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摘要：为提高长江口深水航道的通航效率，研究利用深水航道边坡解决大型船舶的安全超宽交会问题，同时通过E航海建设，提供深水航道导助航信息服务。大量的导助航信息服务数据传输和实时获取，均依托于高速、有效、可靠的传输网络。但由于目前长江口水域，现有公共网络无法实现连续有效的信号覆盖，船岸之间没有建立有效可靠的专用宽带无线数据链路，无法实现大数据传输、数据实时获取。因此在长江口水域组建基于TD-LTE制式的高速无线传输网络系统，提供长江口沿海岸（岛）30 n mile范围内的宽带通信，打造船岸海上WiFi网络，弥补现有公网覆盖不足，链路不连续，从而解决船岸大数据传输和信息实时获取问题。
关键词：TD-LTE; E航海
1 需 求
长江口深水航道位于上海，是长三角经济带的咽喉，由于受限于航道宽度，为保障航行安全，超宽船舶需单向通行。随着船舶流量增大，船舶体积大型化，以及深水航道的通航安全限制，导致航道单向航行情况日益频繁，严重制约着通航效率。在保证通航安全的前提下，如何提高长江口深水航道的通航效率成为推进上海国际航运中心建设，发展长三角经济圈首要解决的问题之一。
为提高长江口深水航道的通航效率，海事部门研究利用深水航道边坡解决大型船舶的安全超宽交会问题，同时通过E航海建设，提供深水航道导助航信息服务，保障超宽船舶航行交会时的通航安全。
E航海是目前国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）主导的下一代海上航海保障综合服务体系，旨在通过信息化手段协调船舶和岸上海事信息的采集，整合，交换，展示和分析，以增强船舶泊位到泊位的导航和相关服务，以保障海上航行安全和安保，保护海上环境。
长江口E航海系统，除了集成视觉航标、无线电航标、AIS、雷达、北斗等传统的导助航服务外，还包括了更多的安全辅助保障服务。
1.1 实时视频监控和水文气象数据
深水航道固定点上的高精度、高倍距摄像头，将航道及水面实时视频监控信息回传至相关责任方;重点水域航标上的水文气象采集器，采集流速流向、风速风向、能见度等水文气象数据实时回传，从而实现航道通行情况及水面海洋信息监测。
1.2 船舶信息实时获取和交换共享
深水航道通航船舶，实时与相关责任方进行高速信息交换共享，实时获取港口航道通航环境信息，航行通（警）告信息等，各类导助航服务信息，为船舶安全航行提供安全保障。
大量的导助航信息服务数据传输和实时信息获取，均依托于高速、有效、可靠的传输网络。但由于目前长江口水域，现有公共网络无法实现连续有效的信号覆盖，无法形成统一的通信渠道，船岸之间没有建立有效可靠的专用宽带无线数据链路，造成信息孤立，无法实现大数据传输、数据实时获取和交换共享。
在现有公网无法满足及保证使用的前提下，在长江口水域组建基于TD-LTE制式的高速无线传输网络系统，提供长江口沿海岸（岛）30 n mile范围内的宽带通信，打造船岸海上WiFi网络，弥补现有公网覆盖不足，链路不连续等问题，统一数据通信渠道，整合相关数据，达到实时监控及交换共享的目的。
2 研 究
TD-LTE，即 Time Division Long Term Evolution（分时长期演进），是基于OFDMA（正交频分多址）技术，由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式。TD-LTE是目前世界上使用最广泛，终端种类最丰富的4G标准，也是由我国主导，包含大量我国技术专利，同时得到了广泛国际支持的国际标准。
TD-LTE网络在技术演进、带宽时延、传输速率、覆盖距离、频谱利用、安全可靠等各方面具有显著的优势，可充分满足长江口水域相关方对无线高速网络的应用需求：
（1）TD-LTE作为我国主导提出的，我国拥有核心基础专利，未来技术演进方向清晰明确;
（2）TD-LTE在1.8 GHz工作频段上，具备较强的抗干扰稳定性和远距离传输性，采用20M载波带宽，上行传输峰值可达50 Mbps，下行传输峰值可达100 Mbps，可确保在同一带宽上同时为用户提供语音、宽带数据及高清视频等综合应用;
（3）TD-LTE采用全IP 网络架构，网络结构扁平化，有效缩短控制面和用户面时延，控制面时延<100 ms，用户面时延<5 ms。此外，组呼建立时延<500 ms，话权抢占时延<200 ms，端到端视频通话时延<1 s，满足用户快速指挥调度的应用需求;
（4）TD-LTE 的下行频谱效率为5 bits/Hz，上行频谱效率为2.5 bits/Hz，比3G 系统提高2～4 倍。支持上下行时隙配比灵活可调，适应用户对大数据采集、高清视频监控及物联网应用等上下行非对称的多媒体业务需求;
（5）TD-LTE采用多层次安全加密体制，支持网络与终端间的双向鉴权，空口加密及信令完整性保护和端到端加密，滿足专网客户的特殊安全要求;
因此，选择TD-LTE制式建设长江口水域高速信息传输网络，为E航海建设一张成熟、稳定、安全、高效，且融合IP语音、宽带数据、高清视频等业务的1.8 GHz无线宽带专网，依托TD-LTE船岸通信高速传输网络，提供符合相关国际标准并满足应用需求的综合导助航服务，从而保障长江口超宽船舶交会时船舶航行安全，提升长江口航道通航效率。
3 核心要素
长江口TD-LTE高速网络覆盖区域为水域，覆盖距离成为网络核心要素，水域覆盖的最重要目标是达到尽量远的覆盖要求。要达到远距离良好覆盖要求，需要重点考虑如下几个条件：
（1）站点的选择（高度、位置）;
（2）信号的空间损耗;
（3）信号时延; （4）地球半径的影响。
其中，站址天线高度直接决定了水域覆盖距离。
TD-LTE基站的無线信号辐射到水面时会产生多个反射波，但能够被移动台接收到的一般只有一个反射波，其他反射波由于反射角不同被反射到其他区域。因此水面无线传播具有二波特征，需要考虑到船体损耗、地球曲率的影响，并根据实测数据进行修正。
无线电波在水面传播时，在可视距离内，传播路径主要是通过空气传播的直达波和水面的反射波。在可视距离以外的地球阴影区域，需要考虑地球球面形成的遮挡造成的绕射损耗。
TD-LTE基站站址通常选择在沿海高处，水面无线电波传播环境与自由空间近似，无线电波可以传播到很远的水面上，地球不能再看作平面，而应看作球面，即地球曲率将对无线电波传播产生影响。另外处于传播路径上的岛屿、山、船体等会对无线电波的传播带来相应的影响。
在进行LTE网络专网水面覆盖规划时，需要充分考虑不同区域的特点，既要尽量实现无缝覆盖、又要关注航道等重点区域的良好覆盖。远海以广覆盖、远覆盖为主，对容量需求不高，主要保证航道覆盖;近海与远海之间存在信号重叠覆盖区，由于在水面反射条件下，信号容易反射传播，并且衰耗很慢，这就容易导致这个重叠区难以控制范围，而且由于在重叠区近海站与远海站的干扰很可能强度相当，这就很容易带来干扰，需要严格针对天馈系统进行控制，精准覆盖。
因此，长江口TD-LTE网络，重点在于根据各类因素确认基站小区覆盖半径，保证基站选址及天线设计高度，致使信号能够满足设计覆盖要求，实现长江口乃至上海港水域高速、有效、可靠的无线网络信号全覆盖，如图1所示。
4 实 践
TD-LTE网络系统由管理中心、LTE基站和终端三部分组成，长江口TD-LTE网络系统建设了1个管理中心和6座LTE基站，从而实现长江口乃至上海港水域高速网络信号全覆盖，如图2所示。
4.1 管理中心
长江口TD-LTE网络系统管理中心建在上海航标处，主要是提供用户位置信息管理、网络特性和业务控制、信令和用户信息传输机制等服务，实现用户数据传输、系统接入控制（接入控制、拥塞控制、系统信息广播）、无线信道加扰解扰、移动性管理（切换、位置定位）等功能。
管理中心核心网作为TD-LTE网络核心网关，向下负责6座基站设备的接入，向上负责与现有各类应用系统连接以及LTE网络的对外的网络出口。
4.2 LTE基站
长江口TD-LTE基站为岸基站，基站设备由BBU和RRU两部分组成。BBU为基带处理单元，RRU为射频拉远单元，双通道设计，支持单通道40 W的发射功率，极大增加覆盖范围。长江口TD-LTE网络采用1BBU+3RRU组网方式，BBU和RRU之间通过光纤连接，采用星形组网。
根据实地勘察及理论计算，为达到全面覆盖长江口水域深水航道的目标，乃至扩展至整个上海港水域，按照选取设备的性能指标，项目最终在大戢山、花鸟山、佘山、鸡骨礁、横沙及吴淞建设6座LTE基站3小区组网连接，从而实现长江口乃至上海港口近海水域及主要航道的无线高速宽带信号全覆盖，见表1。
根据测算，6个站点的平均站间距为44.49 km。最大站间距为62.79 km，最小站间距为29.83 km，也就是小区最小覆盖半径有32 km，就能实现两基站交叉覆盖，满足计划水域覆盖需求，如图2所示。
鉴于TD-LTE基站系统主要在水域海岛，所以此次海岛基站和岸端之间采用微波传输系统作为传输链路，对于具备光纤传输链路的站点直接采用光纤作为传输链路，如图4所示。
4.3 终端子系统解决方案
长江口TD-LTE高速网络系统采用大功率CPE作为通用的接入终端。
大功率CPE产品基于4G TD-LTE国际标准，支持最大传输速率为DL：100 Mbps、UL：50 Mbps，支持2×2双天线MIMO技术，下行MIMO传输支持TM1/2/3/4/7/8模式，上行传输支持单天线端口传输模式;WiFi支持2R×2T，最大传输速率为300 Mbps。
针对船端系统，船上的电子海图、摄像头、GPS、传真机等可以借助交换机或者直接通过以太网线连接到CPE网口，进而通过CPE接入TD-LTE网络。
针对岸基系统，水域上的摄像头、气象站、水位仪、流量测速仪等可以通过以太网线或者通过相应的硬件网关连接到CPE网口，进而通过CPE接入TD-LTE网络。
无论船端系统和岸基系统的CPE均可以提供WiFi热点接入功能，任何具备无线功能的终端，都可以通过WiFi热点接入CPE，从而进一步接入TD-LTE网络访问互联网。
5 效能检测
长江口TD-LTE系统建设完成后，进行了效能检测。测试TD-LTE基站信号覆盖范围和情况，以及测试航线从一个小区转移到另一个小区的信号无缝切换情况。
5.1 TD-LTE基站信号覆盖范围和情况
TD-LTE 1.8GHz在水域连续覆盖的信号覆盖情况较好，没有明显的覆盖盲点。
在水域大部分区域信号强度达到了-95dBm以上，且整个覆盖连续，满足大数据回传的流量性需求;在离基站较近范围，信号强度可以达到-75 dBm以上，如图5所示。
5.2 航路信号无缝切换
依据航道无线信号打点测试，信号覆盖满足航线覆盖要求，航线上已安装CPE终端航行船舶可正常通过TD-LTE网络访问互联网;航线固定点位摄像头、水文气象仪器数据可正常回传，满足实时监测需求，如图6所示。
6 结 语
TD-LTE高速网络在长江口E航海中已成功实践，依托TD-LTE高速、有效、可靠的无线传输网络系统，解决了公网信号不佳水域，E航海所面临的船岸互联互通和大数据传输的瓶颈问题，为长江口深水航道超宽船舶交会所需综合导助航服务提供了传输链路保障，从而有效确保超宽船舶交会时船舶航行安全，进而提升长江口深水航道通航效率。
关键词：TD-LTE; E航海
1 需 求
长江口深水航道位于上海，是长三角经济带的咽喉，由于受限于航道宽度，为保障航行安全，超宽船舶需单向通行。随着船舶流量增大，船舶体积大型化，以及深水航道的通航安全限制，导致航道单向航行情况日益频繁，严重制约着通航效率。在保证通航安全的前提下，如何提高长江口深水航道的通航效率成为推进上海国际航运中心建设，发展长三角经济圈首要解决的问题之一。
为提高长江口深水航道的通航效率，海事部门研究利用深水航道边坡解决大型船舶的安全超宽交会问题，同时通过E航海建设，提供深水航道导助航信息服务，保障超宽船舶航行交会时的通航安全。
E航海是目前国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）主导的下一代海上航海保障综合服务体系，旨在通过信息化手段协调船舶和岸上海事信息的采集，整合，交换，展示和分析，以增强船舶泊位到泊位的导航和相关服务，以保障海上航行安全和安保，保护海上环境。
长江口E航海系统，除了集成视觉航标、无线电航标、AIS、雷达、北斗等传统的导助航服务外，还包括了更多的安全辅助保障服务。
1.1 实时视频监控和水文气象数据
深水航道固定点上的高精度、高倍距摄像头，将航道及水面实时视频监控信息回传至相关责任方;重点水域航标上的水文气象采集器，采集流速流向、风速风向、能见度等水文气象数据实时回传，从而实现航道通行情况及水面海洋信息监测。
1.2 船舶信息实时获取和交换共享
深水航道通航船舶，实时与相关责任方进行高速信息交换共享，实时获取港口航道通航环境信息，航行通（警）告信息等，各类导助航服务信息，为船舶安全航行提供安全保障。
大量的导助航信息服务数据传输和实时信息获取，均依托于高速、有效、可靠的传输网络。但由于目前长江口水域，现有公共网络无法实现连续有效的信号覆盖，无法形成统一的通信渠道，船岸之间没有建立有效可靠的专用宽带无线数据链路，造成信息孤立，无法实现大数据传输、数据实时获取和交换共享。
在现有公网无法满足及保证使用的前提下，在长江口水域组建基于TD-LTE制式的高速无线传输网络系统，提供长江口沿海岸（岛）30 n mile范围内的宽带通信，打造船岸海上WiFi网络，弥补现有公网覆盖不足，链路不连续等问题，统一数据通信渠道，整合相关数据，达到实时监控及交换共享的目的。
2 研 究
TD-LTE，即 Time Division Long Term Evolution（分时长期演进），是基于OFDMA（正交频分多址）技术，由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式。TD-LTE是目前世界上使用最广泛，终端种类最丰富的4G标准，也是由我国主导，包含大量我国技术专利，同时得到了广泛国际支持的国际标准。
TD-LTE网络在技术演进、带宽时延、传输速率、覆盖距离、频谱利用、安全可靠等各方面具有显著的优势，可充分满足长江口水域相关方对无线高速网络的应用需求：
（1）TD-LTE作为我国主导提出的，我国拥有核心基础专利，未来技术演进方向清晰明确;
（2）TD-LTE在1.8 GHz工作频段上，具备较强的抗干扰稳定性和远距离传输性，采用20M载波带宽，上行传输峰值可达50 Mbps，下行传输峰值可达100 Mbps，可确保在同一带宽上同时为用户提供语音、宽带数据及高清视频等综合应用;
（3）TD-LTE采用全IP 网络架构，网络结构扁平化，有效缩短控制面和用户面时延，控制面时延<100 ms，用户面时延<5 ms。此外，组呼建立时延<500 ms，话权抢占时延<200 ms，端到端视频通话时延<1 s，满足用户快速指挥调度的应用需求;
（4）TD-LTE 的下行频谱效率为5 bits/Hz，上行频谱效率为2.5 bits/Hz，比3G 系统提高2～4 倍。支持上下行时隙配比灵活可调，适应用户对大数据采集、高清视频监控及物联网应用等上下行非对称的多媒体业务需求;
（5）TD-LTE采用多层次安全加密体制，支持网络与终端间的双向鉴权，空口加密及信令完整性保护和端到端加密，滿足专网客户的特殊安全要求;
因此，选择TD-LTE制式建设长江口水域高速信息传输网络，为E航海建设一张成熟、稳定、安全、高效，且融合IP语音、宽带数据、高清视频等业务的1.8 GHz无线宽带专网，依托TD-LTE船岸通信高速传输网络，提供符合相关国际标准并满足应用需求的综合导助航服务，从而保障长江口超宽船舶交会时船舶航行安全，提升长江口航道通航效率。
3 核心要素
长江口TD-LTE高速网络覆盖区域为水域，覆盖距离成为网络核心要素，水域覆盖的最重要目标是达到尽量远的覆盖要求。要达到远距离良好覆盖要求，需要重点考虑如下几个条件：
（1）站点的选择（高度、位置）;
（2）信号的空间损耗;
（3）信号时延; （4）地球半径的影响。
其中，站址天线高度直接决定了水域覆盖距离。
TD-LTE基站的無线信号辐射到水面时会产生多个反射波，但能够被移动台接收到的一般只有一个反射波，其他反射波由于反射角不同被反射到其他区域。因此水面无线传播具有二波特征，需要考虑到船体损耗、地球曲率的影响，并根据实测数据进行修正。
无线电波在水面传播时，在可视距离内，传播路径主要是通过空气传播的直达波和水面的反射波。在可视距离以外的地球阴影区域，需要考虑地球球面形成的遮挡造成的绕射损耗。
TD-LTE基站站址通常选择在沿海高处，水面无线电波传播环境与自由空间近似，无线电波可以传播到很远的水面上，地球不能再看作平面，而应看作球面，即地球曲率将对无线电波传播产生影响。另外处于传播路径上的岛屿、山、船体等会对无线电波的传播带来相应的影响。
在进行LTE网络专网水面覆盖规划时，需要充分考虑不同区域的特点，既要尽量实现无缝覆盖、又要关注航道等重点区域的良好覆盖。远海以广覆盖、远覆盖为主，对容量需求不高，主要保证航道覆盖;近海与远海之间存在信号重叠覆盖区，由于在水面反射条件下，信号容易反射传播，并且衰耗很慢，这就容易导致这个重叠区难以控制范围，而且由于在重叠区近海站与远海站的干扰很可能强度相当，这就很容易带来干扰，需要严格针对天馈系统进行控制，精准覆盖。
因此，长江口TD-LTE网络，重点在于根据各类因素确认基站小区覆盖半径，保证基站选址及天线设计高度，致使信号能够满足设计覆盖要求，实现长江口乃至上海港水域高速、有效、可靠的无线网络信号全覆盖，如图1所示。
4 实 践
TD-LTE网络系统由管理中心、LTE基站和终端三部分组成，长江口TD-LTE网络系统建设了1个管理中心和6座LTE基站，从而实现长江口乃至上海港水域高速网络信号全覆盖，如图2所示。
4.1 管理中心
长江口TD-LTE网络系统管理中心建在上海航标处，主要是提供用户位置信息管理、网络特性和业务控制、信令和用户信息传输机制等服务，实现用户数据传输、系统接入控制（接入控制、拥塞控制、系统信息广播）、无线信道加扰解扰、移动性管理（切换、位置定位）等功能。
管理中心核心网作为TD-LTE网络核心网关，向下负责6座基站设备的接入，向上负责与现有各类应用系统连接以及LTE网络的对外的网络出口。
4.2 LTE基站
长江口TD-LTE基站为岸基站，基站设备由BBU和RRU两部分组成。BBU为基带处理单元，RRU为射频拉远单元，双通道设计，支持单通道40 W的发射功率，极大增加覆盖范围。长江口TD-LTE网络采用1BBU+3RRU组网方式，BBU和RRU之间通过光纤连接，采用星形组网。
根据实地勘察及理论计算，为达到全面覆盖长江口水域深水航道的目标，乃至扩展至整个上海港水域，按照选取设备的性能指标，项目最终在大戢山、花鸟山、佘山、鸡骨礁、横沙及吴淞建设6座LTE基站3小区组网连接，从而实现长江口乃至上海港口近海水域及主要航道的无线高速宽带信号全覆盖，见表1。
根据测算，6个站点的平均站间距为44.49 km。最大站间距为62.79 km，最小站间距为29.83 km，也就是小区最小覆盖半径有32 km，就能实现两基站交叉覆盖，满足计划水域覆盖需求，如图2所示。
鉴于TD-LTE基站系统主要在水域海岛，所以此次海岛基站和岸端之间采用微波传输系统作为传输链路，对于具备光纤传输链路的站点直接采用光纤作为传输链路，如图4所示。
4.3 终端子系统解决方案
长江口TD-LTE高速网络系统采用大功率CPE作为通用的接入终端。
大功率CPE产品基于4G TD-LTE国际标准，支持最大传输速率为DL：100 Mbps、UL：50 Mbps，支持2×2双天线MIMO技术，下行MIMO传输支持TM1/2/3/4/7/8模式，上行传输支持单天线端口传输模式;WiFi支持2R×2T，最大传输速率为300 Mbps。
针对船端系统，船上的电子海图、摄像头、GPS、传真机等可以借助交换机或者直接通过以太网线连接到CPE网口，进而通过CPE接入TD-LTE网络。
针对岸基系统，水域上的摄像头、气象站、水位仪、流量测速仪等可以通过以太网线或者通过相应的硬件网关连接到CPE网口，进而通过CPE接入TD-LTE网络。
无论船端系统和岸基系统的CPE均可以提供WiFi热点接入功能，任何具备无线功能的终端，都可以通过WiFi热点接入CPE，从而进一步接入TD-LTE网络访问互联网。
5 效能检测
长江口TD-LTE系统建设完成后，进行了效能检测。测试TD-LTE基站信号覆盖范围和情况，以及测试航线从一个小区转移到另一个小区的信号无缝切换情况。
5.1 TD-LTE基站信号覆盖范围和情况
TD-LTE 1.8GHz在水域连续覆盖的信号覆盖情况较好，没有明显的覆盖盲点。
在水域大部分区域信号强度达到了-95dBm以上，且整个覆盖连续，满足大数据回传的流量性需求;在离基站较近范围，信号强度可以达到-75 dBm以上，如图5所示。
5.2 航路信号无缝切换
依据航道无线信号打点测试，信号覆盖满足航线覆盖要求，航线上已安装CPE终端航行船舶可正常通过TD-LTE网络访问互联网;航线固定点位摄像头、水文气象仪器数据可正常回传，满足实时监测需求，如图6所示。
6 结 语
TD-LTE高速网络在长江口E航海中已成功实践，依托TD-LTE高速、有效、可靠的无线传输网络系统，解决了公网信号不佳水域，E航海所面临的船岸互联互通和大数据传输的瓶颈问题，为长江口深水航道超宽船舶交会所需综合导助航服务提供了传输链路保障，从而有效确保超宽船舶交会时船舶航行安全，进而提升长江口深水航道通航效率。