根序列是一個循環序列，其長度為839位，不同移位后產生的Preamble是相互正交的，這就意味著即使UE使用不同的Peamble同時接入網絡，也能被基站分辨出來。Ncs循環移位參數與最大小區半徑的對應關系如表2所示，從表2可以看出，不同的Ncs配置支持的小區半徑也不同，若需要最大小區半徑，需要Ncs配置為0。

表2 Ncs循環移位參數與最大小區半徑

通過Ncs值來確定小區半徑：假設Ncs=11，Value=93，那么839/93=9，代表一個根序列可以生成9個Preamble ID；那么64 Preamble ID需要通過8個序列循環移位生成（見圖6）。

圖6 根序列及檢測示意

基站將接收到的PRACH數據與根序列逐個進行相關運算，在某一個Ncs窗口內檢測到相關峰后，則即檢測到Preamble ID，相關峰與窗口起始位置的長度即為TA值，因此可以看到Ncs Value的長度即為檢測到的TA最大值，也即決定了小區半徑。

下面分別針對FDD NR和TDD NR來分析小區覆蓋半徑的最大支持情況。

針對FDD NR，小區覆蓋半徑需要綜合多個因素：

a）PRACH格式：循環前綴（CP）、保護帶（GP）。

b）Ncs配置：Ncs不同支持的小區半徑不同。

即：小區半徑=min（CP，GP，Ncs）；因此，從前述信息可以看到，要支持超遠覆蓋需要支持PRACH Format 1格式，且最大覆蓋距離為102.7 km。

如圖7所示，2.5 ms雙周期幀結構，每5 ms里面包含5個全下行時隙、3個全上行時隙和2個特殊時隙。Slot3和slot7等為特殊時隙，配比為10：2：2（可調整）。所以對于TDD NR，由于存在上下行的轉換，因此還需要考慮上下行轉換保護間隔GP，即：小區半徑=min（CP，GP，Ncs，上下行轉換保護間隔GP）。

圖7 2.5 ms雙周期幀結構

從PRACH Format 1格式可知，其在時域上持續時間為3 ms，而TDD NR每個Slot為0.5 ms，若TDD NR支持PRACH Format 1需要連續6個上行Slot，對于大多數應用場景，這樣會犧牲用戶下行體驗，因此TDD NR當前暫不支持100 km超遠覆蓋，當前PRACH Format 0最大僅能支持15 km，后續會考慮通過算法優化等方案實現大于15 km的可能性。

2.6 技術原理總結

通過上面的超遠覆蓋原理介紹可知，要實現超遠覆蓋需要多種手段一起配合來實現。

a）盡量選擇低頻段。頻段越高，路損增加越大。

b）合理選擇站址。盡量提高基站天線高度，同時終端高度也盡量提高。

c）天線選型建議使用高增益天線。比如在線狀覆蓋時使用龍勃透鏡天線，相較普通板狀天線，龍勃透鏡天線的主要性能表現更勝一籌。

d）建議使用大功率多通道產品來增強基站覆蓋能力。如果基站RRU和天線之間的饋線距離過長，建議基站配置塔放。

e）要根據不同的場景，選擇合適的PRACH格式及Ncs配置，因為PRACH格式和Ncs配置共同決定了小區半徑大小。

某市海面5G超遠覆蓋測試驗證

為了驗證5G海面超遠覆蓋的實際效果，某省聯通在海洋發展局的大力支持下選擇了在沿海海拔較高位置使用2.1 GHz NR基站對海面進行了超遠覆蓋測試。實際測試驗證了此種條件下覆蓋性能的連續性和穩定性以及覆蓋距離、業務距離。這為后續海面5G超遠距離覆蓋商用實施提供了基礎數據支撐。

3.1 測試站點及測試設備情況

本次測試站點是位于海岸邊，山丘海拔70 m，天線懸高35 m，海拔高度105 m。站點經度為xx.xxx，緯度為xx.xxx，下傾角為0°，方位角為100°，朝向海面覆蓋。

測試設備包括鼎力狗、3套GPS、多部商用終端AXON 10S Pro、防水用具、塑料支桿、3 m數據線、測試船（測試時人和電腦在2層甲板，手機固定在2層船頭的燈桿上）。

3.2 測試結果

本次在船舶行進的過程中，做了基于普通商用終端的FTP數據拉遠測試，測試使用的普通商用終端達到了100%的接入成功率。本次主要對距離海岸線48km處以及極限拉遠位置做了數據測試，結果如圖8所示。

圖8 測試結果

從圖8可以看出，在距海岸邊48 km處仍然能達到91.8 Mbit/s的數據下載速率；在極限拉遠位置54 km處，也仍然能達到2.21 Mbit/s的下載速率。

在測試行進過程中也多次做了視頻通話驗證，視頻通話順暢無卡頓，用戶體驗良好。

結束語

隨著5G網絡的規模部署，5G信號在城市、鄉鎮和農村的覆蓋都在不斷完善，海面覆蓋如海島旅游、海洋漁業等人員的5G覆蓋需求也越來越迫切。本文對5G海面超遠覆蓋關鍵技術進行了研究分析，并在某市開展了5G海面超遠覆蓋的實際驗證測試，為海面超遠覆蓋提供了有效的支撐。某省聯通愿與合作伙伴一起充分共享優勢資源共建“智慧海洋”，加快在諸如智能船舶等各方面的智能化，一起利用5G為國家鄉村振興戰略添磚加瓦。

參

考

文

獻

［1］古新.超遠覆蓋技術手段淺析［J］.通信與信息技術，2012（4）：44-45，58.

［2］魏龍飛.LTE-A超遠覆蓋下時間提前量的估計研究［D］.西安：西安電子科技大學，2013.

［3］歐陽紅升，呂賀敏，高峰，等.LTE海面超遠距離覆蓋關鍵技術分析［J］.數據通信，2014（1）：32-36.

［4］劉方森，武霞，李方村，等.TD-LTE海面超遠覆蓋研究與測試［J］.電信工程技術與標準化，2015，28（8）：39-42.

［5］許瑜超.廣電5G（700 MHz）海面超遠覆蓋關鍵技術與測試［J］.廣播與電視技術，2021，48（9）：6.

作者簡介

馬丹，畢業于北京郵電大學，高級工程師，碩士，主要從事移動網絡規劃建設工作；

牟軍，畢業于山東大學，工程師，學士，主要從事移動網絡規劃建設工作；

馬云剛，畢業于山東理工大學，高級工程師，學士，主要從事移動通信工程規劃、設計工作；

馬廣輝，畢業于武漢大學，工程師，學士，從事移動通信工程規劃、設計工作。