蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的研究

鄭 健 ，丁良輝

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電信工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海偉賽智能科技有限公司,上海 200030)

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蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的研究

鄭 健1,2，丁良輝1

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電信工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海偉賽智能科技有限公司,上海 200030)

介紹了應(yīng)急場景下蜂窩基站無線橋接應(yīng)用的需求，從應(yīng)急場景信號覆蓋和網(wǎng)絡(luò)流量兩個情況，比較了WiFi網(wǎng)橋、LTE網(wǎng)橋和UHF網(wǎng)橋的技術(shù)優(yōu)劣，針對UHF無線網(wǎng)橋，基于無線信號傳播模型，從理論上分析了鏈路預(yù)算與發(fā)射功率需求，并對上海地區(qū)地面廣播電視頻譜分布情況進行了分析，指出地面廣播電視的空白頻譜可以用于應(yīng)急場景下蜂窩基站的UHF橋接。

應(yīng)急場景；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；無線橋接

地震、海嘯、火災(zāi)、恐怖襲擊等突發(fā)因素會導(dǎo)致手機蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)信號丟失，為了恢復(fù)蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)信號，可使用無線網(wǎng)橋?qū)?yīng)急基站連入主干網(wǎng)，達(dá)到快速完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋和補點的目的。目前能夠使用的橋接方式有很多，但缺乏在應(yīng)急環(huán)境中的對比，同時，對UHF網(wǎng)橋也缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)分析。因此，本文對比了用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的優(yōu)劣，針對UHF網(wǎng)橋分析了其鏈路預(yù)算與發(fā)射功率需求，并以上海為例論證了使用廣播白頻譜架設(shè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無效橋接的可行性。

1 蜂窩基站無線橋接應(yīng)用分析

1.1 無線網(wǎng)橋技術(shù)

無線網(wǎng)橋是一種利用無線傳輸方式實現(xiàn)在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間通信的技術(shù)。無線網(wǎng)橋具有功率大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強等優(yōu)點。無線網(wǎng)橋主要用于室外，配備定向或全向天線實現(xiàn)長距離的點對點或點對多點連接。

1.2 無線網(wǎng)橋的應(yīng)用場景

本文討論的無線網(wǎng)橋應(yīng)用場景大致可分為兩種情況：

1)在重大災(zāi)害或者事故中受到影響(如本地光纜斷裂等)，本地基站成為“孤島”，孤立于主干網(wǎng)絡(luò)之外。因而需要通過無線橋接的方式實現(xiàn)“孤島”基站與主干網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。這種情況下，“孤島”端的無線網(wǎng)橋天線架設(shè)在“孤島”基站通信塔上，另一端天線架設(shè)在附近完好的蜂窩基站通信塔上，通過定向或全向天線進行點對點通信，使基站恢復(fù)正常。

2)由于本地基站損壞，使得網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)缺口而不得不使用移動應(yīng)急基站補點。此時，工程人員通過臨時架設(shè)應(yīng)急基站完成網(wǎng)絡(luò)信號的再覆蓋，并通過無線網(wǎng)橋使應(yīng)急基站連入主干網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)急基站端的無線網(wǎng)橋天線架設(shè)在地面上，無線網(wǎng)橋另一端天線架設(shè)于附近的蜂窩基站通信塔上。應(yīng)急基站可以是如基站車輛的移動基站，也可以是臨時架設(shè)在屋頂、路邊的便攜式基站。

兩種情況的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線網(wǎng)橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一般來說，無線通信網(wǎng)絡(luò)基站的距離間隔為城區(qū)600 m左右、郊區(qū)3 km左右，而形成“孤島”的基站相較其他基站的間隔距離最小約為3～5 km。在如地震等重大事件發(fā)生時，受災(zāi)面積波及較廣。搭建無線網(wǎng)橋時，應(yīng)急基站與完好的鄰近基站的間隔距離可達(dá)20～30 km，這要求基站間無線橋接的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離不能太短。

2 無線網(wǎng)橋系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)分析

無線網(wǎng)橋系統(tǒng)的需求包括功能需求和網(wǎng)絡(luò)需求兩部分。

2.1 功能需求

作為應(yīng)急式的保障性通信，無線網(wǎng)橋必須體現(xiàn)以下原則：可靠性、擴展性和經(jīng)濟性。無線網(wǎng)橋的系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用模塊化的設(shè)計思路，以保證其有充分的可擴展性。在無線網(wǎng)橋整體方案上追求高效率和低成本，是其商業(yè)化的必然需求。因此，無線網(wǎng)橋系統(tǒng)除了考慮整體開發(fā)成本以外，還需要考慮長期運營的成本。

在應(yīng)急事件發(fā)生后，無論是使用應(yīng)急基站還是使用“孤島”基站通過無線網(wǎng)橋恢復(fù)受災(zāi)地點的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，都必然有一段蜂窩網(wǎng)絡(luò)無服務(wù)的空窗期。失去蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的受災(zāi)群眾會逐漸變得焦慮，此時一旦蜂窩網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通信，受災(zāi)群眾會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量呼叫請求以減少自己的焦慮癥狀。因此，無線網(wǎng)橋需要保證大業(yè)務(wù)量下的網(wǎng)絡(luò)通暢。

另外，為了不影響蜂窩基站的正常通信，對于國內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)運營商所在的頻段，無線網(wǎng)橋應(yīng)予以回避。

2.2 網(wǎng)絡(luò)需求

無線網(wǎng)橋同時也要滿足蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站上下行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)需求。

由上文所說，無線網(wǎng)橋需要保證能夠不影響對基站的遠(yuǎn)程管理，還要能夠短時間承載大量業(yè)務(wù)。因此，對于無線網(wǎng)橋來說，在控制面時延，需要保證其從空閑態(tài)到激活態(tài)的轉(zhuǎn)換時延盡可能小，休眠狀態(tài)到激活態(tài)時延也不能太大。另外，應(yīng)急基站搭建完成后會在短時間內(nèi)涌入大量用戶，為了確保用戶接入，在控制面容量上，無線網(wǎng)橋要保證能夠支持大量激活態(tài)的用戶。

對于發(fā)生在不同地點的應(yīng)急場景，其所需通信距離也不同。在城區(qū)，由于蜂窩基站布設(shè)較密，因此在受災(zāi)地區(qū)架設(shè)的應(yīng)急基站與臨近蜂窩基站的間距也較小，其所需點對點通信距離也較小。在郊區(qū)，由于地勢空曠，蜂窩基站之間的距離也隨之增大，架設(shè)的應(yīng)急基站與臨近基站的間距也更大。

具體的無線網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)需求如表1所示。

表1 LTE基站對無線網(wǎng)橋的網(wǎng)絡(luò)需求

3 主流網(wǎng)橋技術(shù)方案比較

目前市面上的無線網(wǎng)橋技術(shù)方案，主要有以下3種：WiFi網(wǎng)橋、LTE網(wǎng)橋以及UHF網(wǎng)橋。這3種網(wǎng)橋方案各有特點，每種方案都各自適用不同的應(yīng)用場景。本節(jié)通過對比不同無線橋接技術(shù)的特點來討論基站間無線橋接最為適用的網(wǎng)橋方案。

3.1 WiFi網(wǎng)橋

WiFi技術(shù)主要基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，其特點是功耗較低、帶寬較寬、射頻信號較強。根據(jù)設(shè)置的不同，WiFi網(wǎng)橋的物理速率最高支持11 Mbit/s，帶寬也可設(shè)置為10 MHz與20 MHz兩種。一般民用WiFi的覆蓋范圍最高達(dá)300 m，而WiFi網(wǎng)橋使用了更大的發(fā)射功率與高增益的定向天線，使得WiFi網(wǎng)橋的點對點傳輸距離可達(dá)到20 km[2]。例如神腦(EnGenius)公司的ENH710EXT無線網(wǎng)橋[3]、思科(Cisco)公司的Aironet 1400系列無線網(wǎng)橋[4]等。

WiFi技術(shù)所采用的頻段相對較高，這樣高頻段的電磁波在自由空間傳播時，較難穿透或繞過中間的遮擋物。在環(huán)境復(fù)雜的室外空間，很少有純視距范圍傳播無線信號的場景，反而在2個通信點之間大多有建筑物或山體、樹木等遮擋物。即使信號得以穿透或繞過遮擋物，其帶寬也未必能滿足需求。如需要搭設(shè)應(yīng)急基站車時，由于應(yīng)急車輛端無線網(wǎng)橋的天線只能搭設(shè)在地上或車頂，因此應(yīng)急車輛端的無線網(wǎng)橋天線高度遠(yuǎn)比不上架設(shè)于通信塔頂?shù)姆涓C基站端無線網(wǎng)橋的天線高度。在這種情況下，無線信號會穿越更多的障礙物，降低WiFi網(wǎng)橋的信號接收效果[5]。

3.2 LTE網(wǎng)橋

LTE是4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用在基站和用戶之間的空中接口技術(shù)，相比WiFi網(wǎng)橋，LTE網(wǎng)橋的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是全IP扁平化結(jié)構(gòu)，傳輸速率最高可達(dá)下行100 MHz，網(wǎng)橋帶寬可根據(jù)不同場景設(shè)置1.25～20 MHz。LTE網(wǎng)橋采用全向或定向天線，發(fā)射更大功率的信號，其信號傳輸距離可達(dá)20～50 km。比如鑫軟圖(Sinolte)公司的XNB-SPH1800A無線網(wǎng)橋[6]、羚科(LINGKE)公司的LK-AC-5HP-LR無線網(wǎng)橋等[7]。

但是LTE技術(shù)在架設(shè)時的費用問題也無法忽略，架設(shè)LTE網(wǎng)橋需要面臨高額的專利費以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3.3 UHF網(wǎng)橋

本文所提及的UHF網(wǎng)橋，是采用UHF頻段——主要是200～800 MHz范圍內(nèi)的頻段、調(diào)制解調(diào)采用DTM-B標(biāo)準(zhǔn)并且采用OFDM技術(shù)進行信號傳輸?shù)臒o線網(wǎng)橋，例如文絡(luò)(WINNET)公司的WM-T2000系列無線網(wǎng)橋[8]等。

選擇UHF特高頻，主要是看重其波長長，可以更好地繞過障礙物的特性，以實現(xiàn)更好的無線傳輸和覆蓋[9]。而200～800 MHz頻段的頻率特性使得其在無線傳輸時能夠獲得比WiFi(2.4 GHz或5.8 GHz)或LTE(1.8 GHz或2.6 GHz)技術(shù)更好地繞過障礙物特性，以實現(xiàn)更好的無線傳輸與覆蓋。而在無線網(wǎng)橋典型的應(yīng)用場景中，災(zāi)后重建場景的地勢環(huán)境十分惡劣，普通的無線網(wǎng)橋無法達(dá)到其覆蓋范圍的要求。

UHF網(wǎng)橋的傳輸速率在73 MHz左右，根據(jù)設(shè)置的不同，可支持1～16 MHz帶寬，支持的最高移動速率約為120 km/h。在與其他兩種網(wǎng)橋處于同一EIRP的條件下，UHF網(wǎng)橋的傳輸距離可達(dá)50 km。

另外，UHF網(wǎng)橋不需要支付專利使用費用以及數(shù)據(jù)流量費用，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本更低。但是目前的頻譜被地面廣播電視占用，需要考慮頻譜授權(quán)和可用白頻譜問題。

3.4 比較

上述3種無線網(wǎng)橋技術(shù)的性能對比見表2。

表2 WiFi、LTE與UHF網(wǎng)橋主要性能對照

由表2可見，WiFi技術(shù)在覆蓋范圍與支持最高移動速率這兩項有比較明顯的劣勢，不符合前文對網(wǎng)橋功能需求的分析。而LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本較高，在應(yīng)急場景下無法快速搭建符合要求的無線網(wǎng)橋。因此，筆者認(rèn)為UHF網(wǎng)橋是最適合應(yīng)急場景下蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的應(yīng)用需求。

4 UHF無線網(wǎng)橋信號覆蓋性能分析

在比較了市面上使用較廣泛的幾種無線網(wǎng)橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，筆者認(rèn)為最適合蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站間進行無線橋接的無線網(wǎng)橋是UHF網(wǎng)橋。為了使本系統(tǒng)的無線網(wǎng)橋滿足其覆蓋半徑與網(wǎng)絡(luò)需求，需要通過分析本系統(tǒng)的鏈路預(yù)算與傳播模型來著手。

4.1 鏈路預(yù)算與傳播模型

鏈路預(yù)算的一般流程包括配置系統(tǒng)帶寬，確定天線配置，確定開銷復(fù)核，發(fā)送端功率增益與損耗計算，接收端功率增益、損耗計算，鏈路總預(yù)算等[10]。為了保證接收機的正常接收，接收信號的強度應(yīng)當(dāng)滿足

Prx>N0

(1)

式中：Prx為接收端的信號強度；N0為基底噪聲，即

N0=30+10lg(kT)+10lg(B)+NF

(2)

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K;T為熱力學(xué)溫度，常溫下T=290 K；B為帶寬，單位為Hz；NF為噪聲系數(shù)，本文中假設(shè)NF=5 dB。

接收端的信號強度與發(fā)射端的信號強度和信號衰落之間的關(guān)系為

Prx=Prx-Lp(d)

(3)

式中：Lp(d)表示路徑損耗。奧村模型下的城市路徑損耗表示為

Lp(d)=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(ht)-k(hr)+

[44.9+6.55lg(ht)]lg(d)

(4)

式中：f為信號中心載頻；ht，hr分別為發(fā)射天線與接收天線的高度，單位為m；k(hr)為移動接收天線的修正因子。

對于中等規(guī)模的城市，有

k(hr)=(1.1lgf-0.7)hr-(1.56lgf-0.8)

(5)

對于大型城市，有

k(hr)=3.2(lg11.75hr)2-4.97

(6)

對于郊區(qū)地區(qū)，路徑損耗Lrural(d)可以表示為

(7)

根據(jù)以上公式即可推算，在確定的衰落環(huán)境中以一定的功率和帶寬發(fā)送時信號最遠(yuǎn)的傳輸距離。

4.2 白頻譜分布估計

為更好地進行應(yīng)急場景下的信號覆蓋分析，筆者所在的團隊在上海進行了白頻譜分布研究，以最終確定應(yīng)急場景下無線網(wǎng)橋所可以采用的主要頻段。上文中，由于筆者選擇了UHF技術(shù)的無線網(wǎng)橋作為應(yīng)急場景下的無線網(wǎng)橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而這種網(wǎng)橋的系統(tǒng)帶寬為8 MHz，因此將測試頻段劃分為8 MHz的不同頻道，本文中以頻道為單位進行計算分析。

利用奧村模型計算信道衰落可以得到各個頻道在各自不同發(fā)射條件下的覆蓋距離和到達(dá)各個地區(qū)時的接收功率[12]。若接收功率高于底噪聲，則在這個區(qū)域利用此頻道進行上行通信會產(chǎn)生干擾，即此頻道在該地區(qū)不可以作為白頻譜使用；若接收功率低于底噪聲，則可以考慮在此地區(qū)復(fù)用該頻道。結(jié)合實際城市/地區(qū)間的距離與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文的計算結(jié)果如圖2和圖3所示，圖中可復(fù)用區(qū)域和覆蓋邊緣區(qū)域均可以作為白頻譜資源使用，可復(fù)用區(qū)域距離同頻下行廣播區(qū)域更遠(yuǎn)，可以優(yōu)先考慮使用。

圖2 上海市白頻譜分布示意圖

圖3 上海及周邊地區(qū)白頻譜分布示意圖

從圖2中可以看出，上海市內(nèi)的可用頻道非常有限，特別是在人口密集的市中心區(qū)域，僅有第11頻道(中心頻率為211 MHz)可以作為白頻譜資源使用；與此相對的，松江區(qū)、奉賢區(qū)和金山區(qū)可用的空白頻段較多。由圖3可以看出，如果考慮使用分配給上海市和上海周邊的所有頻道，則上海地區(qū)可以選擇使用的白頻譜資源增多。結(jié)合圖2、圖3可知，上海地區(qū)可作為白頻譜使用的頻道集合為

S={11,13,18,21,22,23,24,25,27,29,30,31,35,

36}

(8)

對應(yīng)的可用中心頻點(單位：MHz)集合為

F={211,474,514,538,546,554,562,610,626,642,650,658,690,698}

(9)

4.3 上行鏈路覆蓋半徑

根據(jù)上文測得結(jié)果，筆者選取610 MHz作為中心頻點，通過鏈路預(yù)算的方法估計小區(qū)覆蓋半徑。為方便計算，筆者采用了應(yīng)急基站場景，無線網(wǎng)橋的天線一端架設(shè)于臨近的蜂窩基站通信塔頂端，距離地面30 m，而另一端則直接架設(shè)于地面，高度2 m，其他主要參數(shù)見表3。圖4展示了對應(yīng)的鏈路預(yù)算計算結(jié)果，據(jù)此結(jié)果可以獲得單個上行小區(qū)的最大覆蓋半徑，即應(yīng)急基站到鄰近基站的最遠(yuǎn)距離[11]。

表3 鏈路預(yù)算相關(guān)參數(shù)

根據(jù)上行鏈路參數(shù)，分別計算郊區(qū)環(huán)境和城區(qū)環(huán)境中用戶不同的發(fā)射功率下可達(dá)到的覆蓋范圍，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，在一般的應(yīng)急場景下，用戶的EIRP在40 dBm時，郊區(qū)環(huán)境覆蓋距離約為22 km；在城區(qū)的覆蓋距離約為7 km。如果適當(dāng)降低對用戶EIRP的限制，增大用戶的發(fā)射功率，當(dāng)用戶的發(fā)射功率達(dá)到50 dBm時，在郊區(qū)可以達(dá)到40 km左右的覆蓋距離，在城市地區(qū)的覆蓋距離約為13 km。

圖4 不同衰減模型下的鏈路預(yù)算結(jié)果

本文計算在城區(qū)和郊區(qū)兩種傳輸環(huán)境中，為了達(dá)到不同覆蓋距離發(fā)射設(shè)備所需要的發(fā)射功率，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，若需要滿足上文提到的典型的應(yīng)急場景信號覆蓋需求，用戶信號的傳輸距離要達(dá)到30 km(郊區(qū))或10 km(城區(qū))，其上行設(shè)備發(fā)射端需要約為46 dBm的發(fā)射功率[12]。對于現(xiàn)有的上行用戶設(shè)備而言，這樣的發(fā)射功率較難實現(xiàn)，因此本文提出的通過搭設(shè)應(yīng)急基站與無線網(wǎng)橋幫助遠(yuǎn)距離用戶與通信基站之間通信的方案具有實際價值。

5 結(jié)語

通過分析蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的應(yīng)用場景及對無線網(wǎng)橋系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求與功能需求分析，比較了市面上廣泛使用的3種無線網(wǎng)橋技術(shù)，提出基于OFDM的UHF網(wǎng)橋是符合應(yīng)急場景中蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的最佳無線網(wǎng)橋選擇。

進一步對該無線網(wǎng)橋進行鏈路預(yù)算，通過奧村模型對傳播鏈路的覆蓋半徑分析，結(jié)合筆者所在團隊對上海地區(qū)白頻譜分布估計，計算得出了所有無線網(wǎng)橋適合使用的中心頻點，并通過設(shè)定的中心頻點計算出了無線網(wǎng)橋的覆蓋距離。但由于應(yīng)急環(huán)境的突發(fā)性，這些中心頻點不一定全部符合應(yīng)急環(huán)境所在位置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，最好在突發(fā)事件發(fā)生地點重新測定頻譜以確定最合適的中心頻點。

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責(zé)任編輯：薛 京

Research on wireless bridge between cellular base stations

ZHENG Jian1, 2, DING Lianghui1

(1.SchoolofElectronicInformationandTelecommunicationEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiVSITechnologyCo.,Ltd.,Shanghai200030,China)

The requirement of wireless bridge application between cellular base stations in emergency scene is introduced. The advantages and disadvantages of WiFi-based bridge, LTE bridge and UHF bridge are compared taking signal coverage and network traffic into account. The link budget and the requirement of transmit power of the UHF bridge is analyzed by using the wireless signal propagation model. It is concluded that the white spectrum of terrestrial broadcasting can be used for UHF bridge between cellular base stations in emergency case.

emergency scene; cellular network; wireless bridge

鄭健，丁良輝.蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站無線橋接的研究[J]. 電視技術(shù)，2016,40(12)：99-103. ZHENG J,DING L H.Research on wireless bridge between cellular base stations[J]. Video engineering，2016,40(12)：99-103.

TN925+.92

A

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2016-10-27