基于微波傳輸的海面信息高速路建設研究

摘要：本文通過對煙臺移動在蓬萊外島間部署的微波鏈路所使用的先進技術介紹，說明了微波鏈路高帶寬傳輸的實現方案，重點介紹了鏈路聚合技術的實現原理和兩種實現方式，并且對比了傳統鏈路聚合技術和NEC RTA鏈路聚合引擎技術的異同及優缺點。經過測試驗證，證明了該方案的實用性和穩定性。

關鍵詞：RTA聚合算法； 高調制技術；鏈路聚合；QOS

隨著國家鼓勵對海洋資源的深度開發和利用，在海面和海島上實現穩定的5G網絡覆蓋是為實現國家這個戰略目標首當其沖需要解決的問題。目前為了實現大容量的信息傳輸，海底光纜是各家運營商普遍使用的通信手段。但海底光纜存在著投資巨大，安裝困難，建設周期長，船舶航行易于造成光纜中斷等問題。為了解決這些問題微波傳輸就成了該方案有益的補充。目前的微波傳輸系統，通過壓縮技術，高階調制技術和鏈路聚合技術解決了傳統微波傳輸容量有限的問題，這些技術在地面傳輸系統中已經得到廣泛應用。但是海面傳輸條件對于微波傳播來說非常惡劣，這些先進的技術是否能夠在海面傳輸環境里得到穩定應用還未得到實際的驗證，煙臺移動在這一課題上進行了大膽的嘗試，并收到了非常好的效果。

一、煙臺移動跨海微波項目建設背景

隨著國家鼓勵對海洋資源的深度開發和利用，在海面和海島上實現穩定的5G網絡覆蓋是首先需要解決的問題。煙臺長島自建第二路由海纜經估算每公里需80萬-100萬元成本，并且后期維護難度和成本都較高。經綜合評估傳輸的安全性，引入10GE微波設備作為PTN環網保護，形成OTN+微波的組網方式，其中海纜段落實現OTN鏈式組網、微波段落為業務的保護路由。微波路由在海纜正常的情況下只承載少量的業務，一旦海纜發生中斷，海纜路由的全部業務將通過微波路由進行傳輸，從而實現海島5G和家寬業務雙重保護，實現業務無感知切換。

二、煙臺移動跨海微波項目設計方案及先進技術

本方案充分利用微波4096QAM的調制方式和鏈路聚合技術、華為PTN設備的環網層級保護。結合長島的特殊地理位置，在OTN+微波組網、帶寬使用評估、網絡整體組網架構和后期演進支撐等方面具有較高自主性，并在山東省內唯一海島縣業務保護和提升客戶感知方面積累了經驗，實現了海面信息高速公路。

此方案主要涉及的傳輸設備包括華為PTN設備和大容量IP數字微波，通過這兩款設備的協同，實現海底光纜與IP微波互相結合，各取所長，充分發揮各自的優勢，從而實現了穩定高效的傳輸。

（一）華為PTN環網保護技術

煙臺PTN網絡作為省內首個加載環網保護地市，本成果中利用PTN環網保護將OTN和微波技術充分融合。既實現了長島本島和北五島業務保護，又實現了上行至兩處核心機房市到縣業務保護，雙重保護讓傳輸業務更加穩定、可靠。

（二）大容量IP數字微波

利用某公司的7000IP型微波設備為各島嶼間提供達高度4Gbps的傳輸帶寬。在方案設計時，煙臺移動課題小組已經預見到此方案需要解決的關鍵問題，包括以下幾個方面：

保證微波的穩定傳輸，鏈路的年可用度需要達到99.99%；

保證微波容量達到4Gbps；

由于基礎設施的限制，天線口徑不能過大；

微波設備需要提供嚴格的QOS功能，在鏈路出現不穩定的情況下保證高優先級業務的穩定傳輸。

基于以上考慮，在設計時采用了高級鏈路壓縮技術、高級QOS技術、高調制技術、自動調制模式控制技術和微波鏈路聚合技術。其中，高調制技術和鏈路聚合技術是保證微波鏈路高容量的關鍵技術。

1.高調制技術

某公司7000IP微波的調制解調器可以支持高達4096QAM的調制方式。在這種調制方式下，單波導微波帶寬在理想環境最大可達到1Gbps，在實際使用中也可以實現600Mbps的穩定傳輸。由于是在海面上進行傳輸，海面反射強烈，對微波傳輸會造成很大干擾。同時，由于潮汐作用，海面反射情況隨時變化，因此很難通過工程手段克服這個困難。NEC微波提供了特有的前向糾錯和高靈敏度的調制解調器，為解決這個問題提供了技術保證。盡管在鏈路部署初期，針對這些困難已進行了反復的勘測和細致的規劃設計，但大家對這樣的技術在實際使用中能在多大程度上解決這個難題心存疑慮。而在部署后經過半年的實際運行，鏈路保持穩定，運行指標完全達到設計要求。

2.鏈路聚合技術

除了高調制技術外，鏈路聚合技術也是實現高帶寬的重要技術手段。目前，鏈路聚合技術在交換網絡里已經有了較為廣泛的應用，并獲得主流廠家的支持。鏈路聚合技術的實質就是將不同的物理鏈路在邏輯上捆綁成一條鏈路，從而實現微波鏈路容量的擴充。

（1）傳統的鏈路聚合技術

傳統鏈路聚合技術是通過HASH算法，根據不同數據流中攜帶的諸如IP地址、MAC地址、端口號等參數進行運算，根據運算結果把不同的數據流分配到不同的微波鏈路上，從而實現大容量的數據傳輸；如果其中一條鏈路出現故障，業務還可以自動倒換到其他無故障的鏈路上。因此，鏈路聚合技術除了實現微波鏈路容量的擴充，還在一定程度上實現了不同鏈路之間的業務保護。

然而，傳統的鏈路聚合技術數據流和微波鏈路之間存在著嚴格的關系。這是因為標準 Hashing算法利用不同的計算參數來將不同的數據流映射到物理鏈路中，如果這些參數的值相差不大，就會出現多個數據流被分配到一條微波鏈路里的情況。這樣會導致某些鏈路出現擁塞，而某些鏈路始終空閑的問題，無法實現負載的優化分布。結果是邏輯鏈路里的一些鏈路始終被選中，而其他鏈路則未被充分利用。

NEC微波設備在鏈路聚合技術上除了支持傳統的鏈路聚合技術，還研發了獨有的射頻RTA聚合算法，用于實現微波鏈路的聚合。該算法不再以數據流為單位進行業務分配，而是以數據包為單位進行負載的均衡分布。這樣充分利用了鏈路資源，實現了實際意義上的鏈路擴容。

（2）多鏈路射頻RTA聚合算法

射頻RTA聚合算法是把數據包在邏輯鏈路里進行均衡分配，確保每個數據流中的數據包保持正確的序列。每個流的分配情況取決于當時的鏈路容量水平。

在圖1中，鏈路數量N最大可以支持到8個鏈路，當接收到數據流時，RTA聚合算法可以根據數據包到來的時間將數據包按順序進行標記并依次分配到8個鏈路中，在接收端再根據標記將不同鏈路上接收到的數據包按順序組合成一個完整的數據流。這樣就可以把八個物理鏈路在邏輯上當作一條邏輯鏈路使用，從而實現微波鏈路容量的增加，與傳統的鏈路聚合技術相比，均衡算法射頻RTA聚合算法技術不再對數據流有限制。即使是大業務量的數據流，也可以平均地分配到不同的微波通道上進行傳輸。而且，由于是均衡負載分配，用戶可以隨時掌握各鏈路的利用率。這大大提高了鏈路聚合技術的實用性。

另外，多鏈路引擎能感知流量的QoS要求，以確保服務等級協議（SLA）的有效性。當多鏈路的容量發生變化時，多鏈路引擎使用整條虛擬鏈路的實時狀態信息來調整整個邏輯鏈路中的流量分配，從而改善頻譜效率。多鏈路系統不要求有冗余的保護鏈路來保護鏈路容量。相反，多鏈路系統使用鏈路束中活躍鏈路的冗余容量的概念。

當使用自適應調制時，極少情況下，多鏈路束中的可用容量小于需求容量，此時承諾的高優先級流量被保障傳輸，而最大限度流量則被舍棄，從而實現了鏈路容量降低時保證高優先級業務傳輸的需求。

對于業務保護，RTA聚合算法同樣可以輕松實現，如圖2所示。 當一條鏈路出現故障時，如果其余鏈路還有冗余，故障鏈路上的數據包可以再重新分配到其他鏈路上，從而實現業務的穩定傳輸。在這種情況下，RTA聚合算法可以比起傳統微波的N+1保護方式提供保護性能更強的N+N保護。鏈路可用度成倍增加。

三、煙臺移動跨海微波實際使用情況

煙臺移動在蓬萊及外島之間部署微波鏈路完成后，單跳設計傳輸容量按4Gbps進行部署。安裝完畢后，對鏈路性能和傳輸容量進行了測試：

使用以太網分析儀進行測試，結果顯示微波鏈路傳輸容量完全可以達到4Gbps的設計要求。在4096QAM調試方式下的傳輸中，連續24小時零誤碼。

經過六個月的長期觀察，部署的微波均能保持穩定的傳輸，為海島5G站點開通提供了穩定的傳輸帶寬。運行結果表明，該方案具有較強的實用性，針對長島特殊地理環境，維護受限于船只通航情況，下島處理故障短則1天，遇惡劣天氣，會出現連續半月無船通航的情況。在前期海纜中斷情況下，面臨大量用戶投訴和無網絡可用的情況下，只能等待海纜維修以恢復業務。隨著長島公司業務量的發展，家寬、2G/4G/5G和集客業務普及，以及5G-2.6G和700M基站深度覆蓋，業務復雜性和多樣性對網絡安全提出更高要求。實踐證明，本方案有效解決了這些問題，為整個長島居民的業務需求提供了強有力的保障。

本方案完成后主要解決以下問題：

1.海纜可用率較低：根據故障統計，2017年至2021年8月，長島多次出現海纜中斷。平均每年中斷15.7次，共計37天，海纜的可用率為89.8%。本成果解決海纜頻繁中斷對業務的影響。

2.提升網絡穩定性：通過此成果，大幅提升了長島業務穩定性。相較之前，全部業務依托于海纜承載，現在業務增加了雙重保護，有利于提升客戶滿意度。

3.提升惡劣天氣網絡安全：由于光纜損耗較大，傳輸層面容易產生較多的誤碼，之前出現的問題都需要緊急前往下島處理，受制于惡劣天氣船只通航的問題。而通過本方案，可以通過遠程關斷誤碼較大的端口，強制將傳輸切換至微波鏈路，恢復正常傳輸。待通航后再切換回光纜。

4.性能可視化監測：原先的OMC網管只能監測邏輯線路光功率，無法準確監測微波實時性能。本次改造實現微波網管動態監控、歷史數據分析、參數緊急調整等功能。這減少了現場人工處理時間和提高了響應效率。

四、煙臺移動跨海微波方案總結

該項目方案具有較強的可推廣性和可復制性。特別是在海島路由受限的情況下，可參考此方案。后期非陸連島以及省內外沿海城市，對業務接入可用此方式進行業務保護。

微波組網：適用于光纜布放存在困難的山區、河流、跨海、海上牧場、鉆井平臺等應用場景。隨著傳輸帶寬需求增加，對10GE微波的需求也增加。本成果主要通過10GE跨海微波方式，經過測試，傳輸帶寬可滿足4Gbps傳輸需求（跨海距離較遠），短距離傳輸帶寬更大。

環網保護：PTN環網保護可通過軟件升級實現。適用于業務要求級別較高，骨干、匯聚、接入層存在異側業務同路由場景下的保護。可實現業務分環網級別保護，有效抗兩點斷。

海纜+微波搭建承載平臺：受限海纜成本，海纜一般租用或共建兩芯作為OTN的載體，可最大限度地擴展業務帶寬，開通大容量業務，節省投資成本。而微波起到了業務保護的作用，在海纜搶修受阻、周期較長等因素的影響下，有效保障用戶的正常使用。

作者單位：林曉波 陳曉偉 胡鵬飛 煙臺移動公司網絡部

郭冰 海軍航空大學

馮華偉 煙臺移動公司工程建設中心

參考文獻

[1]章可欽，林寶軍，劉迎春等.基于激光微波混合星間鏈路的導航星座網絡優化方法[J].光通信技術，2023，47（04）：62-66.

[2]丁鐘琦主編.微波傳輸技術[M].湖南大學出版社.2000

[3]顧浩.載波聚合在微波鏈路設計中的應用研究[J].機電信息，2023（06）：36-39.

[4]馬純瑞，郭俊美，王佐勛等.LTE網絡載波聚合技術的仿真及應用[J].齊魯工業大學學報，2020，34（01）：30-35.

[5]周勇，黃劍華，方偉津.微波通信在移動通信中的應用研究[J].現代傳輸，2019（03）：60-62.