面向智慧海洋的广电5G专网解决方案

罗新军，许步扬

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019；2.深圳市天威视讯股份有限公司，广东 深圳 518036）

0 引 言

我国拥有漫长的海岸线及沿海滩涂，有着丰富的海洋和旅游资源，从事海上作业和到沿海旅游的人数众多。在我国许多重要港口城市，其临港产业推动着区域经济的发展。随着通信技术的发展，针对临港产业的通信基础设施建设也有所成效，包括固网、2G、4G等的近海覆盖的实现，解决了养殖、水文、气象、海上运输以及救助等基本通信需求[1]。但面向视频监控、海量连接、低时延作业等业务，现有的近海通信技术已逐渐出现瓶颈，制约着海洋业务的发展。广电5G网络是我国重要的新一代信息基础，其广覆盖、大带宽、低延时以及广连接的技术特点将助力海洋传统业务升级和应用创新。通过构建广电5G无线专网，助力海洋传统业务5G化升级。全面整合接入或替代现有光纤、2G/4G等IP有线与无线网络，实现基于不同时延和带宽的各种业务应用，例如5G+港口机器远程操作、5G+智慧港务、5G+海洋物联网、5G+4K/8K远程高清视频以及5G+无人机应用等。

1 广电5G特点

中国广电拥有700 MHz+4.9 GHz黄金频段的频谱资源。700 MHz频段具有覆盖范围广、抗干扰能力强等特性，特别适合在海洋、农村等开阔区域使用。对于移动性要求高、光纤难以通达的地区，通过客户前置设备(Customer Premise Equipment，CPE)方式代替光纤或WiFi接入，解决海洋覆盖难的问题。广电700 MHz频段独有的频分双工（Frequency Division Dual，FDD）制式，相比其他主流的5G频段2.6 GHz、3.5 GHz或9 GHz采用时分双工（Time Division Duplexing，TDD）制式，在覆盖距离上具有无可比拟的优势[2]。TDD制式覆盖半径主要受循环前缀（Cyclic Prefix，CP）、上下行保护间隔（Guard Period，GP）以及Prach信道前导等因素的影响，而FDD制式覆盖半径只与GP有关。相比TDD制式，采用FDD制式进行海域覆盖的覆盖距离更广，尤其是上行优势明显，特别适用于海洋等远距离覆盖上行受限场景。

广电700 MHz频段适用于广覆盖，其5G组网所需基站数量少、组网成本低、建网速度快，同时后期全网基站运营成本低、运维工作量少。而广电拥有的4.9 GHz频段适用于容量覆盖。对于有大容量、大带宽、高速率需求的场景，如高清视频、AR/VR等，可采用4.9 GHz建站进行容量补充，利于实现700 MHz+4.9 GHz的“低频+中频”协同组网，构建智慧广电5G精品网络。中国广电5G网络定位主要面向ToB业务，基于SA独立组网，利于开展5G+MEC专用网络建设。

2 近海海域场景特点

近海海域场景主要指离海岸30 km以内的海面区域，平行于海岸线的近海覆盖是一种最常见的覆盖场景。

2.1 近海海域场景特点

在近海海域内，无线信号基本以视距传播为主，遮挡少，信号衰减近似自由空间传播。5G技术出现以前，海洋业务场景具有地广人稀、业务需求量不大等特点，海洋广域覆盖成为无线网络主要需求。随着经济、技术的发展，近海海域用户群发生了变化。在近海覆盖中，需要尽量增大覆盖面积，精准容量覆盖，最大程度地节约成本。针对近海海域场景特点，构建基于广电5G+MEC的专用网络，具有时延低、安全性高、容量大、投资少以及见效快等特点，对于开展近海海域相关科研和业务具有无可比拟的优势。

2.2 近海覆盖无线链路传播模型

由于在近海覆盖传播距离内，海面无线传播环境良好，近似于自由空间传播条件，反射波的分量与直达波相比较小，对接收电平的统计中值预测影响很小，因此可不予考虑。基站高度和终端高度对传播路径损耗影响较小，其影响体现在适用距离和路径损耗斜率中[3]。近海海域海面无线传播路径损耗模型为：

式中，Lp为海面无线传播路径损耗；dkm为接入点与基站之间距离，单位为km；f为载波频率，单位为MHz；r为路径损耗斜率，一般取值为2.6～3.4。

对近海覆盖场景进行参数配置，开展700MHz FDD NR线链路预算。当上行边缘速率在1 Mb/s时，覆盖距离约30 km；当上行速率在512 kb/s时，覆盖距离约37 km。700MHz FDD NR上线链路预算情况具体如表1所示。

表1 700MHz NR上线链路预算表

3 构建广电5G专网解决方案

构建智慧海洋的广电5G专网解决方案，需要从无线接入网、承载网、核心网及边缘云计算等多方面进行规划设计。特别是广电5G无线接入网的规划设计，需要考虑决定海域的有效覆盖距离的相关因素，包括基站发射功率、终端发射功率、综合路径损耗、基站接收灵敏度、终端接收灵敏度以及无线传播环境等。为确保终端在覆盖范围内有效接入，并保证一定的上、下行速率，可以采用灵活多样的覆盖增强技术增加系统可容忍的最大路径损耗[4]，提高系统性能。近海覆盖距离较远，在关注覆盖距离的同时需特别关注小区与小区重叠覆盖引起的相互干扰。

在站址选择方面，近海海域覆盖要求基站覆盖半径在30 km左右，基站站址通常选择比较平坦或沿海山体上的地点建铁塔，塔高根据覆盖区域在50 m左右调整。基站天线的实际挂高是影响海面覆盖距离的直接因素，通过其挂高保证终端等目标在视距范围内。站址选择需要特别考虑传播环境的影响，确保基站覆盖前方具备良好的无线传播条件、靠近岸边，传播环境尽量在海面，覆盖目标区域与基站之间无大片陆地区域，覆盖方向无明显遮挡物，海拔高度尽量高。在站址的选择时，既要考虑现在的覆盖需求，也要考虑未来可能的规划，以免影响基站覆盖。充分利用海岸的地形地物，如靠近海岸的高山、灯塔等作为基站站址，提高基站天线的高度。站址的选择出需要考虑建站的难易程度外，还需考虑基站维护的便利性及建设、运维成本等因素。不同的天线高度对应的参考视距传播距离如表2所示。

表2 不同的天线高度对应的参考视距传播距离

在天线选择方面，广电700MHz基站天线通常选用4T4R模式来提升基站覆盖能力。4R带来分集增益，改善上行接收性能，进一步扩大覆盖范围。天线采用垂直极化的传播方式，覆盖效果更好。根据覆盖区域分布情况，选用水平面半功率角为120°或65°的高增益天线。基站常用的天线包括全向天线（天线增益较小）和定向天线（天线增益较大），选择具有良好零点填充和副瓣抑制的天线，避免塔下黑。

在基站与终端选择方面，为提升近海海域覆盖范围，可以采用大功率基站有效提升下行覆盖距离。终端方面，5G终端一般采用26 dBm的发射功率，终端发射功率得到增强，优势更大，提升了5G终端的接入能力和覆盖距离。为进一步提升终端的发射功率和灵敏度，根据应用场景需要可采用CPE。对于固定场景，CPE可以采用内置或外置定向天线，提升终端增益5～20 dB，对于移动场景，CPE可以采用外置全向天线，增益3～8 dBi，使终端获得理想的性能增益，提升终端接入性能。

在站型组网设计方面，站型组网根据覆盖区域与用户数量、分布进行针对性设计，具体包括O1、S1、S11以及S111等站型配置。若用户围绕站点四周分布、距离较近、用户数量不多且带宽要求不高，可以采用O1站型，搭配高增益全向天线对周边360°海域进行覆盖。若用户集中在站点某一个方向且需要覆盖距离较远，可以采用S1站型，搭配高增益定向天线覆盖。若用户分布的覆盖区域较广，可根据容量及吞吐量等需求进行灵活设计站型，可选用S11～S111等站型。此外，也可根据需要采用合并小区方式，实现大范围的广域覆盖。为了避免小区之间的干扰，在网络拓扑结构设计时一般采用单扇区定向站型。

在承载网设计方面，传输方案根据业务需求采用无线接入网IP化（IP Radio Access Network，IPRAN）、 切 片 分 组 网（Slicing Packet Network，SPN）或光纤直驱等方式[5]，端口可根据业务增长和切片等需求扩容。

在核心网设计方面，可在本地建设一整套核心网系统（包括控制面和用户面）或独立建设用户面，实现端到端的5G网络建设。一方面减少远距离接入带来的时延，提升用户体验，降低多节点超长链路带来的不可靠性；另一方面通过及时响应客户需求，快速灵活配置开通业务。

MEC设计根据业务需求配置相应数量的服务器，并下沉至用户端。按MEC最小系统及备份配置，包括UPF下沉、计算服务器、存储服务器以及安全服务器等。MEC是5G专网方案中的关键使能技术，保证了低时延、高安全业务的实时交互。

根据以上配置，构建近海覆盖的广电5G专网，采用独立组网方式，包含无线接入网、承载网、核心网及MEC。其中700MHz基站采用BBU+RRU+天线模式，4.9GHz基站采用BBU+AAU模式，而承载网根据业务需求采用光纤直驱方式。核心网通过部署x86架构的服务器，采用NFV技术虚拟出5G核心网（5G Core，5GC）各逻辑网元，采用SBA服务化架构，实现控制面和用户面的功能。MEC具备转发能力，上联至智慧海洋综合管理服务平台。用户面功能（User Plane Function，UPF）、MEC、基站BBU部署在近海机房，其中UPF实现本地分流功能，满足低时延、大带宽、安全私密的业务需求，同时可配置相应的防火墙确保业务安全。面向近海覆盖的广电5G专网端到端系统组网架构如图1所示。

图1 5G网络端到端系统组网架构

4 结 论

广电5G网络相比有线宽带、WiFi无线网络、2G/3G/4G无线网络等具有低成本、高性能、广覆盖以及安全可靠的优势，相比其他中、高频5G无线网络在覆盖及成本上也具有无可比拟的优势，可满足海洋行业业务对广域覆盖的连续性、大带宽、低时延以及高可靠等要求。面向近海覆盖的广电5G专网解决方案，采用5G、边缘计算、云、AI（Artificial Intelligence，人工智能）等技术，助推智慧海洋全面建设。广电5G专网的建立为海洋业务提供安全、便捷的接入和高速访问，实现多平台协作，打造面向海洋场景业务的5G全方位应用，全面推动广电5G在海洋领域创新应用的探索和实践。