5G 海面超远覆盖解决方案研究

黄海旭

(北京长焜科技有限公司，北京 100088)

0 引言

随着海洋资源开发进程的加快及5G 技术的飞速发展，沿海区域、海面航线及海上岛屿等场景的无线通信需求越来越强烈。海面覆盖与陆地上的无线覆盖相比，具有用户密度低、容量需求小、无线电波传播条件简单、多为视距传播等特点，属于超远覆盖场景中的典型应用[1]。在海面上建站，存在难度大、成本高、不易维护等问题[2]，运营商通常会选择使用陆地上的基站对海面进行超远覆盖。因此，研究海面无线信号的超远覆盖具有十分重要的意义[3]。

本文首先对海面超远覆盖进行信道建模，并给出了可用于计算覆盖距离的等效地球模型；其次，对5G 中影响小区覆盖半径的几个关键参数进行了详细分析；最后，分别对三大运营商的主流频段进行仿真，给出了不同频段下最大覆盖距离与路径损耗的关系曲线。

1 海面覆盖信道建模

海面覆盖属于超远覆盖的一种典型场景，在进行海面覆盖规划时，基站通常选址在岸边地势较高的地方，基站天线正对海面进行覆盖，由于海面无遮挡，无线电波传播条件好，视距内近似自由空间传播，通常只有通过空气传播的直视径和经过海面反射的反射径[4]。在进行信道建模分析时，将地球看作球面，需要考虑地球曲率对无线电波传播的影响，还应考虑海面上的礁石、岛屿及船只对无线电波传播的影响。

无线电波在空气中的速率和方向还与空气介电常数有关，空气介电常数与海拔高度成反比关系，海拔越高，空气介电常数越小，电波在空气中传播时，空气的折射率和电波传播速率会随着空气介电常数的变化而变化，从而导致原本直线传播的电波将随地球表面发生弯曲，进而增加了无线电波传播的可视距离[5]。因此，电波在海面上的实际传播距离要比直线路径距离远，如图1(a)所示，假设基站的高度为h，电波在空气中的直线路径为l，曲线传播路径为d，则d>l。

图1 海面覆盖信道建模

为了计算方便，需要设计一个等效的地球模型，在基站高度不变的情况下，使得基站到用户的最远可视直线路径距离为d，如图1(b)所示，可以推导得出，等效的地球半径a=4/3ra=8 493 km，其中r=6 370 km 为地球实际半径。可以看出，d 和a 是直角三角形的两条直角边长度，斜边长度为a+h，由此可得[6-7]：

2 海面覆盖半径影响因素分析

2.1 子载波间隔

与4G 不同，5G NR 中定义多种子载波间隔(SCS)，SCS 的大小与OFDM 符号长度成反比，每个OFDM 符号中循环前缀(CP)的长度也与SCS 成反比。在每个OFDM符号前面引入CP 的目的是消除传输过程中多径时延造成的符号间干扰(ISI)，对于连续广覆盖场景，为了支持更大的小区半径，CP 长度越长越好。因此，较小的SCS 更适用于连续广覆盖场景[8]。

对于海面覆盖场景，建议选择15 kHz 或30 kHz 的子载波间隔。

2.2 GP

5G NR 为TDD 系统，为了避免下行对上行的干扰，在下行子帧/符号和上行子帧/符号之间引入了保护时隙GP，GP 越大，小区覆盖范围就越大[9]。

其中，c 为光速；转换时延为下行发送到上行接收的转换时间，典型值为10～40 μs，这里假定为20 μs。子载波间隔为15 kHz 时，一个OFDM 符号的长度为66.7 μs；子载波间隔为30 kHz 时，一个OFDM 符号的长度为33.35 μs。GP 配置为不同OFDM 符号长度时，最大覆盖距离如表1所示。

表1 GP 符号数与最大覆盖距离的关系

2.3 PRACH

物理随机接入信道(Physical Random Access Channel，PRACH）作为非同步用户和无线接入的正交传输方案的接口，主要用于网络接入的初始化，为未得到上行同步或已经失去上行同步的用户实现上行定时同步。

5G NR 支持两长度的PRACH preamble 格式，一种是长度为839 的长Preamble 格式，支持1.25 kHz 和5 kHz两种SCS，用于6 GHz 以下频段、较大的小区覆盖场景；另一种是长度为139 的短Preamble 格式，支持15 kHz、30 kHz、60 kHz 和120 kHz 4 种SCS，用于较小的小区覆盖以及基站采用波束扫描的场景。由于海面覆盖范围广、视离条件好，因此应该配置为长Preamble 格式[10]。

如图2 所示，PRACH Preamble 由一个循环前缀(CP)和一个或多个Preamble 序列组成，每个Preamble 序列占用一个PRACH OFDM 符号，保护时间(GT)在协议中没有显式地定义，而是通过PRACH Preamble 所在的时隙和其他时隙对齐，隐含地包含在PRACH preamble 格式中。

图2 PRACH Preamble 组成

终端用户在发送PRACH Preamble 序列时，与基站之间还没有建立上行同步，为了避免对其他终端用户的干扰，在PRACH Preamble 序列之后引入了保护时间(Guard Time，GT)，GT 的大小和小区覆盖半径强相关，GT 越大，小区覆盖半径就越大[11]。

PRACH Preamble 格式中的CP、GT 和最大传输时延之间的关系如图3 所示，UE 发送PRACH 的定时参考点是UE 的下行接收定时，可知基站的上行接收定时与UE 的PRACH 信号到达基站的时间之差为最大多径时延和2 倍最大单向传输时延的累加和。由于基站的PRACH 检测窗口是在固定位置进行去CP 操作，因此要求PRACH 的CP 长度不小于最大多径时延和2 倍最大单向传输时延的累加和。PRACH 所在时隙的下一个时隙的上行或者下行信道包含了CP 来对抗多径时延[12]。因此，只要PRACH 的GT 长度不小于2 倍最大单向传输时延，PRACH 不会对下一个时隙的接收和发送产生影响。

图3 PRACH Preamble 格式中的CP、GT 与最大传输时延之间的关系

GT 长度决定了能够支持的接入半径：

其中，c 为光速。

根据上述条件限制，表2 给出了长度为839 的长PRACH Preamble 格式所能支持的最大小区半径。其中，LRA为PRACH Preamble序列的长度，ΔfRA为PRACH Preamble的子载波间隔，Nu表示Preamble 序列长度，为PRACH Preamble 循环前缀(CP)的长度，κ表示5G时间单位系数。对于海面覆盖场景，建议配置为长PRACH Preamble 格式1。

表2 长度为839 的长PRACH Preamble 格式所能支持的最大小区半径

3 海面覆盖距离估算

无线电波在海面传播时，主要有通过空气传播的直射径和经过海面反射的反射径，对于某个终端用户，可以近似认为只能接收到一条直射径和一条反射径，如图4所示。

图4 无线电波在海面传播示意图

假设通过空气传播的直射路径增益为PG1，通经过海面反射的反射路径增益为PG2。则该电波传播的路径增益为两者之和，即该路径增益PG 为：

式中，λ 为传播电波波长。

一般情况下，电波经过海面反射后相位会发生180°翻转，则反射路径增益可以表示为：

式中，ΔL 表示反射路径与直射路径的距离差，其中反射路径长度为：

由于hBTS、hMS远远小于d，为了得到路径差，L1和L2可近似为：

因此可以得到海面无线电波传播总的路径增益PG，将PG 取负值即可得到电波传播路径损耗Lp。

式中，d 表示基站与用户之间的传播距离；λ 表示传播电波的波长；a 为修正因子，在本文中，为了方便起见，a取0。

综合其他电波传播的损耗影响，可以得到海面无线电波传播损耗模型如下式[13-14]：

其中，Lp表示路径损耗，单位为dB；hBTS表示基站天线的挂高，hMS表示终端用户的天线挂高；d 表示电波的传播距离；a 为修正因子；λ 表示电波的波长；Lb表示船体穿透损耗，取值取决于船只的具体类型[15]；Le表示地球曲率引起的绕射损耗，当电波未超出最大无线视距时，Le取0 dB，反之Le根据电波绕射情况取值[16]。

无线电波的实际覆盖距离还与频率有关系，目前5G NR 常用的频率有700 MHz、2.6 GHz 和3.5 GHz，图5 给出了3 种常用频率下的小区覆盖距离与路径损耗的关系曲线。

图5 小区覆盖距离与路径损耗的关系曲线

由图5 可以看到，2.6 GHz 和3.5 GHz 的覆盖距离相差不大，而700 MHz 的覆盖距离远大于2.6 GHz 和3.5 GHz。以130 dB 的路径损耗为最远覆盖距离计算，700 MHz 大约可以覆盖60 km，而2.6 GHz 和3.5 GHz 只能覆盖30 km 左右。

4 结论

随着海洋资源开发进程的加快及5G 技术的飞速发展，将5G 技术应用到海面覆盖的需求日趋强烈。本文通过分析5G NR 中影响小区覆盖半径的几个关键因素，给出了超远覆盖参数的配置建议，并使用典型的海面覆盖信道模型分别对700 MHz、2.6 GHz 和3.5 GHz 进行了仿真分析，给出了各频段的覆盖距离分析。但本文的分析还不足以支撑实际建站布网的应用，还需要进一步研究，并结合现场的实际部署情况进行优化。