我国海洋资源丰富，海洋经济发展迅速，2021年全国海洋经济产值突破9万亿，占沿海省份经济产值15%，其中滨海旅游、海洋交通、渔业占海洋经济的82%以上。沿海省份强调推进海洋经济高质量发展，不仅政府海洋监管、污染监控、应急响应等多种业务对5G无线覆盖提出需求，民间自媒体行业、直播卖鱼、赶海捕鱼等业务也对5G网络提出了更高的指标要求。此外，海域立体覆盖不仅是海面的覆盖，还包括对海上低空的覆盖。接入海域低空网络的5G网联无人机，可以提供海域航拍、娱乐直播、海上监控、应急搜救、海域勘探等各种各样的个人及垂直行业服务。
5G海域立体覆盖示意图如图1所示：
传统无线网络覆盖是以海岸线为界限，对陆地区域进行覆盖。海上信号的主要来源是陆地覆盖边缘，存在信号弱、覆盖距离小等问题。海上作业的人群无法得到具有可靠服务保障。当前海上船只使用VHF甚高频和AIS船舶自动识别系统用于海事安全通信，或者使用卫星进行上网通信。卫星通信虽然覆盖范围广，但存在通信时延较大、带宽资源有限且资费昂贵的问题。因此分别针对5G海面和低空网络覆盖、网络容量以及网络干扰中的关键问题开展研究具有重要意义。
1.1 网络覆盖关键问题
(1) PRACH格式配置
5G NR系统支持多种PRACH格式，不同PRACH格式配置会影响覆盖小区半径大小。根据3GPP协议标准，如图2所示，共有4种长序列PRACH格式，仅支持频带小于6GHz的FR1场景。
其中大网中常用的FormatO和Formatl支持的最大小区半径分别为14.5km和100.lkm。FDD由于上下行信道独立，可以支持Formatl，PRACH信道时域占据3ms，理论上实现100km覆盖。TDD常规子帧配比为7D2U1S，仅支持FormatO。TDD若采用Formatl，需要修改帧结构为6个连续的U子帧。这样会在网络中引入严重的交叉时隙干扰。因此需要在不改变TDD帧结构，在保持PRACH时域lms的基础上，进一步研究如何拓展TDD的覆盖小区半径。
(2) 频率选择
如表1所示，由于频段越高路损越大，在当前所有5G频段中，700MHz路损最小，覆盖能力突出，是实现超远覆盖的最佳频段。自由空间场景，以700MHz损耗为基准，2.1GHz较700MHz路损增加9.5dB，2.6GHz増加11.4dB，3.5GHz增加14dB，4.9GHz增加16.9dB。
(3) 海面无线传播模型
如图3所示，300MHz3GHz海上无线传输模型是按照信号传输距离的远近分为A、B、C的三段式模型。A和B段为视距传输，传播路径主要是直射波和海面反射波。C段为非视距传输，需要考虑有地球曲面效应造成的绕射损耗。
收发两端天线高度是影响海面覆盖距离，即A、B、C各段长度的直接原因。基站天线高度设计时最好令目标覆盖距离处于A段，其次处于B段。A段传播近似自由空间传播，反射波的分量较小可以忽略。B段由于存在传播余隙，根据菲涅耳原理可得，会产生6dB的绕射损耗。C段属于NLOS区，产生的绕射损耗极大，信号衰减迅速，覆盖难以保证，因此在实际规划中不可目标覆盖距离设置在C段内。
(4) 站址选择与天线高度
为保证基站天线与覆盖目标间距离在视距范围内，且在A段内，无线链路有良好的传播环境，尽量选择高站“站的高看的远”。根据式(1)可得，A段长度与基站天线高度有关，B段长度与终端天线高度有关：
由于基站天线高度远大于终端天线高度，如表2所示，视距长度主要由A段决定。以终端高度3m为例，若目标基站覆盖半径在30km左右，通常选择在比较平坦的地点建立铁塔，塔高一般根据覆盖区域在50m左右调整。若目标基站覆盖半径在40-50km之间，通常选择在山丘等地方建立铁塔，基站天线高度在100-150m间不等。若目标基站覆盖半径在60km以上，通常站高选择在200m以上，需要借助较高的山峰等。
(5) 设备及天线选型
基站侧一方面可以选择使用大功率基站，增加下行覆盖距离，提升下行用户体验。另一方面由于海面覆盖为上行受限场景，多天线接收分集可降低对解调的要求，增加上行覆盖。因此FDD建议使用4TR设备，TDD作为容量解决方案可优选64TR设备。为进一步提升覆盖距离，FDD天线建议选择高增益天线。需要注意的是，根据能量守恒定律，高增益天线的增益越大，波束宽度越窄。虽然覆盖距离越远，但覆盖相同长度的区域时，连续组网所需要的站点数量将增多。若针对特定区域或某一航线进行覆盖，可以选择透镜天线或定制化天线。考虑到沿海地区气候环境，可能存在强风等极端天气，还应尽量选择表面积小的天线。
终端侧可以选择CPE，增大发射功率，有效提升上下行覆盖距离。CPE外接多天线，在提升终端天线增益的同时可形成多流，进一步扩大覆盖距离。由于船只运动方向在水平360°范围内旋转，因此建议选择水平全向天线。与普通终端相比，水平全向胶棒天线增益为4-8dBi左右无人机由于飞行高度姿态角在三维空间内可变，对天线垂直方向的增益变化较为敏感。胶棒天线垂直方向增益存在凹陷，因此不建议无人机选择胶棒天线或定向天线。
(6) 700MHz海面覆盖链路预算
设定终端高度为3m时，不同站高对应的理论覆盖距离如表3所示。当站高为400m，手机终端保证基本业务感知的覆盖距离约62km，保证连接的覆盖距离约100km，CPE天线增益高于手机终端8dB，且支持双发，覆盖距离扩大到98km和110km。当站高为50米，覆盖距离仅能达到32km，覆盖距离受地球曲率的影响非常大。
(7)覆盖空洞及重叠覆盖问题
天线波束在海面上的投影近似于扇形。在沿海岸线对海域进行带状连续覆盖时，海面会出现覆盖空洞区域和重叠覆盖区域。若站点密集，覆盖空洞区域面积小，但重叠覆盖面积较大。若站点稀疏，重叠覆盖面积小，且覆盖空洞区域面积较大。
相邻两站扇区对打方式的覆盖距离小于单扇区方式，但产生覆盖重叠和空洞面积较小，且站间距大，站点数量较少。因此建议根据业务需求和覆盖目标，平衡好海面连续覆盖长度和深度。
(8)站间距设置
根据覆盖目标距离、天线波束宽度和方向图，规划合理的站间距可节省投资，并有效解决覆盖空洞问题。海面建议单站单小区S1组网，天线法线方向与岸边垂直。以700M设备65°定向天线为例，假定目标小区半径为R。
如图4所示，波瓣角为65°时，天线增益下降3dB，距离约为0.7R;波瓣角为120°时，天线增益下降12dB，距离约为0.25R，存在明显覆盖空洞。因此建议站间距设置为0.5R-0.7Ro若使用更高增益的天线，其天线波束宽度将变窄，站间距也会减小。
实际中，海岸线非理想直线且无线环境复杂，外场实际组网需根据可布置站点位置，通过仿真精细评估调整站点间距和方位角。
(9) 高站“塔下黑”问题
海域覆盖站站址高度较高，且天线下倾角一般设置在2°以内，覆盖可能存在“塔下黑”问题。选择天线型号时，建议选择具有良好下零点填充的天线，以避免严重的“塔下黑”问题。根据能量守恒定律，零点填充会略缩小原天线覆盖距离。目标覆盖距离小时，可考虑2.6G64TR设备’通过SSB权值调整增加垂直覆盖范围。
1.2 网络容量关键问题
(1) 海面业务分布不均
近海船只数量多，海上养殖与直播带货等用户需求主要以视频业务为主，单用户上行速率需求约6MpS，需要网络大带宽能力。远海船只数量少，有用户出海业务感知及海上实时监控管理等需求，需要保证网络覆盖。针对近、远海场景的不同业务需求，可形成2.6G+700M协作互补的方案，打造多频网络，充分发挥2.6G大带宽和700M超远覆盖能力，更好的满足超大带宽的个人业务和超大连接的2B垂直业务的网络需求。
(2) 700M和2.6G容量分析
FDD700MHZ带宽为30MHz，设备为4TR，终端为1T2R。小区上行吞吐量为60Mbps，下行吞吐量为100-120Mbps，可保障用户上网服务。若后续开通带宽至45MHz，上下行小区吞吐量能提升至80Mbps和150-180Mbps。
TDD2.6GHz带宽为100MHz，设备为64TR，终端为2T4R。小区上行吞吐量为350Mbps，下行吞吐量为1200-1500Mbps，适合用户密集场景，大带宽业务。
1.3 网络干扰关键问题
海面组网干扰产生的原因基本与地面大网相同，但由于海域站站址高度较高、小区覆盖面积较大，海面组网干扰范围和强度可能大于地面大网，需积极引人抗干扰技术。海面小区间干扰问题，可以通过在网络规划时设置合理的切换带，尽量避免越区覆盖，或采取与地面大网相同策略，下行采用PRB随机化，上行采用IRC算法改善上行信号质量，规避或降低干扰。
由于海面超远覆盖站天线存在旁瓣和反向波瓣，且站点位置高，可能会对陆地同频大网产生干扰。建议选择对反向波瓣抑制能力较强的天线，同时在超远覆盖站点规划时，应合理规划站点，尽量避免与陆地大网交叠覆盖。另外，目前广电尚未完全完成700M频段清频工作，可能对超远覆盖站产生干扰问题。通过对上行进行深度滤波，上下行开启频选及PRB禁用功能，可有效控制700M频段广播塔对超远覆盖站点的干扰。
2.1 海上低空覆盖能力分析
中小型无人机主要工作高度在60-200m之间。海面超远覆盖站一般下倾角控制在2°以内，实际部署中经常采用0度机械下倾以保证最大天线增益方向对准远点。以FDD超远覆盖小区半径为20km进行测算，天线垂直波瓣角为6-8°，天线主瓣宽度约15°，如图5所示：
当无人机距离基站1km，飞行高度超过130m时，无人机位于主瓣覆盖外。当无人机距离基站2km以上，无人机均位于主瓣覆盖范围内。当无人机距离基站3km以上，无人机位于基站主瓣3dB夹角内。因此，理论上海域立体组网具备低空覆盖能力。
2.2 近海低空覆盖碎片化
当无人机飞行距离距基站较近，飞行高度较高时，空中缺少主服务小区，覆盖呈现碎片化。这可能会导致无人机在低空中出现主服务小区SSBRSRP与邻区SSBRSRP差值小，甚至不能接人网络的情况a另外，由于碎片化覆盖区域小，加之无人机飞行速度快，还会导致无人机发生小区频繁/兵乓切换，产生速率掉坑，时延增大等问题。建议天线采用上零点填充技术，避免天线增益零陷情况，增强低空覆盖能力。
2.3 海上低空覆盖干扰问题
低空组网的干扰情况与地面大网相比，下行方向由于海面遮挡少，无人机在百米高空视距内可见基站数量更多，导致无人机受到来自更多视距基站的邻区干扰，下行干扰更强。建议低空组网配置更多的邻区列表，通过保守调度等优化芋段，抑制下行干扰。
上行方向由于海面终端密度低，距离基站较远，因此与地面大网的上行干扰情况基本相当。可以通过无人机上行功率控制、网络优化等方法进一步控制干扰。
海面上存在着了多种海洋设备，如海洋平台、海上浮标和应急轮船等。海洋平台有固定式、浮动式和半固定式结构。海面上的高度在5-20m左右，一般配备高功率发电机和电缆。海洋浮标和应急轮船机动性强，一般采用小功率发电机、蓄电池或太阳能供电。考虑利用海样平台、海洋浮标或者应急轮船作为5G站点部署平台，通过Relay、微波或卫星方式进行回传。
在基站覆盖范围内利用海洋设备搭建Relay，可有效扩大覆盖距离。Relay外接天线可以改善由于海洋设备晃动带来的信号质量下降。Relay支持级联，能够实现多级多跳传输，完成超远距离的信号回传。回传带宽主要受海洋设备与施主基站间距离影响，需要兼顾覆盖距离和业务需求，规划Relay布放位置。海洋设备需满足Relay供电需求，还存在维护难度大的问题。
在基站覆盖范围外利用海洋设备搭建卫星进行回传 。卫星回传的技术成熟，覆盖范围广，带宽可达100Mbps左右，但造价昂贵，存在时延大约600ms，链路易受环境影响，误码率高等问题 ，也存在供电和维护问题。
总结
随着海洋经济的发展和5G海事服务需求的增加，本文明晰了开展5G海域立体覆盖研究的重要性。 详细分析哪个频段是700M海洋覆盖最佳的海洋传输模式是根据天线高度对选址的影响和700M海洋链路的覆盖模式来选择廉价的天线设备。 它研究和分析了海面网络在覆盖范围、容量和干预方面的主要问题，以及与低地表水位海洋供应有关的问题。 因此，提出了利用海洋设备搭建Relay或卫星回传的创新覆盖构想 。
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