千里巖-南黃島超遠距離無線通信系統應用研究

盧 博，于 博，王 彬，胡 偉，孫靜宜，馮立達，蔣 濤

國家海洋局北海預報中心 青島 266100

2013年12月4日工信部正式向三大電信運營商發布TD-LTE牌照,標志著中國電信產業正式步入4G時代[1]。隨著移動運營市場競爭的日益激烈及用戶規模的不斷擴大,運營商把加強網絡的廣度覆蓋和深度覆蓋作為工程建設的重點,以提高自身競爭力[2]。2015 年2 月,國家工業信息化部發布 《關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》,將1 785～1 805 MHz劃分為交通(城市軌道交通等)、電力、石油等行業專用通信網和公眾通信網頻段,推動了TD-LTE 1.8G無線專網的積極發展[3]。

隨著國家經濟的發展,沿海漁業、海上旅游業也迅速壯大,海域數據通信需求日益增多。海洋這類特殊應用場景,地廣人稀,業務需求量不大,覆蓋成為主要限制因素,用常規的建設手段難以實現經濟良好的廣域覆蓋[4]。

1 研究區域概況

千里巖又名千里島、千里山。位于 36°15′56″N,121°23′10″E,黃海中部西岸的大陸架上。島形似啞鈴狀,南北長約0.82 km,東西寬約0.24 km,面積為1.0405 km2,該島最高點海拔93.5 m。國家海洋局北海預報中心 (以下簡稱 “北海預報中心”)在千里巖北端海拔約60 m的頂部建有海洋環境監測站。

此前千里巖有一臺專用筆記本電腦定時上傳監測站氣象水文資料到北海預報中心,通信手段為VSAT小站加入到衛星傳輸網絡,經北海信息中心VSAT地面接收站中轉,將千里巖海洋環境監測站的氣象水文資料傳輸到北海預報中心數據服務器。此外,在千里巖辦公樓外還有一臺科達攝像機用于實時海況視頻監控。此VSAT衛星傳輸鏈路與自然資源部北海局其他單位共享1 Mbps帶寬,可有效使用的鏈路帶寬約128 kbps,屬于窄帶無線通信。而島上視頻監控系統因需要高帶寬實時傳輸視頻到預報中心視頻監控平臺,受限于VSAT衛星傳輸鏈路帶寬不足而無法發揮效用。

千里巖的值班人員僅以衛星電視作為娛樂手段,工作之余的互聯網訪問無法實現,因此,千里巖值班人員長時間無法與親友即時通訊,更不能獲取外界的熱點時事,這種信息隔絕嚴重影響著值班人員的工作與生活心態。

南黃島隸屬于山東省威海乳山市海陽所鎮,位于山東半島南部黃海北部。西北與險島相望,北面隔一條水道與海陽所鎮的小石口相望,是乳山市最大的島嶼。南黃島為南北走向,長2 000 m,由北頂子、北山和南山3個自然山頭組成,其中北山最高,海拔60 m。自然資源部北海預報中心在海拔約30 m的南山建有海洋環境監測站。之前在南黃島只有一臺PC工作站定時上傳觀測站氣象資料到北海預報中心,通信手段是CDMA調制解調器撥號到掛子場的電信3G基站,通過公網3G鏈路將南黃島觀測站的氣象資料傳輸到預報中心數據服務器。

2TD-LTE1.8G無線專網

TD-LTE是4G的一個重要技術標準,TD-LTE具有低時延、高速率、大帶寬、高安全性等諸多優點,因此TD-LTE技術十分適用于無線專網的建設工作。在4G技術應用的眾多頻率中,使用1.8 GHz的專有頻段配合專用設備進行組網,實現專網與公網的完全隔離,可以在最大程度上杜絕各類信息非法侵入和安全隱患。TD-LTE具有5 ms的延時特性,非常適用于視頻和語音信號的實時傳輸[5],目前已成為國際標準之一。基于TD-LTE的無線通訊相對于目前WIFI等其他無線組網技術和標準有線組網技術,其優點是無需考慮復雜的硬件安裝、綜合布線、網絡設計等問題,快速部署接入點也更加靈活方便。

3 超遠距離覆蓋

TD-LTE 1.8 GHz超遠距離的有效覆蓋范圍不僅取決于基站的性能,如發射功率、終端接收靈敏度、空間傳播損耗、天線增益、饋線損耗、衰落余量等因素,同時也與無線傳播環境,如地理環境和基站布局等有著直接和間接的關系。因此,使用TD-LTE的模式組網,結合超遠距離的有效覆蓋需求及影響基站覆蓋的重要因素,可以采用靈活多樣的覆蓋增強技術來增加系統可容忍的最大路徑損耗,最終達到大幅提高系統性能的目的[6]。

3.1 天線掛高

在海平面環境下進行無線電波的超遠距離傳播,通過空氣傳播的直達波和經過海面反射的反射波是主要的傳播路徑。由于傳播損耗很小,信號可以傳播到距離很遠的海域。在如此遠距離的情況下,地球表面不能再被看作是平面,而應當作球面,需要考慮地球曲率對無線傳播的影響。

在超遠距離的傳播路徑上,地球引起的反射波會在接收機內部對直射電波產生消極或積極的影響。根據LTE基站的饋線損耗、正態衰落余量、基站側的天線增益和靈敏度數據,通過鏈路預算可以得到允許的最大路徑損耗。無線視距、接收端天線高度密和基站天線高度互為因果變量[7],其關系如圖1所示。

圖1 視距覆蓋示意圖

圖1中,R0為地球半徑,HT為基站天線掛高,HR為CPE接收端天線掛高,則視距d可由式 (1)表示:

由于R0>>HT,R0>>HR,所以式 (1)可簡化為式(2):

考慮地久半徑R0=6 370 km,由式 (2)可得:

式 (3)中HT和HR單位為m。

由于空氣的溫度、濕度和壓力隨著高度發生變化,介電常數也成為常量,隨著高度的增加而減小,并隨著空氣的逐漸稀薄趨于0。這使得無線電波在對流層中的傳播軌跡變成沿地球曲率方向的曲線,不再是直線,即無線電波在對流層中傳播時發生折射。這種折射現象的發生相當于增大了地球半徑,在標準的大氣折射下,修正后得到的視距公式為:

式 (4)中,HT為基站天線掛高,單位為m,HR為CPE接收端天線掛高,單位為m,d為基站覆蓋半徑,單位為km。本系統中,南黃島天基站天線掛高約30 m,千里巖CPE接收端天線掛高約60 m,則南黃島基站的視距為:

3.2 站址選擇

在海面環境的覆蓋組網設計中,覆蓋距離是最為重要的關注點。要實現海面超遠距離覆蓋,必須要保證LTE基站天線與CPE接收端之間具有良好的無線傳播環境。

(1)站址高度

海上傳輸基站通常安裝于海岸山體之上,基站天線的有效掛高直接影響到海面無線傳輸的覆蓋距離,天線掛高設計時必須盡量滿足目標區域處于視距的覆蓋范圍內,否則由于地球曲率的影響,遠端目標若處于非視距海域時,信號會出現迅速衰減,此時覆蓋難以保證。

(2)傳播環境勘察

實現海面超遠距離覆蓋一個重要的前提條件是海面具有良好的無線傳播環境[9],因此基站的選址應滿足以下條件:

①傳播方向無明顯遮擋物,如高山、大型平臺等；

②基站的海拔高度越大越好；

③靠近海岸,傳播路徑盡量在海面；

④目標海域與基站之間無大片陸地區域。

3.3 天線選擇

多天線系統是指收發雙方都采用多根天線進行收發。通過選用科學的發射信號和適配的接收機,多天線技術可以在提高系統容量和增加無線覆蓋距離的同時,有效的的控制無線通信系統的建設成本[8]。本系統選擇了技術成熟的2T2R基站和1T2R接收端方案,以增強基站覆蓋能力。

由于無線電波的特性,水平極化信號的傳播會在貼近海面時產生極化電流,極化電流受海水阻抗影響會產生熱能,從而使得電場信號迅速衰減。相對而言,垂直極化的方式則較難產生極化電流,因此可以避免能量的大幅衰減,保證電波信號的傳播效率。由于接收端垂直于地面更容易匹配垂直極化信號,因此在選擇接收端時,相比于其他非垂直極化天線,垂直單極化天線的覆蓋效果會更好一些,尤其是在開闊的海面上,覆蓋效果更為顯著[10]。此外,沿海地區常年風速較大,因此本系統選擇了表面積較小的天線,以減小天線表面所承受的風力,同時可以降低天線對鐵塔和抱桿的安裝要求。

3.4 大功率基站

采用大功率基站設備進行組網,可在源頭上提升信號的功率,從而達到增加傳輸距離和覆蓋范圍的目的。目前國內常見的LTE設備RRU最大發射功率一般大于40 W,而為了滿足海島站超遠距離傳輸的需求,本系統基站的RRU最大發射功率為200 W。

4 系統建設

乳山海洋環境監測站南黃島測點、千里巖海洋環境監測站都是自然資源部北海局的重要站點,兩島現有通信手段的局限性、兩島值班人員的工作生活條件都急需改善。為此,經前期調研,考察各種陸島通信手段的可行性后,排除國家深海基地管理中心、田橫島、乳山市區等局限性較大的通信中轉地點,決定將中轉地點選擇在離南黃島最近的掛子場碼頭自留地,并制定了 “千里巖-南黃島-掛子場-預報中心”多跳傳輸、無線和有線寬帶專網結合、分段實施的解決方案。

本系統根據實際情況制定了 “島-島無線、島-陸無線、陸上有線專線”三段接力傳輸鏈路。考慮到孤懸海上的千里巖遠離陸地難以交通聯絡的現實,首先要保證千里巖和南黃島之間無線寬帶專網的穩定性和可靠性,為此,特選擇我國自有知識產權的4G-LTE技術實現兩島之間54 km的超遠覆蓋。借助LTE技術雙向鑒權的安全性及強大的抗干擾能力,保障兩島之間無線傳輸的穩定性和可靠性,在20 MHZ頻寬下測試上下行帶寬超過了10 Mbps。南黃島與掛子場之間相距近3 km,選擇網橋傳輸簡單實用。此外,為了保證兩島觀測數據和監控視頻上傳到北海分局預報中心,兩島與預報中心通信鏈路保證帶寬至少各2 Mbps,為此,租用聯通公司MSTP專線6 Mbps帶寬在掛子場和預報中心之間建立有線專網通信,互聯網則接至南黃島當地節點。

4.1 千里巖設備建設

根據千里巖的位置、地形和島上的基礎設施等實際情況,在千里巖海洋環境監測站氣象觀測場鐵塔底部安裝互聯網用途CPE接收端,在氣象觀測場旁邊的水泥方形地基上安裝數據專網用途CPE接收端和海康威視云臺攝像機。鏈路方面,所有設備先通過網線直連到地震臺設備所在房間的光纖收發器,再通過已有的光纖連接至海洋站值班辦公室防火墻上。供電方面,均使用已有電路,接入至站上生活電網。

圖2 左圖為千里巖站俯瞰圖，圖中左上為觀測場鐵塔，中下部為地震房；右圖為CPE客戶端和云臺攝像機

室外CPE采用垂直設計,滿足遠距離,弱信號條件下的安裝,并提供WIFI的功能,能將LTE信號轉化為WIFI信號。工作頻率范圍1 785～1 805 MHz,帶寬20 MHz,1T2R雙收單發技術,工作功率20 W。

圖3 室外CPE終端外觀

4.2 南黃島設備建設

根據南黃島的位置、地形和島上的基礎設施等實際情況,在南黃島測風塔塔頂安裝1.8G一體化外掛基站。鏈路和供電方面,基站通過網線和電線直連至南黃島值班室。

基站主要由基帶控制單元 (BBU)和遠端射頻單元 (RRU)組成,工作頻率范圍1 785～1 805 MHz,帶寬20 MHz,2T2R雙收雙發技術,工作功率200 W。

4.3 千里巖島至南黃島無線通信建設

南黃島測風塔至千里巖島氣象觀測場直線距離為54 km,接近南黃島基站的理論視距54.52 km的邊緣,但實際上由于兩地之間無任何阻擋,基站采用大功率小發射角和2T2R技術,加上海表的信號反射,南黃島基站的覆蓋范圍要大于理論值,實際使用過程良好的信號強度也表明兩地之前的距離在基站的有效覆蓋內。

圖4 中心偏左圓柱體建筑物為測風塔，中心右下方綠色方形處為南黃島值班室

圖5 1.8G一體化外掛基站外觀

圖6 千里巖島-南黃島距離示意圖

圖7 系統拓撲圖

因為考慮到網絡安全原因,分別在千里巖島值班室和南黃島值班室安裝部署深信服防火墻各一臺,建立VPN隧道,用于傳輸千里巖海洋觀測數據和海況視頻監控數據,互聯網則是通過多個NAT地址轉換連接至南黃島通信基站,再連接至值班室防火墻,雖共享兩個硬件設備,但均使用的是不同的端口且端口之間存在隔離。

4.4 南黃島至北海預報中心通信建設

分別在南黃島值班室房頂和掛子場碼頭預報中心自留地10 m高度的鐵塔搭建5G和2.4G無線網橋,新建掛子場碼頭自留地至北海預報中心的聯通6 M MSTP專線,與5G網橋直連,用于海洋觀測數據和海況視頻監控的傳輸,2.4G網橋與當地的聯通節點直連,靜態IP登錄,用于互聯網數據的傳輸。

5 系統應用

系統于2016年12月完成安裝調試,并于當月進入試運行階段。表1為試運行前后6個月的氣象水文觀測數據到報率對比。由此表中2016年的到報率可以看出,在該系統建成前,觀測數據的到報率已經很高,這是因為目前千里巖海洋環境監測站所使用的的數據傳輸軟件具有數據續傳功能,即通信鏈路中斷后觀測數據存儲至工控機,待通信鏈路恢復后補發中斷期間的數據。這種傳輸方式可以保證數據到報率一直處于較高水平,但因為通信鏈路傳輸質量問題導致的報文丟失這種低概率事件仍無法避免。由此表中2017年的到報率可以看出,該系統建成運行后,數據到報率仍處于較高水平,且相較于建成之前有了小幅度的提升。

表1 2016年6-11月與2017年1-6月海洋觀測數據到報率

圖8和圖9為千里巖海洋環境監測站海況視頻監控的效果截圖,兩圖分別為綠潮和海浪的抓拍,這些視頻不管是對于目前的離岸觀測,還是相關的科學研究工作,都具有十分重要的參考意義。圖10為地波雷達的安裝調試圖,該系統不僅能夠實時傳輸海洋觀測數據和海況監控視頻,同時可以用于地波雷達、GNSS和其他海洋觀測設備的數據傳輸。

圖8 海況視頻監控綠潮效果圖

圖9 海況視頻監控海浪效果圖

圖10 地波雷達天線和主機

6 結 語

本系統首次在離岸、無信號的海島海洋環境監測站開展超遠距離無線通信技術研究和示范站點建設。系統建成后,海洋觀測實時數據分鐘報文報到率達到99.5%以上,視頻在線率98%以上,解決了海島實時觀測數據、視頻圖像帶寬的通信問題,為我國海島通信建設提供示范。但目前該系統的傳輸穩定性受天氣影響較大,特別是位于千里巖島和南黃島中間的海域出現雷雨或大雪天氣時,信噪比會顯著增高,傳輸質量明顯下降,因此仍需尋找新的技術手段解決此問題。