面向智慧海洋的廣電5G專網解決方案

羅新軍，許步揚

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.深圳市天威視訊股份有限公司，廣東 深圳 518036）

0 引 言

我國擁有漫長的海岸線及沿海灘涂，有著豐富的海洋和旅游資源，從事海上作業和到沿海旅游的人數眾多。在我國許多重要港口城市，其臨港產業推動著區域經濟的發展。隨著通信技術的發展，針對臨港產業的通信基礎設施建設也有所成效，包括固網、2G、4G等的近海覆蓋的實現，解決了養殖、水文、氣象、海上運輸以及救助等基本通信需求[1]。但面向視頻監控、海量連接、低時延作業等業務，現有的近海通信技術已逐漸出現瓶頸，制約著海洋業務的發展。廣電5G網絡是我國重要的新一代信息基礎，其廣覆蓋、大帶寬、低延時以及廣連接的技術特點將助力海洋傳統業務升級和應用創新。通過構建廣電5G無線專網，助力海洋傳統業務5G化升級。全面整合接入或替代現有光纖、2G/4G等IP有線與無線網絡，實現基于不同時延和帶寬的各種業務應用，例如5G+港口機器遠程操作、5G+智慧港務、5G+海洋物聯網、5G+4K/8K遠程高清視頻以及5G+無人機應用等。

1 廣電5G特點

中國廣電擁有700 MHz+4.9 GHz黃金頻段的頻譜資源。700 MHz頻段具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強等特性，特別適合在海洋、農村等開闊區域使用。對于移動性要求高、光纖難以通達的地區，通過客戶前置設備(Customer Premise Equipment，CPE)方式代替光纖或WiFi接入，解決海洋覆蓋難的問題。廣電700 MHz頻段獨有的頻分雙工（Frequency Division Dual，FDD）制式，相比其他主流的5G頻段2.6 GHz、3.5 GHz或9 GHz采用時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）制式，在覆蓋距離上具有無可比擬的優勢[2]。TDD制式覆蓋半徑主要受循環前綴（Cyclic Prefix，CP）、上下行保護間隔（Guard Period，GP）以及Prach信道前導等因素的影響，而FDD制式覆蓋半徑只與GP有關。相比TDD制式，采用FDD制式進行海域覆蓋的覆蓋距離更廣，尤其是上行優勢明顯，特別適用于海洋等遠距離覆蓋上行受限場景。

廣電700 MHz頻段適用于廣覆蓋，其5G組網所需基站數量少、組網成本低、建網速度快，同時后期全網基站運營成本低、運維工作量少。而廣電擁有的4.9 GHz頻段適用于容量覆蓋。對于有大容量、大帶寬、高速率需求的場景，如高清視頻、AR/VR等，可采用4.9 GHz建站進行容量補充，利于實現700 MHz+4.9 GHz的“低頻+中頻”協同組網，構建智慧廣電5G精品網絡。中國廣電5G網絡定位主要面向ToB業務，基于SA獨立組網，利于開展5G+MEC專用網絡建設。

2 近海海域場景特點

近海海域場景主要指離海岸30 km以內的海面區域，平行于海岸線的近海覆蓋是一種最常見的覆蓋場景。

2.1 近海海域場景特點

在近海海域內，無線信號基本以視距傳播為主，遮擋少，信號衰減近似自由空間傳播。5G技術出現以前，海洋業務場景具有地廣人稀、業務需求量不大等特點，海洋廣域覆蓋成為無線網絡主要需求。隨著經濟、技術的發展，近海海域用戶群發生了變化。在近海覆蓋中，需要盡量增大覆蓋面積，精準容量覆蓋，最大程度地節約成本。針對近海海域場景特點，構建基于廣電5G+MEC的專用網絡，具有時延低、安全性高、容量大、投資少以及見效快等特點，對于開展近海海域相關科研和業務具有無可比擬的優勢。

2.2 近海覆蓋無線鏈路傳播模型

由于在近海覆蓋傳播距離內，海面無線傳播環境良好，近似于自由空間傳播條件，反射波的分量與直達波相比較小，對接收電平的統計中值預測影響很小，因此可不予考慮。基站高度和終端高度對傳播路徑損耗影響較小，其影響體現在適用距離和路徑損耗斜率中[3]。近海海域海面無線傳播路徑損耗模型為：

式中，Lp為海面無線傳播路徑損耗；dkm為接入點與基站之間距離，單位為km；f為載波頻率，單位為MHz；r為路徑損耗斜率，一般取值為2.6～3.4。

對近海覆蓋場景進行參數配置，開展700MHz FDD NR線鏈路預算。當上行邊緣速率在1 Mb/s時，覆蓋距離約30 km；當上行速率在512 kb/s時，覆蓋距離約37 km。700MHz FDD NR上線鏈路預算情況具體如表1所示。

表1 700MHz NR上線鏈路預算表

3 構建廣電5G專網解決方案

構建智慧海洋的廣電5G專網解決方案，需要從無線接入網、承載網、核心網及邊緣云計算等多方面進行規劃設計。特別是廣電5G無線接入網的規劃設計，需要考慮決定海域的有效覆蓋距離的相關因素，包括基站發射功率、終端發射功率、綜合路徑損耗、基站接收靈敏度、終端接收靈敏度以及無線傳播環境等。為確保終端在覆蓋范圍內有效接入，并保證一定的上、下行速率，可以采用靈活多樣的覆蓋增強技術增加系統可容忍的最大路徑損耗[4]，提高系統性能。近海覆蓋距離較遠，在關注覆蓋距離的同時需特別關注小區與小區重疊覆蓋引起的相互干擾。

在站址選擇方面，近海海域覆蓋要求基站覆蓋半徑在30 km左右，基站站址通常選擇比較平坦或沿海山體上的地點建鐵塔，塔高根據覆蓋區域在50 m左右調整。基站天線的實際掛高是影響海面覆蓋距離的直接因素，通過其掛高保證終端等目標在視距范圍內。站址選擇需要特別考慮傳播環境的影響，確保基站覆蓋前方具備良好的無線傳播條件、靠近岸邊，傳播環境盡量在海面，覆蓋目標區域與基站之間無大片陸地區域，覆蓋方向無明顯遮擋物，海拔高度盡量高。在站址的選擇時，既要考慮現在的覆蓋需求，也要考慮未來可能的規劃，以免影響基站覆蓋。充分利用海岸的地形地物，如靠近海岸的高山、燈塔等作為基站站址，提高基站天線的高度。站址的選擇出需要考慮建站的難易程度外，還需考慮基站維護的便利性及建設、運維成本等因素。不同的天線高度對應的參考視距傳播距離如表2所示。

表2 不同的天線高度對應的參考視距傳播距離

在天線選擇方面，廣電700MHz基站天線通常選用4T4R模式來提升基站覆蓋能力。4R帶來分集增益，改善上行接收性能，進一步擴大覆蓋范圍。天線采用垂直極化的傳播方式，覆蓋效果更好。根據覆蓋區域分布情況，選用水平面半功率角為120°或65°的高增益天線。基站常用的天線包括全向天線（天線增益較小）和定向天線（天線增益較大），選擇具有良好零點填充和副瓣抑制的天線，避免塔下黑。

在基站與終端選擇方面，為提升近海海域覆蓋范圍，可以采用大功率基站有效提升下行覆蓋距離。終端方面，5G終端一般采用26 dBm的發射功率，終端發射功率得到增強，優勢更大，提升了5G終端的接入能力和覆蓋距離。為進一步提升終端的發射功率和靈敏度，根據應用場景需要可采用CPE。對于固定場景，CPE可以采用內置或外置定向天線，提升終端增益5～20 dB，對于移動場景，CPE可以采用外置全向天線，增益3～8 dBi，使終端獲得理想的性能增益，提升終端接入性能。

在站型組網設計方面，站型組網根據覆蓋區域與用戶數量、分布進行針對性設計，具體包括O1、S1、S11以及S111等站型配置。若用戶圍繞站點四周分布、距離較近、用戶數量不多且帶寬要求不高，可以采用O1站型，搭配高增益全向天線對周邊360°海域進行覆蓋。若用戶集中在站點某一個方向且需要覆蓋距離較遠，可以采用S1站型，搭配高增益定向天線覆蓋。若用戶分布的覆蓋區域較廣，可根據容量及吞吐量等需求進行靈活設計站型，可選用S11～S111等站型。此外，也可根據需要采用合并小區方式，實現大范圍的廣域覆蓋。為了避免小區之間的干擾，在網絡拓撲結構設計時一般采用單扇區定向站型。

在承載網設計方面，傳輸方案根據業務需求采用無線接入網IP化（IP Radio Access Network，IPRAN）、 切 片 分 組 網（Slicing Packet Network，SPN）或光纖直驅等方式[5]，端口可根據業務增長和切片等需求擴容。

在核心網設計方面，可在本地建設一整套核心網系統（包括控制面和用戶面）或獨立建設用戶面，實現端到端的5G網絡建設。一方面減少遠距離接入帶來的時延，提升用戶體驗，降低多節點超長鏈路帶來的不可靠性；另一方面通過及時響應客戶需求，快速靈活配置開通業務。

MEC設計根據業務需求配置相應數量的服務器，并下沉至用戶端。按MEC最小系統及備份配置，包括UPF下沉、計算服務器、存儲服務器以及安全服務器等。MEC是5G專網方案中的關鍵使能技術，保證了低時延、高安全業務的實時交互。

根據以上配置，構建近海覆蓋的廣電5G專網，采用獨立組網方式，包含無線接入網、承載網、核心網及MEC。其中700MHz基站采用BBU+RRU+天線模式，4.9GHz基站采用BBU+AAU模式，而承載網根據業務需求采用光纖直驅方式。核心網通過部署x86架構的服務器，采用NFV技術虛擬出5G核心網（5G Core，5GC）各邏輯網元，采用SBA服務化架構，實現控制面和用戶面的功能。MEC具備轉發能力，上聯至智慧海洋綜合管理服務平臺。用戶面功能（User Plane Function，UPF）、MEC、基站BBU部署在近海機房，其中UPF實現本地分流功能，滿足低時延、大帶寬、安全私密的業務需求，同時可配置相應的防火墻確保業務安全。面向近海覆蓋的廣電5G專網端到端系統組網架構如圖1所示。

圖1 5G網絡端到端系統組網架構

4 結 論

廣電5G網絡相比有線寬帶、WiFi無線網絡、2G/3G/4G無線網絡等具有低成本、高性能、廣覆蓋以及安全可靠的優勢，相比其他中、高頻5G無線網絡在覆蓋及成本上也具有無可比擬的優勢，可滿足海洋行業業務對廣域覆蓋的連續性、大帶寬、低時延以及高可靠等要求。面向近海覆蓋的廣電5G專網解決方案，采用5G、邊緣計算、云、AI（Artificial Intelligence，人工智能）等技術，助推智慧海洋全面建設。廣電5G專網的建立為海洋業務提供安全、便捷的接入和高速訪問，實現多平臺協作，打造面向海洋場景業務的5G全方位應用，全面推動廣電5G在海洋領域創新應用的探索和實踐。