5G近海网络覆盖技术研究

收稿日期：2023-08-10

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.004

摘  要：针对近海移动网络覆盖不足问题，构建源信号与接收信号的增强的数量关系，针对海面超远覆盖典型场景，引入最大合并比算法处理龙伯透镜天线独立采集信号并进行优化设计，基于现网实验测试，对所设计的信号增强方法与传统的信号增强方法进行对比实验，通过海上航行测试验证了5G基站近海超远距离覆盖场景下可以获得远距离的覆盖效果，实验结果表明：所设计的信号增强方法能够有效提升覆盖水平和网络质量，减少投资，降低建基成本，改善用户体验。

关键词：龙伯天线；信号增强；最大合并比；无线网

中图分类号：TN929.5  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）07-0015-04

Research on 5G Offshore Network Coverage Technology

ZHENG Xiaoyi

（Fuzhou Urban Investment Infrastructure Construction Management Co.， Ltd.， Fuzhou  350007， China）

Abstract： In view of the insufficient coverage of the offshore mobile network， the enhanced quantitative relationship between the source signal and the received signal is constructed. For the typical scene of ultra long distance coverage over the sea， the MRC algorithm is introduced to process the independent acquisition signal of the Luneburg Lens Antenna and optimize the design. Based on the existing network experiment test， the designed signal enhancement method and the traditional signal enhancement method are tested to verify that the remote coverage effect can be obtained in the offshore ultra long distance coverage scene of the 5G base station. The testing results indicate that the designed signal enhancement method can effectively improve coverage level and network quality， reduce the investment and the foundation building cost， and improve the user experience.

Keywords： Luneburg antenna; signal enhancement; Maximum Ratio Consolidation; wireless network

0  引  言

从移动网络的特点看，海面无线网络信号覆盖与陆地上无线覆盖相比，具有用户密度低、信道容量需求小、数据为主、语音话务量少等特点，属于超远覆盖场景中的典型应用[1，2]。海面覆盖只能通过岸基5G基站进行覆盖，信号经过长距离传输，极易混杂同频干扰噪声，影响用户接通率和上下行速率[3]。为此，设计一种信号增强方法，提升近海基站覆盖能力，对近海区域的通信提供技术保障。

国外在研究基站的边缘覆盖的优化，解决影响5G覆盖范围受限的问题起步比较早，美国运营商AT&T很早就试验使用龙伯天线，在远距离和极端环境下压制噪声获取更大的信道容量，国内研究信号增强技术稍微晚于国外，研究人员利用龙伯天线接收的多个衰落信号加权组合，结合最大比合并算法，实现信号的增强处理，获得更大的信噪比[4]。通过构建多个的信号接收方案，得到信道传输距离与无线网性能的数值关系。综上可知，通过不同天线方案分析在不显著增加移动通信系统建设成本的同时，提高系统的覆盖范围、链路的稳定性和系统传输速率[5]，从而研究出一种针对近海覆盖的信号增强方法。

1  近海无线覆盖信号增强方法

1.1  无线信号的独立信噪比分量最大比合并

在移动无线网络中，由于不同空间信道间具有相对独立的衰落特性，对M个天线分支接收到的信号，定义每个分支电压信号γi经过相位调整，同相值相加，得到的信号数值可表示为：

（1）

其中Gi表示每个分支增益，假设分支有相同的噪声功率N，总的噪声功率加权和可以表示为：

（2）

信噪比加权和可表示为：

（3）

上述计算得到的分量作为送入检测器前信噪比数值，引入最大合并比[4]，得到信噪比小于某个特定阈值γ时，信号的平均信噪比等于各个分支的平均信噪比的和，表示为：

（4）

通过线性分析输出的量化指数可知，无线信号经过最大比合并算法（MRC）后增益变化可以表示为：

（5）

对于移动通信系统中的最大比合并算法，系统将调制信号的不同加权因子反馈到接收端，接收天线端自适应地选择发射天线的加权因子对发送信号进行处理，使接收信号功率达到最大。

1.2  信号分量的最大化获取

透镜天线是一种高效的天线解决方案，它可以同时实现波束赋形、旁瓣抑制和波束敏捷性。R.K.龙伯在1943年提出一种方法，球面透镜的球面采用不恒定折射率的材料构成，R表示球的半径，r表示球心到波束的径向距离，材料的介电常数εr随半径的平方变化[6，7]表示为：

（6）

如今实际的龙伯透镜是由一组同心介电层构成，从而使得电磁波射线路径近似理想情况。“龙伯球天线”与传统大话务保障使用的板状天线相比，具有以下几个性能特点[8，9]：

1）频率范围宽。龙伯球天线可以支持0～2.6 GHz频段，基本涵盖了当前所使用的全部频段，既支持4G的D/E/F等频段同时也支持移动5G当前所使用的2.6 GHz频段。

2）垂直波束宽。垂直波束半功率角3 dB瓣宽为18°，远大于传统天线（15 dBi板状天线典型值7°）。垂直波束宽深度覆盖效果更加理想。

3）水平波束窄。700 MHz的水平波束3 dB波瓣宽只有33°～35°，约传统天线的1/2左右，这使得它在65°方向可以集中更多个扇区，可以良好地控制波瓣重叠，同时更窄的波束也使得天线可以对海岸线、航道等特殊场景实现精准的覆盖。

4）高增益。由于波束更窄，也使得龙伯球天线在单载波上可以实现更高的增益，可以实现更好的深度覆盖。

5G基站（gNodeB）下行功率（200 W）远大于手机功率（0.2 W），这就导致了上下行的覆盖不对称，上行覆盖受限成为5G部署覆盖范围的瓶颈，龙伯透镜天线垂直波束半功率角波瓣比传统板状天线波束更宽，针对海面覆盖场景中影响覆盖距离所受波束和增益因素方面来说龙伯透镜天线更有优势；水平波束的宽窄对海面覆盖场景没有明显影响，传统板状天线水平波束宽的优势无法体现。

与传统天线相比，5G龙伯透镜天线更适合多频波束，辐射单元结构更简单、馈电网络单元更少、可靠性更高、功耗更小、密度小重量轻、更容易部署的特点，可满足海域覆盖不仅需要做到对海面的连续覆盖和深度覆盖，有时候还需要考虑重点区域的覆盖场景的需求。

1.3  无线信号增强实现

在香农公式（7）中，C表示信道容量，B表示传输通道的带宽，S / N表示接收信号的信噪比。从公式可知，龙伯天线的特性决定使用相同的时频资源时，可以降低干扰噪声增加信道数，结合最大比合并算法使信号功率达到最大，从而最大化增强了信号强度[10]。

（7）

2  仿真实验

2.1  实验准备

为了分别验证所设计的系统对覆盖效果影响，按照设计的步骤，搭建实验平台，实验过程中，保持其他参数不变，测得不同间距的信号接收强度，以确保测试结果的有效性。

测试站址选择：实验站点选用陆地5G基站，基站海拔903 m。

天线参数设置：天线铁塔上挂高25 m，方位角为160°，覆盖方向无遮挡。

射频拉远单元：配置、功率保持一致。

测试变量1无线信号的独立信噪比分量最大比合并：设计了2个700 MHz射频拉远单元（RRU）共连接4副龙伯透镜天线组成一个小区，接收天线端采用最大比合并算法，选择发射端加权因子对信号进行处理。对比构建相同小区，采用传统RRU方案。

测试变量2信号分量的最大化获取：构建相同基站小区射频拉远单元连接大规模天线阵列（64发64收），对比与连接龙伯天线实验。

最后在上述基站系统参数下，通过某市海上轮船测试采集龙伯天线接收信号并结合最大比合并算法，采集移动网络覆盖性能和服务质量参数，对设计的无线信号增强实现进行实验验证，实验过程设计航行测试航线图如图1和图2所示。

2.2  结果及分析

基于上述的实验准备，通过距离基站20 km定点向两端测试，在实验的基站环境及信号参数下，测试变量1处理所接收的信号，得到对应的实验结果，如表1所示。

变量1测试中2个700 MHz频段的RRU共连接4副天线组成一个小区，最大比合并算法获取上行8个通道，提高上行覆盖性能。

通过相同点位相同频次获取数据，分析对比所设计的方法得到的结果，得到变量1方式下的信号增强方法极限掉话 （RSRP≥-105 dB）有效距离比传统RRU方案极限距离覆盖范围提升29.9%，提升了无线网覆盖性能。

变量2相同点位相同频次采集的数据为：20 km覆盖范围内大规模天线阵列（64发64收天线），平均参考信号接收功率（RSRP）-91.30 dBm，优于龙伯球透镜天线，平均参考信号接收功率（RSRP）-95.53 dBm，平均增益4.6 dB，两种天线方案，电平均优于-115 dBm。大于20 km范围龙伯球透镜天线优于大规模天线阵列，平均增益4 dB，电平优于-105 dBm，如表2所示。

综上我们得到，大规模天线阵列处理后信号在20 km内较好，无法实现大于20 km距离覆盖，而所设计的信号增强方法处理后信号变化幅度小，有效覆盖大于20 km。

通过海上轮船测试距离基站0～55 km的信号覆盖质量，以含有干扰和噪声的无线信号作为信号源对象，通过扫频仪和笔记本电脑采集得到所设计的信号增强方法处理后的移动网络覆盖性能如图3所示，服务质量参数如图4、图5所示，RSRP覆盖电平（平均RSRP）为-94.59 dBm，其中电平大于-105 dBm占比74.97%，最大电平值为-66.5 dBm，最小电平值为-122 dBm。

下行速率：平均速率为21.6 Mbit/s，边缘下行速率1.9 Mbit/s；

上行速率：平均速率为9.63 Mbit/s，边缘上行速率1.17 Mbit/s。

通过所设计的方法，对比传统的信号增强方法（传统方法20 km后无信号覆盖），实验使用方法在接收端能够有效获取更大的信噪比信号；基于最大合并比算法模式能够自适应地优化接入信道的性能，增强信号的抗干扰能力；此外，系统采用龙伯天线技术，低损耗、高增益和高辐射效率有效增加信道容量，满足海面深度覆盖需求。

从移动终端感知方面测试本次实验结果：

1）通过轮船上手机和岸站在相距0～45 km的情况下网络可以连通。

2）移动智能终端上微信、小视频等应用全程流畅。

3）定点语音通话持续观察5 min（记录13次），网络信号、带宽稳定。

4）视频回传效果画质清晰，满足慢直播业务需求。

5）视频通话效果，语音清晰，画面流畅。

通过设计实验实际处理后的信号在RSRP电平值、上行和下行速率网络指标上都有显著提升，处理后信号强度增幅值最大最稳定，距离基站40～45 km处信号满足基本业务的覆盖要求。

3  结  论

随着近海覆盖的需求在不断增加，为此研究利用合理的信号增强方法减少了新增站址，解决了海上基站建设难的问题。经过实验验证，设计的信号增强方法能够提升频谱效率，改进传统信号增强方法中存在的不足，随着移动网络技术飞速发展，通过与更多的超远覆盖技术相结合，能进一步解决超远覆盖的时延干扰等问题，提高网络稳定性。

参考文献：

[1] 董宇良，雷菁，黄英，等.海面空-空无线信道特征 [J].国防科技大学学报，2023，45（2）：81-86.

[2] 朱晓荣，张文贤，汪建业.抗干扰无线通信技术在核应急信息管理中的应用 [J].现代信息科技，2022，6（4）：81-84.

[3] 孙林，毛忠阳，康家方，等.基于最大化能效的海上中继通信频谱分配算法 [J].系统工程与电子技术，2022，44（8）：2661-2667.

[4] RAPPAPORT T S. Wireless Communications： Principles and Practice： Second Edition [M].New Jersey：Prentice Hall，2002.

[5] 鲁照华，袁戈非，吴昊，等.5G大规模天线增强技术 [M].北京：人民邮电出版社，2022.

[6] THORNTON J，黄高成.现代通信工程透镜天线 [M].北京：国防工业出版社，2016.

[7] 李延平，王新稳，李萍，等.微波技术与天线：第4版 [M].北京：电子工业出版社，2021.

[8] 徐冰波.小型化多波束龙伯透镜天线设计 [D].西安：西安电子科技大学，2022.

[9] 曾进，李皓杰.龙勃透镜天线的研究与应用 [J].长江信息通信，2023，36（7）：86-90.

[10] 吴俊卿，张智群，李保罡，等.5G系统技术原理与实现 [M].北京：人民邮电出版社，2021.

作者简介：郑小熠（1982.06—），男，汉族，福建福州人，中级通信工程工程师，本科，研究方向：无线网。