多載波匯聚技術在超長距離海陸微波上的應用

楊晉寧， 車永輝， 許 賀

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518067）

我國的海洋油氣資源儲量豐富，為國民經濟提供重要的能源保障。而那些遠離陸地的海上油氣田由于其所處地理環境的特殊性，無法使用任何運營商的網絡資源，其與陸地間的通信只能依靠海事衛星系統或超長距離海陸微波系統。

隨著通信技術的不斷發展，越來越多傳統通信技術經過改進后被用于海上油氣田。現階段，各海上油氣田已經由海事衛星、超長距離微波等傳統通信手段聯合組建起計算機網絡，為海上設施上的用戶提供了互聯網訪問、生產和生活數據的采集與傳輸、CCTV 監控視頻傳輸、海上人員和設施安全保障等多種通信服務。但隨著傳輸回陸地的實時數據越來越多，需要以高質量的基礎通信作為保障成為了最迫切的需求。

1 傳統超長距離海陸微波系統

1.1 超遠距離對傳統微波系統的影響

電磁波傳輸時總是以自由空間傳播模型為參考，預測當收發機之間沒有任何阻擋時的接收信號強度。自由空間是指一種均勻的、理想的、各向同性的介質空間，此時不考慮反射、折射、吸收、散射和熱損耗等影響因素[1]。在自由空間中，收發機之間的距離為d，接收機處的接收功率可以由弗里斯（Friis）傳輸公式[2-3]表示為：

式中：Pr是發射功率；Gt是發射天線增益；Gr是接收天線增益；λ是波長；L是系統損耗因子，當L=1 時，表示系統無損耗。

根據公式（1），同時考慮收發天線增益時，自由空間路徑損耗（Free Space Path Loss, FSPL）模型可表示為：

即：

式中：f是頻率，單位為MHz；d是收發機之間的距離，單位為km。

從式（3）可看出，收發機之間的距離d越大，自由空間路徑損耗就越大，故超遠距離海陸微波鏈路的空間損耗受鏈路長度影響較大。

1.2 多徑衰落的影響

由于海陸通信所處環境的復雜性，傳輸信號到達接收端時不僅有發射端發射的直射信號，還有信號傳輸過程中，經過其他物體的反射、折射、繞射后到達接收端的不同路徑信號。這些信號由于多路傳輸之間存在不同的時延，進而造成了接收時間與相位存在很大的不同，這樣接收端接收到的信號就是多個信號的疊加產物，如果同相疊加會使得信號增強，反相疊加又會使得信號減弱，這就是多徑衰落[4]。多徑效應和衰落造成接收端信號電平起伏不定，使得接收信號具有隨機波動性，嚴重時甚至將影響信號傳輸的質量[5-6]。

多徑效應和衰落極大地影響了超遠距離微波系統的性能，使得傳統的超遠距離微波系統可用性無法得到有效保障。通過近幾年海上設施的實際使用統計發現，傳統微波和衛星通信鏈路年度可用率不到95%；春夏交接時，多徑效應和衰落更盛，通信鏈路的可用率甚至低于90%，應用效果無法保障。

所以，傳統的海陸通信能力已經成為制約海上油氣田開展數字化轉型、智能化發展工作的瓶頸，在此背景下，本文提出一種基于多載波物理層鏈路匯聚自適應帶寬控制技術（MC-ABC）的微波系統。

2 基于MC-ABC 技術的超遠距離海陸微波系統

2.1 多載波聚合技術

多載波聚合技術就是通過聚合方式把兩個或者多個基本的載波（Component Carrier, CC）聚合成一個較大的帶寬，以便支持高速數據傳輸[7]。載波聚合分為帶內連續、帶內非連續和帶間不連續三種組合方式，其實現復雜度依次增加，如圖1 所示。

圖1 載波聚合的方式

在多載波聚合技術的各類使用場景中，MAC 層聚合更有利于多載波聚合技術的發展[8-9]，而本文提出的基于多載波物理層鏈路匯聚自適應帶寬控制技術（MCABC）的微波系統正是在這種理論指導中實現的。該微波系統將多個射頻載波聚合創建成一個邏輯通道，使數據流優化地分配到所有的載波中，實現與MAC 地址或業務流無關的負載均衡，優化無線傳輸能力，較以往海洋石油行業使用的海陸微波在以太網鏈路層進行聚合的模式相比，容量和帶寬控制效率都得到一定的提高。同時，針對海洋環境多變引起傳輸信道變化，該系統具備自適應調制方式，每個載波的調制方式可以進行獨立、無損的切換，在固定的帶寬上提高了傳輸容量和效率，同時在各個載波上仍然能實現最大化頻譜效率。

多載波聚合由于直接聚合多個基本載波，復用已有的系統頻帶資源，使得該技術大大提高了帶寬使用效率和頻譜資源的利用率，并且提升上下行速率。下行N個載波聚合的最大吞吐率計算公式[10-11]如下所示：

通過式（4）可知，聚合的載波個數、小區的層數、小區的最大調制方式、小區的最大帶寬與下行最大速率成正比，而MC-ABC 超遠距離海陸微波系統的調制方式范圍可支持QPSK 至4 096QAM 調制模式。以后面實際測試中選取的FR2 120 kHz 子載波間隔的8 載波和64QAM 調制模式為例，當最大帶寬為100 Mb/s 時，下行最大速率可達2.1 Gb/s，遠遠超過現有的各類海陸通信方式。根據式（4），如果提高調制模式，下行速率還有更大的提高空間。

2.2 MC-ABC 超遠距離海陸微波系統

MC-ABC 超遠距離海陸微波系統適用于長距離、大容量計算機網絡，同時支持載波鏈路匯聚，更加有效地利用頻譜資源傳送更大的容量，同時也提高了鏈路的可靠性。該系統還能提供高度模塊化且靈活配置的架構，針對多載波和匯聚站點進行優化，是結構緊湊且具備很強擴展性的系統。

系統還具有以下特點：

1） 高發射功率，最大傳輸功率可達38 dBm，提高發射功率和采用高增益天線可提高接收信號電平，減弱海面反射的影響。

2） 采用非常低損耗的分路系統來提高多載波系統的系統增益。同時，優化的結構設計可在線增加載波，擴展系統，對運行的設備幾乎沒有影響。

3） 支持中頻合成的空間分集，更好地對抗多徑衰落。

4） 支持QPSK 至4 096QAM 及全范圍無誤碼切換的自適應編碼調制，采用不同的調制方式會對系統的性能產生不同的影響。

5） 支持幀頭去重復技術，對小尺寸的以太網幀能大幅地提高傳輸容量，更好地利用頻譜資源。

3 系統測試

3.1 鏈路設計仿真

陸地與海洋各選取一點，通信距離為152 km，A 站海拔高度為910 m，配置2 副2.4 m 天線，B 站為海拔高度為0 m，2副1.8 m天線，最大障礙物海拔高度為580 m，距離A 站20 km。系統連接示意圖如圖2 所示。仿真環境設置如圖3 所示。

圖2 系統連接示意圖

圖3 仿真環境設置

使用MC-ABC 微波系統所附的仿真軟件進行仿真，得到圖4 的結果。其中TX power 為發射功率；RX threshold level 為 接 收 門 限；EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）；Total annual 為鏈路全年可用率，其單位為百分比。

圖4 仿真結果

由圖4 中可以看出：

1） 當調制方式選擇為64QAM，帶寬為182～223 Mb/s，發射功率到達36 dBm 時，接收門限為-69.45 dBm，接收信號電平為-43.93 dBm，鏈路全年可用率達96.276%；

2） 當調制方式選擇為32QAM，帶寬為153～188 Mb/s，發射功率到達37 dBm 時，接收門限-72.55 dBm，接收信號電平為-42.93 dBm，鏈路全年可用率達99.128 6%；

3） 當調制方式選擇為16QAM，帶寬為115～140 Mb/s，發射功率到達37 dBm 時，接收門限-75.95 dBm，接收信號電平為-42.93 dBm，鏈路全年可用率達99.817 9%。

由此次仿真可證明：在A 站天線海拔高度910 m，B 站天線海拔高度為0 m，AB 兩站通信距離152 km 時，MC-ABC 微波系統發射功率到達36 dBm，調制方式選擇64QAM，帶寬保持在182～223 Mb/s 時，全年可用率可達96.276%，該鏈路完全滿足海陸通信的要求。

3.2 實地測試環境搭建

1） 兩個通信站點相距151 km，天線安裝完成后如圖5 所示。

圖5 海陸天線安裝

陸地站點：海拔高度約930 m，測試天線安裝高度2 m，設備IP 地址設置為192.168.1.11；

海上站點：海拔高度0 m，天線安裝高度45 m，設備IP 地址設置為192.168.1.10。

2） 測試工具是便攜式計算機4 臺；測試軟件為帶寬測試軟件。

3） 測試方法為：本次測試使用高增益天線，設備調制方式選擇64QAM 模式64QAM 調制技術，同時分別在陸地和海上相互拼對端數據包，經過多日的拼包測試后，結果如圖6 所示。

圖6 ping 包測試界面

圖中：鏈路帶寬是雙向帶寬，約為328 Mb/s； 接收電平值約為-50 dBm，電平冗余約為18 dBm，電平余量滿足跨海鏈路要求；Ping 包鏈路平均延時2 ms，無丟包情況，證明鏈路穩定、可靠。

本次測試期間，海上處于大霧天氣，鏈路穩定可靠，達到99%以上的可用性；同時，本鏈路支持自適應調制模式，在低調制模式下，鏈路可達99.9%以上的可用性。

使用MC-ABC 微波系統專用的軟件系統測試實時接收電平，如圖7 所示。

圖7 實時鏈路狀態測試

其中Max RSL為最大接收電平；Min RSL為最小接收電平；接收門限1（RX Level Threshold1）值為-50 dBm；接收門限2（RX Level Threshold2）值為-68 dBm。

隨機選取一天，每15 min 測試一次最大接收電平和最小接收電平，最終結果顯示：

1） 最大接收電平有84 次超過了接收門限1，僅有12 次處在大于-60 dBm 而小于-50 dBm 的區域；

2） 最小接收電平基本上是在接收門限2 附近，僅有少數幾次處在大于-80 dBm 而小于-68 dBm 的區域。

根據以上測試可知，MC-ABC 微波系統在海陸超遠距離傳輸時，鏈路穩定可靠，達到99%以上的可用性。同時，鏈路支持自適應調制模式，即使在低調制模式下，鏈路也可達較高的可用性。

3 結 語

基于MC-ABC 技術的超遠距離海陸微波系統的應用，大幅度提升了海陸通信的帶寬和可用性，為數字化轉型和智能化發展相關工作，以及5G 等技術在海上的應用提供了通信基礎。比較傳統微波通信技術和散射通信技術，MC-ABC 超遠距離海陸微波系統的傳輸能力得到提升，具有傳輸距離遠、可靠性高、傳輸帶寬大、網絡延時小等特點，取得了良好的應用效果，具有很高的應用和推廣價值。