基于空中基站的LTE海域覆盖方案

黄劲安 陆俊超

【摘 要】首先研究电磁波在海域和陆地传播的区别，推导出电磁波在海域上的传播模型，然后通过LTE的帧结构、视距传播理论确定海域基站的极限覆盖距离和天线极限挂高，最后提出LTE海域覆盖整体解决思路，并制定空中基站的建设方案。

空中基站；海域覆盖；海域传播模型

1 引言

受海域通信设施部署条件以及网络建设成本的制约，现阶段的海上移动通信一般是通过卫星通信来实现的。卫星通信可满足基本的语音通信，但由于其数据传输速率只有2.4 kb/s～9.6 kb/s，通常难以满足常规的数据业务需求，加上卫星电话终端的价格普遍较高，体积更大，可推广性不强。为实用起见，需要制定更具普及性的民用通信方案，以便沿海国家在专属经济区内实现无线宽带覆盖。

LTE是目前使用最为广泛的民用移动通信网络制式，能同时满足语音业务和高速数据业务的需求，如能用于海域无线宽带覆盖，将可取得经济性、实用性和可靠性。但鉴于LTE本身并非专用于长距离覆盖的制式，更多时候只应用于陆地上的密集市区、一般市区、郊区乡镇等场景，难以用于远距离的海域覆盖，有必要研究一套新型并可行的解决方案，采用创新的手段进行基站架设，突破基站必须在陆地上建设的传统思路，以满足更大面积海域场景的LTE网络覆盖需求。

2 电磁波的海域传播衰耗

传播模型的确定是计算路径损耗的先决条件。由于海上的信道环境较陆地更为复杂且不稳定，加之地球弧度、船舶遮挡、云雾衰减、雨衰等问题的影响，必须选用合理的传播模型来做路损预测。常用于室外电波传播的经验模型主要有Cost231-Hata模型、Okumura模型、SPM模型等，但这些模型都是基于陆地环境而设计的，直接用于海面环境可能会引起较大的误差。原因主要是，海面反射信号对实际接收到的信号的影响较大，在具体计算海面电磁波传播损耗的时候，应分别考虑直射路径和反射路径的信号损耗，同时还要考虑大气吸收损耗、船体穿透损耗以及云雾衰减、雨衰等损耗。

2.1 自由空间损耗

自由空间传播是指电磁波在理想空间中完全不会被障碍物吸收能量，也不存在反射或散射的传播，只与电磁波的频率、传播距离有关，其传播损耗公式为：

PLfs=32.45+20lgf+20lgd （1）

公式（1）中，f为电磁波的工作频率，单位为MHz；d为电磁波传播的距离，单位为km。

电磁波在海面的直射路径通常可以视作自由空间传播。

2.2 海面反射损耗

电磁波在海面环境下传播，可理想地视作直射波和来自海面的反射波结合，如图1所示。将海面视作平面，电磁波向海面入射，碰触海面后产生反射，入射角与反射角相等。

假设海平面平坦光滑，基站天线高度为ht，移动台天线高度为hR，基站与移动台之间的距离为d，电磁波的波长为λ，反射波和直射波的路径差为Δr，相位差为Δφ，根据几何关系，可得：

Δr=（（ht+hR）2+d2）1/2-（（ht-hR）2+d2）1/2 （2）

通过泰勒展开式，可推导出路径差Δr的近似值为：

Δr=2hthR/d （3）

因此可推导出相位差Δφ为：

Δφ=4πhthR/λd （4）

由上述结论，可推导出反射损耗近似值为：

PLr=10lg（Erec/Efs）2≈10lg[4sin2（4πhthR/λd）] （5）

2.3 大气吸收损耗

大气中的氧气和水蒸气会对电磁波有吸收作用。由于同等温度条件下，海面大气的相对湿度远高于陆地环境，因此，电磁波在海面上传输时，需要考虑由氧气和水蒸气这两部分所产生的吸收损耗。

在微波波段，大气吸收损耗为分子损耗率与视距距离的乘积，即：

PLa=（γo+γw）×d （6）

由式（6）可知，大气吸收损耗与收发天线间的距离是呈线性关系的，大气吸收损耗会随着基站与移动台之间的距离增加而增大。式（6）中，γo为氧分子损耗率，γw为水蒸气分子损耗率。对于57 GHz以下的频段，氧分子损耗率可近似计算为：

γo=[0.007 19+6.09/（?2+0.227）+4.81/（?-57）2]×?2×10-5

（7）

水蒸气分子损耗率可用下式计算：

γw=[6.73+300/（（?-22.3）2+7.3）]×?2ρ×10-9 （8）

海面水蒸气密度约为7.5 g/m3，代入式（8）可得：

γw=[6.73+300/（（?-22.3）2+7.3）]×?2×7.5×10-9

（9）

2.4 其它损耗

其它必须考虑的损耗主要包括船体穿透损耗、云雾衰减、雨衰等。

（1）船体穿透损耗

电磁波穿透船体时会产生损耗，由于船体与陆地上的汽车、火车的材质近似，根据经验值，船体穿透损耗可取定为：

PLS=15 dB （10）

（2）云雾衰减

根据瑞利散射近似的原理推导可知，在10 GHz以上时，衰减大概为3 dB～4 dB；当频率降低至4 GHz时，云雾衰减已经不足0.5 dB。由此可见，在LTE工作频段，云雾衰减的影响几乎可以忽略。

（3）雨衰

利用适用于1 GHz—350 GHz的HPM模型可推导出雨衰随频率变化的数值。与云雾衰减类似，在10 GHz以上时，雨衰大概为2 dB～3 dB，在LTE工作频段，雨衰基本可以忽略。

2.5 海域传播衰耗计算

綜上所述，电磁波的海域传播衰耗计算公式如下：

PL=PLfs+PLr+PLa+PLS （11）

将式（1）、式（5）、式（6）、式（10）代入式（11）可得：

PL=32.45+20lg?+20lgd+10lg4sin2（4πhthR/λd）+

[（0.00719+6.09/（?2+0.227）+4.81/（?-57）2）×?2×10-5+

[6.73+300/（（?-22.3）2+7.3）]×?2×7.5×10-9]×d+15

（12）

3 LTE基站覆盖半径预测

LTE网络的超远距离传播可按视距传播场景考虑，但其覆盖的距离受限于多种因素，包括前文所述的海域路径损耗、基站发射功率、终端接收机灵敏度、收发天线增益、馈线损耗等。此外，由于海域传播距离比陆地远得多，LTE帧结构产生的限制也不能忽略。综上所述，应通过对LTE帧结构、视距传播路径的综合分析，再结合海域传播链路预算，同时考虑基站架设的安全性和可行性，最终作出单站的覆盖半径预测。

3.1 LTE理论极限覆盖距离

LTE的覆盖能力由多种参数决定，以LTE FDD为例，在忽略其它限制的前提下，LTE FDD网络的覆盖距离主要与保护时间GT的长度有关。不同配置下的LTE FDD理论覆盖距离如表1所示。

由表1可见，在Preamble格式3的配置下，LTE FDD理论可达的最大覆盖距离约为107.34 km。TD-LTE的最大覆盖距离与LTE FDD基本相当，均能达到100 km级别。

3.2 基站天线极限挂高

电磁波在海域传播时，由于传播距离比陆地更远，所以应把地球表面视作球面，必须考虑地球曲率的影响。在VHF和UHF频段的地对地电磁波传播中，传播路径越长，地球对电磁波传播的影响越大。在明确基站发射功率、终端灵敏度等参数后，即可通过链路预算计算出允许的最大路径损耗。若传播信号在视距范围内的损耗小于允许的最大路径损耗，信号进入非视距范围后信号强度将急速下降。因此，超远覆盖场景下，基站的覆盖距离主要与视距范围相关。

天线视距与基站天线高度、移动台天线高度的关系如图2所示：

如图2所示，根据几何关系以及将地球半径R0=6 370 km代入可得：

d≈×（+） （13）

根据式（13），设hR为6 m，可知当ht为535 m时，已基本达到LTE的理论极限覆盖距离。因此，基站天线高度设定在500 m左右即能达到LTE极限覆盖需求。

3.3 LTE海域链路预算

链路预算的参数、指标取值说明如下：

工作频率：1 800 MHz；

基站功率：2×80 W；

基站天线：18 dBi；

终端天线：0 dBi；

塔放增益：上行12 dB，下行最大功率按51 dBm计算。

根据以上取值，链路预算结果如表2所示。

根据表2结果，上下行允许的最大路径损耗为133.7 dB。结合式（12），可推算出在满足该最大路径损耗时，兼顾下倾角设置的可行性，设定海域基站天线挂高为400 m，则该基站覆盖半径约为70 km。

综上所述，LTE海域基站可实施的最大覆盖半径为70 km。

4 空中基站的建设方案

4.1 整体思路

基于前文结论，为了满足尽可能大的海域覆盖面积需求，需考虑海-陆结合覆盖方案，即近海区域（海岸线对开10 km以内）由陆地基站解决，远海区域（海岸线对开10 km以外）由空中基站解决。

（1）近海区域覆盖

一般情况下，陆地基站需同时兼顾海岸的覆盖，专用于近海水域的扇区资源有限，且需要同时兼顾周边站点的干扰问题，因此在天馈方案上，不考虑增加塔放，只需在原有站点上新增或升级大功率射频单元覆盖近海。此外，由于每个站点覆盖的近海范围需尽量宽广，因此不考虑窄波瓣天线，使用水平半功率角为65°的定向天线。同时还需同步做好海岸沿线各站点的小区参数配置协同，避免增加小区间干扰造成掉话。

（2）远海区域覆盖

远海区域覆盖考虑由空中基站解决，要求天线挂高保持在100 m至400 m区间以实现远距离覆盖。综合考虑建设成本和可行性，可选方案有热气球基站和系留式无人机基站两种，二者原理上基本相同。首先寻找海面上地理位置合适且具备基建条件的岛礁，在岛礁上建造小型简易机房及供电设施，机房内放置BBU、GPS天线以及卫星传输设备，BBU经由卫星传输链路接入陆地上的运营商核心网。BBU与RRU之间通过光缆连接，RRU由小型机房引电缆供电，光缆与电缆均跟随热气球或系留无人机的系留钢缆路由布放。

整體覆盖思路如图3所示：

4.2 空中基站建设方案

本文以热气球基站为例，阐述单个空中基站的建设方案。

（1）天馈建设方案

设置12个扇区，天线安装在热气球设备箱外围，采用窄波束高增益天线（如18 dBi/32°天线），并统一设置1°电下倾角，天线方向角由0°开始，顺时针每隔30°一面布放。设备箱内安装6台RRU和12台双向塔放，每台RRU功分两个扇区，每个扇区分别连接一台塔放。为避免热气球在空中转动时同步改变方向角而使移动台产生频繁切换，按照目前主流设备厂家的最大小区合并数考虑，6台RRU合并为一个逻辑小区。空中天馈建设方案如图4所示：

RRU和塔放的各项参数如下：

RRU参数

制式：LTE FDD；

工作频段：上行1 710 MHz—1 785 MHz，下行

1 815 MHz—1 880 MHz；

发射功率：2×80 W；

收发支路数：2T2R；

功耗：600 W/台；

重量：20 kg/台。

塔放参数

增益：上行12 dB，下行最大功率51 dBm；

功耗：500 W/台；

重量：25 kg/台。

（2）空中电源配置方案

空中基站功耗主要来源于RRU和塔放，每台RRU功耗600 W，6台合计3 600 W。每台塔放功耗500 W，12台合计6 000 W，总功耗合计9 600 W，乘以1.5的冗余系数后为14 400 W。因此，可采用380 V分三相供电到热气球设备箱，每一相回路需承受4 800 W功耗，即大概22 A电流/相。综合考虑负荷电流、損耗压降等因素，建议采用一条4×16 mm2电缆由地面供电至热气球设备箱。

（3）光纤配置方案

按每台RRU使用2芯光纤考虑，采用1+1备份，地面机房到热气球设备箱之间的光缆为24芯，并在地面机房、热气球设备箱分别设置1个24芯ODF箱用于光缆成端。

（4）接地方案

无线设备均需做防雷接地处理，设备箱内需设置接地铜排，总接线孔数不少于30孔。热气球设备箱与礁石地面通过钢索进行接地连接。

（5）安全风险点

设备箱内需考虑散热条件，尽量保持箱内温度在50摄氏度以下，否则容易造成无线设备退服；

由于天线安装于高空，长期受风压影响，存在固定件松动的风险，需重点考虑承载件的坚固性；

海面上台风、暴雨、雷暴等天气对通信设备有较大的影响，在恶劣天气下空中基站应降落规避。

4.3 空中基站仿真验证

为验证空中基站的覆盖效果，利用Atoll对该基站海域覆盖环境进行仿真。设定基站天线高度为400 m，使用18 dBi高增益天线，下行单通道功率为51 dBm，塔放上行增益为12 dB，在满足RSRP>-105 dBm的条件下，基站的覆盖半径约为70 km，如图5所示，与前文结论基本相符。

综上所述，空中基站方案能够解决远海区域的LTE网络覆盖问题，但由于每个空中基站最多只能解决半径约70 km的区域且单站容量有限，如需更大面积的覆盖或支持更多并发接入，需通过叠加多个空中基站来解决。

5 结束语

海域自然资源丰富，勘探业、渔业、旅游业日益发展，发展海域民用通信覆盖存在极大的必要性。卫星通信受限于成本和通用性，难以在民用领域有效推广。鉴于此，本文提出了海-陆结合的整体解决思路以及具有创新性的空中基站方案，期望能在海域民用通信领域为业内相关单位带来新方向的思考。

参考文献：

[1] 欧阳红升，吕贺敏，高峰，等. LTE海面超远距离覆盖关键技术分析[J]. 数据通信， 2014（1）： 32-36.

[2] 马帅. 基于WiMAX和LTE的近海水域无线网规划研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2014.

[3] Hyoungwon Seo， Jaeyoon Shim， Seongjung Ha， et al. Ultra Long Range LTE Ocean Coverage Solution[C]//International Conference on Telecommunications， 2017.

[4] Minyoung Park， Hyoungwon Seo， Pyoung-soo Park， et al. LTE Maritime Coverage Solution and Ocean Propagation Loss Model[Z]. 2017.

[5] S M Anwar， E Goron， Y Toutain. LTE terminal for maritime applications[Z]. 2017.

[6] 唐耀生. 海域LTE网络覆盖创新解决方案研究[J]. 江苏通信， 2017，33（1）： 61-64.

[7] 林延. 基于卫星传输的远洋海域CDMA和LTE覆盖方案[J]. 电信快报， 2016（10）： 39-43.

[8] 黄劲安. LTE网络多运营商协同规划方法探讨[J]. 移动通信， 2015，39 （16）： 17-21.