5G近海網絡覆蓋技術研究

收稿日期：2023-08-10

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.004

摘? 要：針對近海移動網絡覆蓋不足問題，構建源信號與接收信號的增強的數量關系，針對海面超遠覆蓋典型場景，引入最大合并比算法處理龍伯透鏡天線獨立采集信號并進行優化設計，基于現網實驗測試，對所設計的信號增強方法與傳統的信號增強方法進行對比實驗，通過海上航行測試驗證了5G基站近海超遠距離覆蓋場景下可以獲得遠距離的覆蓋效果，實驗結果表明：所設計的信號增強方法能夠有效提升覆蓋水平和網絡質量，減少投資，降低建基成本，改善用戶體驗。

關鍵詞：龍伯天線；信號增強；最大合并比；無線網

中圖分類號：TN929.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）07-0015-04

Research on 5G Offshore Network Coverage Technology

ZHENG Xiaoyi

（Fuzhou Urban Investment Infrastructure Construction Management Co.， Ltd.， Fuzhou? 350007， China）

Abstract： In view of the insufficient coverage of the offshore mobile network， the enhanced quantitative relationship between the source signal and the received signal is constructed. For the typical scene of ultra long distance coverage over the sea， the MRC algorithm is introduced to process the independent acquisition signal of the Luneburg Lens Antenna and optimize the design. Based on the existing network experiment test， the designed signal enhancement method and the traditional signal enhancement method are tested to verify that the remote coverage effect can be obtained in the offshore ultra long distance coverage scene of the 5G base station. The testing results indicate that the designed signal enhancement method can effectively improve coverage level and network quality， reduce the investment and the foundation building cost， and improve the user experience.

Keywords： Luneburg antenna; signal enhancement; Maximum Ratio Consolidation; wireless network

0? 引? 言

從移動網絡的特點看，海面無線網絡信號覆蓋與陸地上無線覆蓋相比，具有用戶密度低、信道容量需求小、數據為主、語音話務量少等特點，屬于超遠覆蓋場景中的典型應用[1，2]。海面覆蓋只能通過岸基5G基站進行覆蓋，信號經過長距離傳輸，極易混雜同頻干擾噪聲，影響用戶接通率和上下行速率[3]。為此，設計一種信號增強方法，提升近?；靖采w能力，對近海區域的通信提供技術保障。

國外在研究基站的邊緣覆蓋的優化，解決影響5G覆蓋范圍受限的問題起步比較早，美國運營商AT&T很早就試驗使用龍伯天線，在遠距離和極端環境下壓制噪聲獲取更大的信道容量，國內研究信號增強技術稍微晚于國外，研究人員利用龍伯天線接收的多個衰落信號加權組合，結合最大比合并算法，實現信號的增強處理，獲得更大的信噪比[4]。通過構建多個的信號接收方案，得到信道傳輸距離與無線網性能的數值關系。綜上可知，通過不同天線方案分析在不顯著增加移動通信系統建設成本的同時，提高系統的覆蓋范圍、鏈路的穩定性和系統傳輸速率[5]，從而研究出一種針對近海覆蓋的信號增強方法。

1? 近海無線覆蓋信號增強方法

1.1? 無線信號的獨立信噪比分量最大比合并

在移動無線網絡中，由于不同空間信道間具有相對獨立的衰落特性，對M個天線分支接收到的信號，定義每個分支電壓信號γi經過相位調整，同相值相加，得到的信號數值可表示為：

（1）

其中Gi表示每個分支增益，假設分支有相同的噪聲功率N，總的噪聲功率加權和可以表示為：

（2）

信噪比加權和可表示為：

（3）

上述計算得到的分量作為送入檢測器前信噪比數值，引入最大合并比[4]，得到信噪比小于某個特定閾值γ時，信號的平均信噪比等于各個分支的平均信噪比的和，表示為：

（4）

通過線性分析輸出的量化指數可知，無線信號經過最大比合并算法（MRC）后增益變化可以表示為：

（5）

對于移動通信系統中的最大比合并算法，系統將調制信號的不同加權因子反饋到接收端，接收天線端自適應地選擇發射天線的加權因子對發送信號進行處理，使接收信號功率達到最大。

1.2? 信號分量的最大化獲取

透鏡天線是一種高效的天線解決方案，它可以同時實現波束賦形、旁瓣抑制和波束敏捷性。R.K.龍伯在1943年提出一種方法，球面透鏡的球面采用不恒定折射率的材料構成，R表示球的半徑，r表示球心到波束的徑向距離，材料的介電常數εr隨半徑的平方變化[6，7]表示為：

（6）

如今實際的龍伯透鏡是由一組同心介電層構成，從而使得電磁波射線路徑近似理想情況?！褒埐蛱炀€”與傳統大話務保障使用的板狀天線相比，具有以下幾個性能特點[8，9]：

1）頻率范圍寬。龍伯球天線可以支持0～2.6 GHz頻段，基本涵蓋了當前所使用的全部頻段，既支持4G的D/E/F等頻段同時也支持移動5G當前所使用的2.6 GHz頻段。

2）垂直波束寬。垂直波束半功率角3 dB瓣寬為18°，遠大于傳統天線（15 dBi板狀天線典型值7°）。垂直波束寬深度覆蓋效果更加理想。

3）水平波束窄。700 MHz的水平波束3 dB波瓣寬只有33°～35°，約傳統天線的1/2左右，這使得它在65°方向可以集中更多個扇區，可以良好地控制波瓣重疊，同時更窄的波束也使得天線可以對海岸線、航道等特殊場景實現精準的覆蓋。

4）高增益。由于波束更窄，也使得龍伯球天線在單載波上可以實現更高的增益，可以實現更好的深度覆蓋。

5G基站（gNodeB）下行功率（200 W）遠大于手機功率（0.2 W），這就導致了上下行的覆蓋不對稱，上行覆蓋受限成為5G部署覆蓋范圍的瓶頸，龍伯透鏡天線垂直波束半功率角波瓣比傳統板狀天線波束更寬，針對海面覆蓋場景中影響覆蓋距離所受波束和增益因素方面來說龍伯透鏡天線更有優勢；水平波束的寬窄對海面覆蓋場景沒有明顯影響，傳統板狀天線水平波束寬的優勢無法體現。

與傳統天線相比，5G龍伯透鏡天線更適合多頻波束，輻射單元結構更簡單、饋電網絡單元更少、可靠性更高、功耗更小、密度小重量輕、更容易部署的特點，可滿足海域覆蓋不僅需要做到對海面的連續覆蓋和深度覆蓋，有時候還需要考慮重點區域的覆蓋場景的需求。

1.3? 無線信號增強實現

在香農公式（7）中，C表示信道容量，B表示傳輸通道的帶寬，S / N表示接收信號的信噪比。從公式可知，龍伯天線的特性決定使用相同的時頻資源時，可以降低干擾噪聲增加信道數，結合最大比合并算法使信號功率達到最大，從而最大化增強了信號強度[10]。

（7）

2? 仿真實驗

2.1? 實驗準備

為了分別驗證所設計的系統對覆蓋效果影響，按照設計的步驟，搭建實驗平臺，實驗過程中，保持其他參數不變，測得不同間距的信號接收強度，以確保測試結果的有效性。

測試站址選擇：實驗站點選用陸地5G基站，基站海拔903 m。

天線參數設置：天線鐵塔上掛高25 m，方位角為160°，覆蓋方向無遮擋。

射頻拉遠單元：配置、功率保持一致。

測試變量1無線信號的獨立信噪比分量最大比合并：設計了2個700 MHz射頻拉遠單元（RRU）共連接4副龍伯透鏡天線組成一個小區，接收天線端采用最大比合并算法，選擇發射端加權因子對信號進行處理。對比構建相同小區，采用傳統RRU方案。

測試變量2信號分量的最大化獲?。簶嫿ㄏ嗤拘^射頻拉遠單元連接大規模天線陣列（64發64收），對比與連接龍伯天線實驗。

最后在上述基站系統參數下，通過某市海上輪船測試采集龍伯天線接收信號并結合最大比合并算法，采集移動網絡覆蓋性能和服務質量參數，對設計的無線信號增強實現進行實驗驗證，實驗過程設計航行測試航線圖如圖1和圖2所示。

2.2? 結果及分析

基于上述的實驗準備，通過距離基站20 km定點向兩端測試，在實驗的基站環境及信號參數下，測試變量1處理所接收的信號，得到對應的實驗結果，如表1所示。

變量1測試中2個700 MHz頻段的RRU共連接4副天線組成一個小區，最大比合并算法獲取上行8個通道，提高上行覆蓋性能。

通過相同點位相同頻次獲取數據，分析對比所設計的方法得到的結果，得到變量1方式下的信號增強方法極限掉話 （RSRP≥-105 dB）有效距離比傳統RRU方案極限距離覆蓋范圍提升29.9%，提升了無線網覆蓋性能。

變量2相同點位相同頻次采集的數據為：20 km覆蓋范圍內大規模天線陣列（64發64收天線），平均參考信號接收功率（RSRP）-91.30 dBm，優于龍伯球透鏡天線，平均參考信號接收功率（RSRP）-95.53 dBm，平均增益4.6 dB，兩種天線方案，電平均優于-115 dBm。大于20 km范圍龍伯球透鏡天線優于大規模天線陣列，平均增益4 dB，電平優于-105 dBm，如表2所示。

綜上我們得到，大規模天線陣列處理后信號在20 km內較好，無法實現大于20 km距離覆蓋，而所設計的信號增強方法處理后信號變化幅度小，有效覆蓋大于20 km。

通過海上輪船測試距離基站0～55 km的信號覆蓋質量，以含有干擾和噪聲的無線信號作為信號源對象，通過掃頻儀和筆記本電腦采集得到所設計的信號增強方法處理后的移動網絡覆蓋性能如圖3所示，服務質量參數如圖4、圖5所示，RSRP覆蓋電平（平均RSRP）為-94.59 dBm，其中電平大于-105 dBm占比74.97%，最大電平值為-66.5 dBm，最小電平值為-122 dBm。

下行速率：平均速率為21.6 Mbit/s，邊緣下行速率1.9 Mbit/s；

上行速率：平均速率為9.63 Mbit/s，邊緣上行速率1.17 Mbit/s。

通過所設計的方法，對比傳統的信號增強方法（傳統方法20 km后無信號覆蓋），實驗使用方法在接收端能夠有效獲取更大的信噪比信號；基于最大合并比算法模式能夠自適應地優化接入信道的性能，增強信號的抗干擾能力；此外，系統采用龍伯天線技術，低損耗、高增益和高輻射效率有效增加信道容量，滿足海面深度覆蓋需求。

從移動終端感知方面測試本次實驗結果：

1）通過輪船上手機和岸站在相距0～45 km的情況下網絡可以連通。

2）移動智能終端上微信、小視頻等應用全程流暢。

3）定點語音通話持續觀察5 min（記錄13次），網絡信號、帶寬穩定。

4）視頻回傳效果畫質清晰，滿足慢直播業務需求。

5）視頻通話效果，語音清晰，畫面流暢。

通過設計實驗實際處理后的信號在RSRP電平值、上行和下行速率網絡指標上都有顯著提升，處理后信號強度增幅值最大最穩定，距離基站40～45 km處信號滿足基本業務的覆蓋要求。

3? 結? 論

隨著近海覆蓋的需求在不斷增加，為此研究利用合理的信號增強方法減少了新增站址，解決了海上基站建設難的問題。經過實驗驗證，設計的信號增強方法能夠提升頻譜效率，改進傳統信號增強方法中存在的不足，隨著移動網絡技術飛速發展，通過與更多的超遠覆蓋技術相結合，能進一步解決超遠覆蓋的時延干擾等問題，提高網絡穩定性。

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作者簡介：鄭小熠（1982.06—），男，漢族，福建福州人，中級通信工程工程師，本科，研究方向：無線網。