我國海洋資源豐富，海洋經濟發展迅速，2021年全國海洋經濟產值突破9萬億，占沿海省份經濟產值15%，其中濱海旅游、海洋交通、漁業占海洋經濟的82%以上。沿海省份強調推進海洋經濟高質量發展，不僅政府海洋監管、污染監控、應急響應等多種業務對5G無線覆蓋提出需求，民間自媒體行業、直播賣魚、趕海捕魚等業務也對5G網絡提出了更高的指標要求。此外，海域立體覆蓋不僅是海面的覆蓋，還包括對海上低空的覆蓋。接入海域低空網絡的5G網聯無人機，可以提供海域航拍、娛樂直播、海上監控、應急搜救、海域勘探等各種各樣的個人及垂直行業服務。

5G海域立體覆蓋示意圖如圖1所示： 

傳統無線網絡覆蓋是以海岸線為界限，對陸地區域進行覆蓋。海上信號的主要來源是陸地覆蓋邊緣，存在信號弱、覆蓋距離小等問題。海上作業的人群無法得到具有可靠服務保障。當前海上船只使用VHF甚高頻和AIS船舶自動識別系統用于海事安全通信，或者使用衛星進行上網通信。衛星通信雖然覆蓋范圍廣，但存在通信時延較大、帶寬資源有限且資費昂貴的問題。因此分別針對5G海面和低空網絡覆蓋、網絡容量以及網絡干擾中的關鍵問題開展研究具有重要意義。

一、 5G海面超遠覆蓋關鍵問題

1.1 網絡覆蓋關鍵問題

(1) PRACH格式配置

5G NR系統支持多種PRACH格式，不同PRACH格式配置會影響覆蓋小區半徑大小。根據3GPP協議標準，如圖2所示，共有4種長序列PRACH格式，僅支持頻帶小于6GHz的FR1場景。

其中大網中常用的FormatO和Formatl支持的最大小區半徑分別為14.5km和100.lkm。FDD由于上下行信道獨立，可以支持Formatl，PRACH信道時域占據3ms，理論上實現100km覆蓋。TDD常規子幀配比為7D2U1S，僅支持FormatO。TDD若采用Formatl，需要修改幀結構為6個連續的U子幀。這樣會在網絡中引入嚴重的交叉時隙干擾。因此需要在不改變TDD幀結構，在保持PRACH時域lms的基礎上，進一步研究如何拓展TDD的覆蓋小區半徑。

(2) 頻率選擇

如表1所示，由于頻段越高路損越大，在當前所有5G頻段中，700MHz路損最小，覆蓋能力突出，是實現超遠覆蓋的最佳頻段。自由空間場景，以700MHz損耗為基準，2.1GHz較700MHz路損增加9.5dB，2.6GHz増加11.4dB，3.5GHz增加14dB，4.9GHz增加16.9dB。 

(3) 海面無線傳播模型

如圖3所示，300MHz3GHz海上無線傳輸模型是按照信號傳輸距離的遠近分為A、B、C的三段式模型。A和B段為視距傳輸，傳播路徑主要是直射波和海面反射波。C段為非視距傳輸，需要考慮有地球曲面效應造成的繞射損耗。

收發兩端天線高度是影響海面覆蓋距離，即A、B、C各段長度的直接原因。基站天線高度設計時最好令目標覆蓋距離處于A段，其次處于B段。A段傳播近似自由空間傳播，反射波的分量較小可以忽略。B段由于存在傳播余隙，根據菲涅耳原理可得，會產生6dB的繞射損耗。C段屬于NLOS區，產生的繞射損耗極大，信號衰減迅速，覆蓋難以保證，因此在實際規劃中不可目標覆蓋距離設置在C段內。

(4) 站址選擇與天線高度

為保證基站天線與覆蓋目標間距離在視距范圍內，且在A段內，無線鏈路有良好的傳播環境，盡量選擇高站“站的高看的遠”。根據式(1)可得，A段長度與基站天線高度有關，B段長度與終端天線高度有關：

由于基站天線高度遠大于終端天線高度，如表2所示，視距長度主要由A段決定。以終端高度3m為例，若目標基站覆蓋半徑在30km左右，通常選擇在比較平坦的地點建立鐵塔，塔高一般根據覆蓋區域在50m左右調整。若目標基站覆蓋半徑在40-50km之間，通常選擇在山丘等地方建立鐵塔，基站天線高度在100-150m間不等。若目標基站覆蓋半徑在60km以上，通常站高選擇在200m以上，需要借助較高的山峰等。

(5) 設備及天線選型

基站側一方面可以選擇使用大功率基站，增加下行覆蓋距離，提升下行用戶體驗。另一方面由于海面覆蓋為上行受限場景，多天線接收分集可降低對解調的要求，增加上行覆蓋。因此FDD建議使用4TR設備，TDD作為容量解決方案可優選64TR設備。為進一步提升覆蓋距離，FDD天線建議選擇高增益天線。需要注意的是，根據能量守恒定律，高增益天線的增益越大，波束寬度越窄。雖然覆蓋距離越遠，但覆蓋相同長度的區域時，連續組網所需要的站點數量將增多。若針對特定區域或某一航線進行覆蓋，可以選擇透鏡天線或定制化天線。考慮到沿海地區氣候環境，可能存在強風等[敏感詞]天氣，還應盡量選擇表面積小的天線。

終端側可以選擇CPE，增大發射功率，有效提升上下行覆蓋距離。CPE外接多天線，在提升終端天線增益的同時可形成多流，進一步擴大覆蓋距離。由于船只運動方向在水平360°范圍內旋轉，因此建議選擇水平全向天線。與普通終端相比，水平全向膠棒天線增益為4-8dBi左右無人機由于飛行高度姿態角在三維空間內可變，對天線垂直方向的增益變化較為敏感。膠棒天線垂直方向增益存在凹陷，因此不建議無人機選擇膠棒天線或定向天線。

(6) 700MHz海面覆蓋鏈路預算

設定終端高度為3m時，不同站高對應的理論覆蓋距離如表3所示。當站高為400m，手機終端保證基本業務感知的覆蓋距離約62km，保證連接的覆蓋距離約100km，CPE天線增益高于手機終端8dB，且支持雙發，覆蓋距離擴大到98km和110km。當站高為50米，覆蓋距離僅能達到32km，覆蓋距離受地球曲率的影響非常大。

(7)覆蓋空洞及重疊覆蓋問題

天線波束在海面上的投影近似于扇形。在沿海岸線對海域進行帶狀連續覆蓋時，海面會出現覆蓋空洞區域和重疊覆蓋區域。若站點密集，覆蓋空洞區域面積小，但重疊覆蓋面積較大。若站點稀疏，重疊覆蓋面積小，且覆蓋空洞區域面積較大。

相鄰兩站扇區對打方式的覆蓋距離小于單扇區方式，但產生覆蓋重疊和空洞面積較小，且站間距大，站點數量較少。因此建議根據業務需求和覆蓋目標，平衡好海面連續覆蓋長度和深度。

(8)站間距設置

根據覆蓋目標距離、天線波束寬度和方向圖，規劃合理的站間距可節省投資，并有效解決覆蓋空洞問題。海面建議單站單小區S1組網，天線法線方向與岸邊垂直。以700M設備65°定向天線為例，假定目標小區半徑為R。

如圖4所示，波瓣角為65°時，天線增益下降3dB，距離約為0.7R;波瓣角為120°時，天線增益下降12dB，距離約為0.25R，存在明顯覆蓋空洞。因此建議站間距設置為0.5R-0.7Ro若使用更高增益的天線，其天線波束寬度將變窄，站間距也會減小。

實際中，海岸線非理想直線且無線環境復雜，外場實際組網需根據可布置站點位置，通過仿真精細評估調整站點間距和方位角。

(9) 高站“塔下黑”問題

海域覆蓋站站址高度較高，且天線下傾角一般設置在2°以內，覆蓋可能存在“塔下黑”問題。選擇天線型號時，建議選擇具有良好下零點填充的天線，以避免嚴重的“塔下黑”問題。根據能量守恒定律，零點填充會略縮小原天線覆蓋距離。目標覆蓋距離小時，可考慮2.6G64TR設備’通過SSB權值調整增加垂直覆蓋范圍。

1.2 網絡容量關鍵問題 

(1) 海面業務分布不均

近海船只數量多，海上養殖與直播帶貨等用戶需求主要以視頻業務為主，單用戶上行速率需求約6MpS，需要網絡大帶寬能力。遠海船只數量少，有用戶出海業務感知及海上實時監控管理等需求，需要保證網絡覆蓋。針對近、遠海場景的不同業務需求，可形成2.6G+700M協作互補的方案，打造多頻網絡，充分發揮2.6G大帶寬和700M超遠覆蓋能力，更好的滿足超大帶寬的個人業務和超大連接的2B垂直業務的網絡需求。

(2) 700M和2.6G容量分析

FDD700MHZ帶寬為30MHz，設備為4TR，終端為1T2R。小區上行吞吐量為60Mbps，下行吞吐量為100-120Mbps，可保障用戶上網服務。若后續開通帶寬至45MHz，上下行小區吞吐量能提升至80Mbps和150-180Mbps。

TDD2.6GHz帶寬為100MHz，設備為64TR，終端為2T4R。小區上行吞吐量為350Mbps，下行吞吐量為1200-1500Mbps，適合用戶密集場景，大帶寬業務。

1.3 網絡干擾關鍵問題

海面組網干擾產生的原因基本與地面大網相同，但由于海域站站址高度較高、小區覆蓋面積較大，海面組網干擾范圍和強度可能大于地面大網，需積極引人抗干擾技術。海面小區間干擾問題，可以通過在網絡規劃時設置合理的切換帶，盡量避免越區覆蓋，或采取與地面大網相同策略，下行采用PRB隨機化，上行采用IRC算法改善上行信號質量，規避或降低干擾。

由于海面超遠覆蓋站天線存在旁瓣和反向波瓣，且站點位置高，可能會對陸地同頻大網產生干擾。建議選擇對反向波瓣抑制能力較強的天線，同時在超遠覆蓋站點規劃時，應合理規劃站點，盡量避免與陸地大網交疊覆蓋。另外，目前廣電尚未完全完成700M頻段清頻工作，可能對超遠覆蓋站產生干擾問題。通過對上行進行深度濾波，上下行開啟頻選及PRB禁用功能，可有效控制700M頻段廣播塔對超遠覆蓋站點的干擾。

二、5G海上低空覆蓋關鍵問題

2.1 海上低空覆蓋能力分析

中小型無人機主要工作高度在60-200m之間。海面超遠覆蓋站一般下傾角控制在2°以內，實際部署中經常采用0度機械下傾以保證最大天線增益方向對準遠點。以FDD超遠覆蓋小區半徑為20km進行測算，天線垂直波瓣角為6-8°，天線主瓣寬度約15°，如圖5所示：

當無人機距離基站1km，飛行高度超過130m時，無人機位于主瓣覆蓋外。當無人機距離基站2km以上，無人機均位于主瓣覆蓋范圍內。當無人機距離基站3km以上，無人機位于基站主瓣3dB夾角內。因此，理論上海域立體組網具備低空覆蓋能力。

2.2 近海低空覆蓋碎片化

當無人機飛行距離距基站較近，飛行高度較高時，空中缺少主服務小區，覆蓋呈現碎片化。這可能會導致無人機在低空中出現主服務小區SSBRSRP與鄰區SSBRSRP差值小，甚至不能接人網絡的情況a另外，由于碎片化覆蓋區域小，加之無人機飛行速度快，還會導致無人機發生小區頻繁/兵乓切換，產生速率掉坑，時延增大等問題。建議天線采用上零點填充技術，避免天線增益零陷情況，增強低空覆蓋能力。

2.3 海上低空覆蓋干擾問題

低空組網的干擾情況與地面大網相比，下行方向由于海面遮擋少，無人機在百米高空視距內可見基站數量更多，導致無人機受到來自更多視距基站的鄰區干擾，下行干擾更強。建議低空組網配置更多的鄰區列表，通過保守調度等優化芋段，抑制下行干擾。

上行方向由于海面終端密度低，距離基站較遠，因此與地面大網的上行干擾情況基本相當。可以通過無人機上行功率控制、網絡優化等方法進一步控制干擾。

三、海面創新覆蓋方案構想

海面上存在著了多種海洋設備，如海洋平臺、海上浮標和應急輪船等。海洋平臺有固定式、浮動式和半固定式結構。海面上的高度在5-20m左右，一般配備高功率發電機和電纜。海洋浮標和應急輪船機動性強，一般采用小功率發電機、蓄電池或太陽能供電。考慮利用海樣平臺、海洋浮標或者應急輪船作為5G站點部署平臺，通過Relay、微波或衛星方式進行回傳。

在基站覆蓋范圍內利用海洋設備搭建Relay，可有效擴大覆蓋距離。Relay外接天線可以改善由于海洋設備晃動帶來的信號質量下降。Relay支持級聯，能夠實現多級多跳傳輸，完成超遠距離的信號回傳。回傳帶寬主要受海洋設備與施主基站間距離影響，需要兼顧覆蓋距離和業務需求，規劃Relay布放位置。海洋設備需滿足Relay供電需求，還存在維護難度大的問題。

在基站覆蓋范圍外利用海洋設備搭建衛星進行回傳 。衛星回傳的技術成熟，覆蓋范圍廣，帶寬可達100Mbps左右，但造價昂貴，存在時延大約600ms，鏈路易受環境影響，誤碼率高等問題 ，也存在供電和維護問題。

總結
      隨著海洋經濟的發展和5G海事服務需求的增加，本文明晰了開展5G海域立體覆蓋研究的重要性。 詳細分析哪個頻段是700M海洋覆蓋最佳的海洋傳輸模式是根據天線高度對選址的影響和700M海洋鏈路的覆蓋模式來選擇廉價的天線設備。 它研究和分析了海面網絡在覆蓋范圍、容量和干預方面的主要問題，以及與低地表水位海洋供應有關的問題。 因此，提出了利用海洋設備搭建Relay或衛星回傳的創新覆蓋構想 。 



免責聲明：本文采摘自公眾號數智海洋，本文僅代表作者個人觀點，不代表金航標及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。