通信世界网消息（CWW）近年来，海洋产业生产总值始终占国内生产总值10%左右，经济潜力巨大。随着国家“一带一路”倡议中“21世纪海上丝绸之路”建设的推进，以及数字海洋、智慧海洋、智能航运等政策的陆续出台，海洋通信的需求与必要性也日益凸显。现阶段，由海上无线电通信系统、海洋卫星通信系统和岸基移动通信系统构成的海洋通信系统，在一定程度上实现了海洋全球覆盖，满足了航行船只的大部分通信需求；但是对于大量其他海洋应用而言，目前的海洋通信系统仍存在通信质量差、传输速率低等局限性。5G通信技术具有高速率、低时延、大连接的特点，如何利用5G技术推动海洋经济高效发展，是值得关注的话题。
5G海面超远覆盖技术
4G时代已有海面超远覆盖的相关研究与应用，但规划覆盖距离普遍仅有20km，且考虑到LTE带宽最大为20M，容量上无法满足当今多样化的应用需求。5G海面超远覆盖技术依赖岸基站实现对海面业务的通信服务，即岸基站通过海域覆盖形成满足需求的海上小区；同时用户终端通过与岸基站进行连接，实现数据传输。因此，整项技术可分为网络侧和用户侧两个部分展开研究。
网络侧
所谓的超远覆盖是相对于普通宏站覆盖而言的，可实现大于普通宏站的覆盖范围，小区覆盖半径在15km~100km。超远覆盖主要解决两个大问题：传播模型和随机接入前导格式。
●传播模型
超远覆盖距离主要指的是视距传播场景，其有效覆盖范围取决于多种因素，包括：频段、传播模型、天线高度、基站功率、天线选型等；频段越低，天线海拔高度越高，基站功率越大，小区覆盖距离也就越远。其中，据传播模型理论可得视距能力理论值计算公式：
式中，d为视距距离（即小区覆盖距离），Ht为基站天线挂高，Hr为终端高度，Re为地球半径(6370km)。可见，可视距离与基站天线高度和终端高度有关。视距能力理论计算值如表1所示。
表1 视距能力理论计算值
●随机接入前导格式
超远距离无线覆盖的最终目的是要保证覆盖范围内的终端能够正常接入。3GPP在5G R15标准中定义了随机接入前导格式，不同的随机接入前导格式决定了一个PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）占用的时域资源及小区的覆盖范围。如图1所示，根据3GPP标准规定，中国移动NR 2.6GHz只能支持PRACH Format 0格式，支持的最大接入距离为14.5km；若针对PRACH Format 0中GP（Guard Period，保护时隙）进行定制，NR 2.6GHz可拓展至支持最远59km接入，目前业界主流厂家均对此功能展开了相应研究与应用。而相比之下，移动NR 700MHz支持修改为Format 1格式，能够实现103km的最大接入距离，满足海面超远覆盖要求。
图1 PRACH不同格式支持的最大接入距离此前，福建移动在福州平潭海域进行了5G NR 700MHz的超远覆盖测试。测试结果表明，在距离400m站高的基站62km处，上传业务FTP速率仍有1Mbit/s；而在距离基站77km处，下载业务FTP速率为19Mbit/s，最终在79km处脱网。该测试表明，NR 700MHz超远覆盖可以满足用户70km以内网页浏览，50km以内1080p视频直播，40km以内VoNR、2K高清视频的需求。
用户侧
海上用户接入5G网络主要有用户手机终端直接接入和通过5G CPE接入两种方式。为直观体现两者的业务体验差别，笔者做了两种方式在上下行速率及信号RSRP值上的对比测试。测试站点高度95m，终端接入高度6m，700MHz天线增益15.5dBi。
CPE高增益天线上下行速率对比如图2所示，CPE不同增益天线上下行速率对比如图3所示，不同距离用户接入方式上下行速率对比如图4所示。
图2 CPE高增益天线上下行速率对比
图3 CPE不同增益天线上下行速率对比
图4 不同距离用户接入方式上下行速率对比测试结果有如下结论。
1.CPE外接6dBi高增益天线相比3dBi低增益天线，上行速率提升约84%，下行速率提升约33%。
2.CPE外接四根高增益天线相比手机直接接入，上下行业务速率翻倍。
3.距离站点28km处的远点，手机上行速率约为8Mbit/s，CPE同比上行速率可达35Mbit/s，下行速率也有约56%的增益，能够有效解决超远覆盖远点上行受限的问题。
此测试结果为海域范围内场景化网络部署提供了建设性的指导建议。如近海范围内的小型渔船，可直接通过手机终端接入5G网络；中近海以及固定场景，利用CPE外接两根低增益天线实现覆盖，兼顾成本与体验；而对于中远海的货轮或to B大上行业务，可使用CPE外接高增益天线，解决室内信号弱的问题，相对卫星业务节省了资费，同时提升了体验。
5G海域应用场景
通过超远覆盖技术实现海面5G网络覆盖后，凭借5G高速率、低时延、大连接的特点，海上风电、渔排监管、旅游观光、执法救援等应用场景将迎来新的机遇。
海上风电
随着技术的不断演进，海上风电场逐渐走向深海，随之而来的高速通信保障成为一大难题。同时，海上风电特殊的环境与部署技术，也给运维带来了作业难、成本高、响应慢等困难。通过在沿海岸边建立高站，结合超远覆盖、载波聚合等创新技术，可满足风电场运维人员的基本通信需求。同时借用风电场的光电复合缆解决信号回传问题，在升压站部署5G设备、在风车内搭建4G/5G室分系统，可实现高速5G信号无缝覆盖，助力海上风电场引入高清视频监控、5G无人机巡检、AR远程协作、特种作业机器人等创新应用，减轻了人工运维的压力并降低了成本。海上风电监控业务组网如图5所示。
图5 海上风电监控业务组网渔排监管
利旧原有摄像头，以有线/Wi-Fi方式接入，通过5G CPE转换为5G空口接入5G蜂窝网络，渔排动态数据通过5G无线传输到岸边机房部署的MEC，再通过光纤回传到后方，便于管理人员统一监控，实现安全预警。
此外，也可以通过5G超低时延视频网关，实现80ms以内的端到端低时延视频传输，并利用AI识别能力，在监控画面无变动时不进行数据回传，进一步压缩回传带宽，提升网络整体利用效率。
旅游观光
5G与AR/VR旅游的融合，便于游客随时随地进行导航定位、信息浏览、旅游规划、高清直播等，让游客深度体验和了解景区，与景区实现实时互动，让景区信息更方便获取、游程安排更个性化。同时，5G网络凭借其大带宽、高传输、低延时的特性，能够有效解决延时造成的眩晕问题，将直播信号实时传输至云端供用户观看；5G也使VR直播突破了场地的限制，能够随时随地带用户进行风景名胜的沉浸式体验。
此外，前文提到的渔排等养殖场景也在向“渔旅结合”方向进行转型，通过引入可灵活搭建的“游牧式”基站，快速打造本地5G专网，除了海洋环境生态的实时数据采集，还能满足旅游旺季旅客室内影音娱乐、直播等极致体验游览。
执法救援
在加快建设“海洋强国”的时代背景下，海上执法对于维持海洋秩序、维护海洋权益、发展海洋经济具有重大意义，包括执行打击海上违法犯罪活动、维护海上治安和安全保卫、海洋渔业管理、海上缉私等任务。海域5G连续覆盖可以满足工作人员对现场视频的移动采集、处理和双向回传，以便后台管理人员与前端现场人员双向语音对讲，实现远程指挥，提高执法救援效率，不仅能够保障前线工作人员的正当权益，也保障了人民群众的利益。
同时，5G网联无人机可搭载高清摄像头、远程IP喇叭等设备，在进行巡查时，摄像头将现场视频通过5G无线网络动态传输到岸边机房部署的MEC，再通过光纤回传到监控中心。执法人员通过摄像头对现场违法行为拍照、取证，并可通过IP喇叭对现场人员进行远程信息播报。执法救援业务组网如图6所示。
图6 执法救援业务组网小结
5G通信技术从陆地走向海洋，能够有效解决海面离岸100km以内的通信需求，并在一定程度上释放了卫星资源。本文通过研究5G海面超远覆盖技术与实际测试结果，给出了网络侧与用户侧的部署建议；同时对5G+智慧海洋平台进行展望，赋能海上风电、渔排监管、执法救援等场景数智化转型，为海洋经济发展助力。
