蜂窩網絡基站無線橋接的研究

鄭 健 ，丁良輝

(1. 上海交通大學 電子信息與電信工程學院，上海 200240；2. 上海偉賽智能科技有限公司,上海 200030)

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蜂窩網絡基站無線橋接的研究

鄭 健1,2，丁良輝1

(1. 上海交通大學 電子信息與電信工程學院，上海 200240；2. 上海偉賽智能科技有限公司,上海 200030)

介紹了應急場景下蜂窩基站無線橋接應用的需求，從應急場景信號覆蓋和網絡流量兩個情況，比較了WiFi網橋、LTE網橋和UHF網橋的技術優劣，針對UHF無線網橋，基于無線信號傳播模型，從理論上分析了鏈路預算與發射功率需求，并對上海地區地面廣播電視頻譜分布情況進行了分析，指出地面廣播電視的空白頻譜可以用于應急場景下蜂窩基站的UHF橋接。

應急場景；蜂窩網絡；無線橋接

地震、海嘯、火災、恐怖襲擊等突發因素會導致手機蜂窩移動網絡信號丟失，為了恢復蜂窩移動網絡信號，可使用無線網橋將應急基站連入主干網，達到快速完成蜂窩網絡信號覆蓋和補點的目的。目前能夠使用的橋接方式有很多，但缺乏在應急環境中的對比，同時，對UHF網橋也缺乏統一的系統分析。因此，本文對比了用于蜂窩網絡基站無線橋接的優劣，針對UHF網橋分析了其鏈路預算與發射功率需求，并以上海為例論證了使用廣播白頻譜架設蜂窩網絡基站無效橋接的可行性。

1 蜂窩基站無線橋接應用分析

1.1 無線網橋技術

無線網橋是一種利用無線傳輸方式實現在兩個或多個網絡之間通信的技術。無線網橋具有功率大、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點。無線網橋主要用于室外，配備定向或全向天線實現長距離的點對點或點對多點連接。

1.2 無線網橋的應用場景

本文討論的無線網橋應用場景大致可分為兩種情況：

1)在重大災害或者事故中受到影響(如本地光纜斷裂等)，本地基站成為“孤島”，孤立于主干網絡之外。因而需要通過無線橋接的方式實現“孤島”基站與主干網絡的互聯。這種情況下，“孤島”端的無線網橋天線架設在“孤島”基站通信塔上，另一端天線架設在附近完好的蜂窩基站通信塔上，通過定向或全向天線進行點對點通信，使基站恢復正常。

2)由于本地基站損壞，使得網絡中出現缺口而不得不使用移動應急基站補點。此時，工程人員通過臨時架設應急基站完成網絡信號的再覆蓋，并通過無線網橋使應急基站連入主干網絡。應急基站端的無線網橋天線架設在地面上，無線網橋另一端天線架設于附近的蜂窩基站通信塔上。應急基站可以是如基站車輛的移動基站，也可以是臨時架設在屋頂、路邊的便攜式基站。

兩種情況的應用系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 蜂窩網絡基站無線網橋系統結構圖

一般來說，無線通信網絡基站的距離間隔為城區600 m左右、郊區3 km左右，而形成“孤島”的基站相較其他基站的間隔距離最小約為3～5 km。在如地震等重大事件發生時，受災面積波及較廣。搭建無線網橋時，應急基站與完好的鄰近基站的間隔距離可達20～30 km，這要求基站間無線橋接的網絡傳輸距離不能太短。

2 無線網橋系統技術參數分析

無線網橋系統的需求包括功能需求和網絡需求兩部分。

2.1 功能需求

作為應急式的保障性通信，無線網橋必須體現以下原則：可靠性、擴展性和經濟性。無線網橋的系統設計應采用模塊化的設計思路，以保證其有充分的可擴展性。在無線網橋整體方案上追求高效率和低成本，是其商業化的必然需求。因此，無線網橋系統除了考慮整體開發成本以外，還需要考慮長期運營的成本。

在應急事件發生后，無論是使用應急基站還是使用“孤島”基站通過無線網橋恢復受災地點的蜂窩網絡通信，都必然有一段蜂窩網絡無服務的空窗期。失去蜂窩網絡覆蓋的受災群眾會逐漸變得焦慮，此時一旦蜂窩網絡恢復通信，受災群眾會在短時間內產生大量呼叫請求以減少自己的焦慮癥狀。因此，無線網橋需要保證大業務量下的網絡通暢。

另外，為了不影響蜂窩基站的正常通信，對于國內無線網絡運營商所在的頻段，無線網橋應予以回避。

2.2 網絡需求

無線網橋同時也要滿足蜂窩網絡基站上下行傳輸的網絡需求。

由上文所說，無線網橋需要保證能夠不影響對基站的遠程管理，還要能夠短時間承載大量業務。因此，對于無線網橋來說，在控制面時延，需要保證其從空閑態到激活態的轉換時延盡可能小，休眠狀態到激活態時延也不能太大。另外，應急基站搭建完成后會在短時間內涌入大量用戶，為了確保用戶接入，在控制面容量上，無線網橋要保證能夠支持大量激活態的用戶。

對于發生在不同地點的應急場景，其所需通信距離也不同。在城區，由于蜂窩基站布設較密，因此在受災地區架設的應急基站與臨近蜂窩基站的間距也較小，其所需點對點通信距離也較小。在郊區，由于地勢空曠，蜂窩基站之間的距離也隨之增大，架設的應急基站與臨近基站的間距也更大。

具體的無線網橋網絡需求如表1所示。

表1 LTE基站對無線網橋的網絡需求

3 主流網橋技術方案比較

目前市面上的無線網橋技術方案，主要有以下3種：WiFi網橋、LTE網橋以及UHF網橋。這3種網橋方案各有特點，每種方案都各自適用不同的應用場景。本節通過對比不同無線橋接技術的特點來討論基站間無線橋接最為適用的網橋方案。

3.1 WiFi網橋

WiFi技術主要基于IEEE802.11標準，其特點是功耗較低、帶寬較寬、射頻信號較強。根據設置的不同，WiFi網橋的物理速率最高支持11 Mbit/s，帶寬也可設置為10 MHz與20 MHz兩種。一般民用WiFi的覆蓋范圍最高達300 m，而WiFi網橋使用了更大的發射功率與高增益的定向天線，使得WiFi網橋的點對點傳輸距離可達到20 km[2]。例如神腦(EnGenius)公司的ENH710EXT無線網橋[3]、思科(Cisco)公司的Aironet 1400系列無線網橋[4]等。

WiFi技術所采用的頻段相對較高，這樣高頻段的電磁波在自由空間傳播時，較難穿透或繞過中間的遮擋物。在環境復雜的室外空間，很少有純視距范圍傳播無線信號的場景，反而在2個通信點之間大多有建筑物或山體、樹木等遮擋物。即使信號得以穿透或繞過遮擋物，其帶寬也未必能滿足需求。如需要搭設應急基站車時，由于應急車輛端無線網橋的天線只能搭設在地上或車頂，因此應急車輛端的無線網橋天線高度遠比不上架設于通信塔頂的蜂窩基站端無線網橋的天線高度。在這種情況下，無線信號會穿越更多的障礙物，降低WiFi網橋的信號接收效果[5]。

3.2 LTE網橋

LTE是4G蜂窩網絡使用在基站和用戶之間的空中接口技術，相比WiFi網橋，LTE網橋的網絡架構是全IP扁平化結構，傳輸速率最高可達下行100 MHz，網橋帶寬可根據不同場景設置1.25～20 MHz。LTE網橋采用全向或定向天線，發射更大功率的信號，其信號傳輸距離可達20～50 km。比如鑫軟圖(Sinolte)公司的XNB-SPH1800A無線網橋[6]、羚科(LINGKE)公司的LK-AC-5HP-LR無線網橋等[7]。

但是LTE技術在架設時的費用問題也無法忽略，架設LTE網橋需要面臨高額的專利費以及網絡建設成本。

3.3 UHF網橋

本文所提及的UHF網橋，是采用UHF頻段——主要是200～800 MHz范圍內的頻段、調制解調采用DTM-B標準并且采用OFDM技術進行信號傳輸的無線網橋，例如文絡(WINNET)公司的WM-T2000系列無線網橋[8]等。

選擇UHF特高頻，主要是看重其波長長，可以更好地繞過障礙物的特性，以實現更好的無線傳輸和覆蓋[9]。而200～800 MHz頻段的頻率特性使得其在無線傳輸時能夠獲得比WiFi(2.4 GHz或5.8 GHz)或LTE(1.8 GHz或2.6 GHz)技術更好地繞過障礙物特性，以實現更好的無線傳輸與覆蓋。而在無線網橋典型的應用場景中，災后重建場景的地勢環境十分惡劣，普通的無線網橋無法達到其覆蓋范圍的要求。

UHF網橋的傳輸速率在73 MHz左右，根據設置的不同，可支持1～16 MHz帶寬，支持的最高移動速率約為120 km/h。在與其他兩種網橋處于同一EIRP的條件下，UHF網橋的傳輸距離可達50 km。

另外，UHF網橋不需要支付專利使用費用以及數據流量費用，網絡建設成本更低。但是目前的頻譜被地面廣播電視占用，需要考慮頻譜授權和可用白頻譜問題。

3.4 比較

上述3種無線網橋技術的性能對比見表2。

表2 WiFi、LTE與UHF網橋主要性能對照

由表2可見，WiFi技術在覆蓋范圍與支持最高移動速率這兩項有比較明顯的劣勢，不符合前文對網橋功能需求的分析。而LTE技術的網絡建設成本較高，在應急場景下無法快速搭建符合要求的無線網橋。因此，筆者認為UHF網橋是最適合應急場景下蜂窩網絡基站無線橋接的應用需求。

4 UHF無線網橋信號覆蓋性能分析

在比較了市面上使用較廣泛的幾種無線網橋技術標準后，筆者認為最適合蜂窩網絡基站間進行無線橋接的無線網橋是UHF網橋。為了使本系統的無線網橋滿足其覆蓋半徑與網絡需求，需要通過分析本系統的鏈路預算與傳播模型來著手。

4.1 鏈路預算與傳播模型

鏈路預算的一般流程包括配置系統帶寬，確定天線配置，確定開銷復核，發送端功率增益與損耗計算，接收端功率增益、損耗計算，鏈路總預算等[10]。為了保證接收機的正常接收，接收信號的強度應當滿足

Prx>N0

(1)

式中：Prx為接收端的信號強度；N0為基底噪聲，即

N0=30+10lg(kT)+10lg(B)+NF

(2)

式中：k為玻爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K;T為熱力學溫度，常溫下T=290 K；B為帶寬，單位為Hz；NF為噪聲系數，本文中假設NF=5 dB。

接收端的信號強度與發射端的信號強度和信號衰落之間的關系為

Prx=Prx-Lp(d)

(3)

式中：Lp(d)表示路徑損耗。奧村模型下的城市路徑損耗表示為

Lp(d)=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(ht)-k(hr)+

[44.9+6.55lg(ht)]lg(d)

(4)

式中：f為信號中心載頻；ht，hr分別為發射天線與接收天線的高度，單位為m；k(hr)為移動接收天線的修正因子。

對于中等規模的城市，有

k(hr)=(1.1lgf-0.7)hr-(1.56lgf-0.8)

(5)

對于大型城市，有

k(hr)=3.2(lg11.75hr)2-4.97

(6)

對于郊區地區，路徑損耗Lrural(d)可以表示為

(7)

根據以上公式即可推算，在確定的衰落環境中以一定的功率和帶寬發送時信號最遠的傳輸距離。

4.2 白頻譜分布估計

為更好地進行應急場景下的信號覆蓋分析，筆者所在的團隊在上海進行了白頻譜分布研究，以最終確定應急場景下無線網橋所可以采用的主要頻段。上文中，由于筆者選擇了UHF技術的無線網橋作為應急場景下的無線網橋主要技術標準，而這種網橋的系統帶寬為8 MHz，因此將測試頻段劃分為8 MHz的不同頻道，本文中以頻道為單位進行計算分析。

利用奧村模型計算信道衰落可以得到各個頻道在各自不同發射條件下的覆蓋距離和到達各個地區時的接收功率[12]。若接收功率高于底噪聲，則在這個區域利用此頻道進行上行通信會產生干擾，即此頻道在該地區不可以作為白頻譜使用；若接收功率低于底噪聲，則可以考慮在此地區復用該頻道。結合實際城市/地區間的距離與拓撲結構，本文的計算結果如圖2和圖3所示，圖中可復用區域和覆蓋邊緣區域均可以作為白頻譜資源使用，可復用區域距離同頻下行廣播區域更遠，可以優先考慮使用。

圖2 上海市白頻譜分布示意圖

圖3 上海及周邊地區白頻譜分布示意圖

從圖2中可以看出，上海市內的可用頻道非常有限，特別是在人口密集的市中心區域，僅有第11頻道(中心頻率為211 MHz)可以作為白頻譜資源使用；與此相對的，松江區、奉賢區和金山區可用的空白頻段較多。由圖3可以看出，如果考慮使用分配給上海市和上海周邊的所有頻道，則上海地區可以選擇使用的白頻譜資源增多。結合圖2、圖3可知，上海地區可作為白頻譜使用的頻道集合為

S={11,13,18,21,22,23,24,25,27,29,30,31,35,

36}

(8)

對應的可用中心頻點(單位：MHz)集合為

F={211,474,514,538,546,554,562,610,626,642,650,658,690,698}

(9)

4.3 上行鏈路覆蓋半徑

根據上文測得結果，筆者選取610 MHz作為中心頻點，通過鏈路預算的方法估計小區覆蓋半徑。為方便計算，筆者采用了應急基站場景，無線網橋的天線一端架設于臨近的蜂窩基站通信塔頂端，距離地面30 m，而另一端則直接架設于地面，高度2 m，其他主要參數見表3。圖4展示了對應的鏈路預算計算結果，據此結果可以獲得單個上行小區的最大覆蓋半徑，即應急基站到鄰近基站的最遠距離[11]。

表3 鏈路預算相關參數

根據上行鏈路參數，分別計算郊區環境和城區環境中用戶不同的發射功率下可達到的覆蓋范圍，結果如圖4所示。根據圖4可以發現，在一般的應急場景下，用戶的EIRP在40 dBm時，郊區環境覆蓋距離約為22 km；在城區的覆蓋距離約為7 km。如果適當降低對用戶EIRP的限制，增大用戶的發射功率，當用戶的發射功率達到50 dBm時，在郊區可以達到40 km左右的覆蓋距離，在城市地區的覆蓋距離約為13 km。

圖4 不同衰減模型下的鏈路預算結果

本文計算在城區和郊區兩種傳輸環境中，為了達到不同覆蓋距離發射設備所需要的發射功率，結果如圖3所示。由圖3可以看出，若需要滿足上文提到的典型的應急場景信號覆蓋需求，用戶信號的傳輸距離要達到30 km(郊區)或10 km(城區)，其上行設備發射端需要約為46 dBm的發射功率[12]。對于現有的上行用戶設備而言，這樣的發射功率較難實現，因此本文提出的通過搭設應急基站與無線網橋幫助遠距離用戶與通信基站之間通信的方案具有實際價值。

5 結語

通過分析蜂窩網絡基站無線橋接的應用場景及對無線網橋系統的網絡需求與功能需求分析，比較了市面上廣泛使用的3種無線網橋技術，提出基于OFDM的UHF網橋是符合應急場景中蜂窩網絡基站無線橋接的最佳無線網橋選擇。

進一步對該無線網橋進行鏈路預算，通過奧村模型對傳播鏈路的覆蓋半徑分析，結合筆者所在團隊對上海地區白頻譜分布估計，計算得出了所有無線網橋適合使用的中心頻點，并通過設定的中心頻點計算出了無線網橋的覆蓋距離。但由于應急環境的突發性，這些中心頻點不一定全部符合應急環境所在位置的網絡環境。因此，最好在突發事件發生地點重新測定頻譜以確定最合適的中心頻點。

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責任編輯：薛 京

Research on wireless bridge between cellular base stations

ZHENG Jian1, 2, DING Lianghui1

(1.SchoolofElectronicInformationandTelecommunicationEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiVSITechnologyCo.,Ltd.,Shanghai200030,China)

The requirement of wireless bridge application between cellular base stations in emergency scene is introduced. The advantages and disadvantages of WiFi-based bridge, LTE bridge and UHF bridge are compared taking signal coverage and network traffic into account. The link budget and the requirement of transmit power of the UHF bridge is analyzed by using the wireless signal propagation model. It is concluded that the white spectrum of terrestrial broadcasting can be used for UHF bridge between cellular base stations in emergency case.

emergency scene; cellular network; wireless bridge

鄭健，丁良輝.蜂窩網絡基站無線橋接的研究[J]. 電視技術，2016,40(12)：99-103. ZHENG J,DING L H.Research on wireless bridge between cellular base stations[J]. Video engineering，2016,40(12)：99-103.

TN925+.92

A

10.16280/j.videoe.2016.12.019

2016-10-27