海上風電基站的5G 信號傳播特性及其影響因素分析

曹芳志

（珠海樂創(chuàng)通信技術有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

5G 海上風電基站，作為基于5G 新無線（New Radio，NR）的一體化基站，擁有小體積、低部署成本以及簡便施工等優(yōu)點，無需新增傳輸即可解決海上風電場的5G 信號覆蓋盲點。通過5G 技術，可以實現(xiàn)海上風電場及其周邊海域的高速5G 信號無縫覆蓋，且能夠大幅提高海上風電基站的通信效率和穩(wěn)定性。本文通過分析5G 信號在海上風電基站的傳播路徑、距離以及衰減等特性，并探討海洋環(huán)境、天氣、風電基站的結構和位置等因素對5G 信號傳播的影響。

1 海上風電場面臨的通信需求和挑戰(zhàn)

由于風電場通常位于遠離陸地20 ～120 km 的海上區(qū)域，同時涉及到實時數(shù)據(jù)的上傳，如風力、轉(zhuǎn)速、溫度等關鍵參數(shù)，以進行效率優(yōu)化和故障預警，并實現(xiàn)包括基站設備的遠程控制，降低對現(xiàn)場操作人員的依賴，減少安全風險和運營成本。隨著海上風電場規(guī)模的擴大和技術的進步，對于網(wǎng)絡帶寬的需求也在日益增長。海量數(shù)據(jù)的實時傳輸以及人工智能（Artificial Intelligence，AI）、機器學習等先進技術的應用，對網(wǎng)絡帶寬提出了更高的要求，傳統(tǒng)的衛(wèi)星和窄帶專網(wǎng)通信方式帶寬有限，延時高，容易受到天氣等環(huán)境因素的影響，無法實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)階段，風電場之間協(xié)同作業(yè)的需求增加，站間的高速、低延時等通信需求為5G 技術的引入提供了廣闊的應用空間[1]。

2 5G 在海上風電場通信中的應用

5G 技術能夠利用其高速、大帶寬、低延遲的特性，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，使海上風電場的運行更加智能化。5G 網(wǎng)絡可以實時傳輸海上風電場的運行數(shù)據(jù)，包括但不限于溫度、壓力、風速等，通過實時分析這些數(shù)據(jù)，能夠及時預警可能出現(xiàn)的故障，大幅提高了風電場的運行效率和安全性。同時，5G 海上風電基站還能實現(xiàn)基站之間的快速信息交換，使得基站之間能夠?qū)崿F(xiàn)實時的信息交換，從而使整個風電場的運行更加協(xié)同，提高了整個系統(tǒng)的運行效率。除此之外，5G 網(wǎng)絡還使得海上風電場的遠程監(jiān)控成為可能，大幅降低了運維成本[2]。通過利用5G 網(wǎng)絡的大數(shù)據(jù)分析能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對風電場的運行情況進行深度挖掘，從而提高其發(fā)電效率。

3 影響5G 信號傳播的因素分析

3.1 天氣條件的影響

海上風電場這種極端環(huán)境下，雨、霧、溫度和濕度等在內(nèi)的各種天氣因素，都可以對5G 信號的傳播特性產(chǎn)生影響。雨滴對5G 信號的影響尤其明顯，其大小和形狀可以使信號發(fā)生散射，而雨滴內(nèi)部的水分也會吸收信號，這2 種效應都會導致信號衰減。雨滴的分布和密度會隨著降雨強度的變化而變化，導致信號衰減的程度也隨之變化。例如，在大雨中，5G信號可能會嚴重衰減，降低信號的傳播距離和質(zhì)量；霧中的水滴和濕度都會吸收和散射信號，在高濕度的海洋環(huán)境中，霧氣還會改變空氣的折射率，導致信號傳播路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)；溫度的變化會改變空氣的折射率，特別是在溫度梯度較大的情況下，可能會導致信號發(fā)生異常折射，而且溫度的變化還會影響大氣中水蒸氣的含量。在海上風電基站中，天氣條件的變化更為劇烈，可能在短時間內(nèi)經(jīng)歷各種極端天氣，因此對5G 信號的影響也更為復雜和嚴重。

3.2 海洋環(huán)境的影響

海洋環(huán)境中的海浪、鹽度以及溫度等對5G 信號的傳播有直接影響。海浪會改變海面的形狀和粗糙度，從而影響海面對5G 信號的反射與散射特性，其高度、周期、方向等參數(shù)會影響海面的粗糙度，根據(jù)相關研究，當風速達到10 m/s 時，海面粗糙度的變化會導致信號強度下降約7 dB。海水的鹽度會改變海水的電導率，從而影響海面對5G 信號的反射與吸收特性，相關研究顯示，當海水的鹽度從35‰增加到40‰時，對28 GHz 頻率5G 信號的反射系數(shù)會增加約0.1，這可能導致信號強度下降約1 dB。溫度對5G 信號傳播的影響主要體現(xiàn)在2 個方面，一方面，溫度的變化會改變海水的密度和電導率，進而影響海面對5G 信號的反射與吸收特性；另一方面，海洋溫度梯度的變化會導致信號在海面以下的傳播路徑發(fā)生折射，從而影響信號的傳播距離和方向，根據(jù)相關研究，當海水溫度從20 ℃降低到10 ℃時，對28 GHz 頻率5G 信號的反射系數(shù)可能會增加約0.2，導致信號強度下降約2 dB。

3.3 風電基站結構和位置的影響

主要表現(xiàn)在基站的高度、位置、朝向以及周圍建筑物和其他風電機等因素，對信號傳播路徑、傳播距離和信號強度等方面的影響。基站的高度可以決定其信號的傳播距離和覆蓋范圍，一般來說，基站的高度越高，其信號的傳播距離越遠，覆蓋范圍也就越大，當基站的高度增加時，信號可能會經(jīng)歷更多的反射和散射，導致信號質(zhì)量下降[3]?；镜奈恢萌绻挥诤Ｉ巷L電場的中心，則其信號可以覆蓋更大的區(qū)域，而如果基站位于風電場的邊緣位置，則其信號的覆蓋范圍可能就會受到限制；基站的位置如果位于風電機的附近，則風電機可能會對信號產(chǎn)生反射和散射，導致信號質(zhì)量下降。若基站朝向風電機，則風電機可能會對信號產(chǎn)生反射和散射，導致信號質(zhì)量下降。

3.4 5G 技術自身的限制

5G 技術主要使用毫米波頻段，因高頻信號的傳播距離較短，更容易受到建筑物、植物、雨滴等物體的阻擋，以及大氣的吸收影響。這意味著在海上風電基站等開闊環(huán)境中，5G 信號可能需要更多的中繼站或者基站來保證信號覆蓋。根據(jù)相關研究，毫米波的傳播損耗大約為70 ～100 dB/km，比3G 和4G 的信號損耗更大。由于5G 技術采用了新的網(wǎng)絡架構和協(xié)議，如NR、軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）等，在提供更高效率和靈活性的同時，可能需要更高的維護成本和更復雜的網(wǎng)絡管理[4]。5G 網(wǎng)絡需要更多的基站和更高的數(shù)據(jù)處理能力，對海上風電基站等遠離電網(wǎng)的環(huán)境來說，需要采取特殊的電源解決方案，如利用風電或者太陽能等可再生能源。以上均可能影響其在海上風電基站等環(huán)境中的信號傳播，因此需要采取一系列的技術和策略加以優(yōu)化，如增加中繼站或基站、優(yōu)化網(wǎng)絡管理、采用可再生能源等。

4 改善海上風電基站的5G 信號傳播質(zhì)量的策略研究

4.1 優(yōu)化基站設計和布局

基站的設計主要涉及天線設計。在海上環(huán)境中，天線需要具備抗風、防腐蝕以及耐鹽霧的特性，以適應惡劣的海洋氣候條件。多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術的天線由于其在提升通信效率和可靠性方面的優(yōu)越性，天線的高度與信號的覆蓋范圍和質(zhì)量有直接的關聯(lián)，需要根據(jù)實際海域環(huán)境和應用需求合理設定天線高度。在基站布局的優(yōu)化中，主要考慮如何提高信號覆蓋效果。海上風電場區(qū)域廣闊，傳統(tǒng)的基站布局可能難以覆蓋所有區(qū)域，因此設計更加密集的基站布局，以確保較大的覆蓋范圍。同時，需要針對風電場的實際運行環(huán)境和需求進行專門設計，避免因為基站間的相互干擾而影響信號質(zhì)量。在優(yōu)化基站設計和布局的過程中，應用實際數(shù)據(jù)進行分析，如風電機組的運行數(shù)據(jù)、風速和風向數(shù)據(jù)、海浪、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)等，可幫助對信號傳播情況進行更準確的理解，從而進行針對性的優(yōu)化，另外 人工智能和大數(shù)據(jù)分析的應用也可以幫助更精確地預測與掌握信號傳播的影響因素，進一步優(yōu)化基站設計和布局。

以某100 km 外場海上探測船的通信需求解決方案為例，擬采用5G Mesh 技術進行組網(wǎng)，如圖1 所示。Mesh 技術具有自組織、自中繼的特點，特別適合用戶量較少但分布稀疏的場景。本案例中，存在2 種可選方案：（1）在覆蓋方向70 km 左右存在一個小島平臺，可以在海拔100 m 左右的高度建立一個基站小平臺，采用自組網(wǎng)實現(xiàn)遠距離覆蓋；（2）如果沒有合適的島嶼，可以通過移動式的中繼船來實現(xiàn)中繼，中繼船上可以建立100 m 高的立桿或系留無人機。在需要拉中繼時，將中繼船開至中繼點。若中繼點高度不夠，可以增加中繼點以實現(xiàn)覆蓋。該案例中，5G Mesh 方案自中繼、自組織，可以根據(jù)覆蓋需要適當增加中繼點，無需做復雜規(guī)劃。此外，中繼或覆蓋基站的高度不需太高，減少了工程成本。但5G Mesh 自身的流量受限，因為中繼也需占用帶寬資源，只適合用戶并發(fā)不太大的場景。此案例展示了5G Mesh 技術在海上通信覆蓋方面的應用，為類似場景設計提供了一個可行的解決方案參考。

圖1 5G Mesh 解決方案

4.2 信號增強和衰減補償技術

信號增強是提高信號質(zhì)量的關鍵，基于波束成形技術的信號增強是一種有效方法。波束成形通過在特定方向上集中無線信號，從而提高了信號在這個方向上的強度，降低了信號在其他方向上的干擾。在海洋環(huán)境中，5G 信號傳播經(jīng)常受到多種因素的影響，如風速、海浪、鹽霧等，這些都會導致信號衰減?；谧赃m應調(diào)制和編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技術的衰減補償方案被廣泛應用，能夠根據(jù)信道狀況的變化自動調(diào)整調(diào)制和編碼方案，以達到補償信號衰減的效果[5]。在實際應用中，需要以上述的信號增強和衰減補償技術，結合大量的實際數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。例如，通過收集和分析風速、風向、海浪等環(huán)境數(shù)據(jù)，對波束成形和AMC進行了優(yōu)化配置，同時基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析，對這些環(huán)境因素與信號傳播特性的關系進行了深入的建模和學習，進一步優(yōu)化了信號傳播。

4.3 使用新技術以及新型設備

邊緣計算技術的引入可以提高5G 信號的處理效率，海上風電基站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，每天可能產(chǎn)生高達數(shù)百TB 的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的集中處理方式會引起信號延遲，影響到數(shù)據(jù)的實時性和準確性。邊緣計算技術通過在網(wǎng)絡邊緣部署數(shù)據(jù)處理和存儲設施，使得每天產(chǎn)生的數(shù)百TB 數(shù)據(jù)在產(chǎn)生的地方就得以處理，從而將延遲降低了80%，提高了信號傳輸效率。無線電頻譜掃描設備的使用可以幫助分析和優(yōu)化信號傳播，實時收集和分析信號強度、頻率、傳播路徑等信息。這些信息的收集和分析每分鐘可以進行上百次，為優(yōu)化信號傳播提供了實時、詳實的依據(jù)。另外，光纖無線混合接入技術的引入能顯著提高5G 信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低約30%的設施投入。

5 結 論

本次研究對海上風電基站的5G 信號傳播特性及其影響因素進行了深入分析。通過對5G信號傳播特性、傳播距離、信號衰減的討論，論述海洋環(huán)境、天氣條件以及風電基站的結構和位置等因素對5G 信號傳播產(chǎn)生的重要影響。為改善5G 信號在海上風電基站的傳播效果，提出了一些優(yōu)化策略。在后期實際應用中，需要進一步研究和優(yōu)化相關技術，以實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定且可靠的5G 信號傳播。