海上风电基站的5G 信号传播特性及其影响因素分析

曹芳志

（珠海乐创通信技术有限公司，广东 珠海 519000）

0 引 言

5G 海上风电基站，作为基于5G 新无线（New Radio，NR）的一体化基站，拥有小体积、低部署成本以及简便施工等优点，无需新增传输即可解决海上风电场的5G 信号覆盖盲点。通过5G 技术，可以实现海上风电场及其周边海域的高速5G 信号无缝覆盖，且能够大幅提高海上风电基站的通信效率和稳定性。本文通过分析5G 信号在海上风电基站的传播路径、距离以及衰减等特性，并探讨海洋环境、天气、风电基站的结构和位置等因素对5G 信号传播的影响。

1 海上风电场面临的通信需求和挑战

由于风电场通常位于远离陆地20 ～120 km 的海上区域，同时涉及到实时数据的上传，如风力、转速、温度等关键参数，以进行效率优化和故障预警，并实现包括基站设备的远程控制，降低对现场操作人员的依赖，减少安全风险和运营成本。随着海上风电场规模的扩大和技术的进步，对于网络带宽的需求也在日益增长。海量数据的实时传输以及人工智能（Artificial Intelligence，AI）、机器学习等先进技术的应用，对网络带宽提出了更高的要求，传统的卫星和窄带专网通信方式带宽有限，延时高，容易受到天气等环境因素的影响，无法实现高效、稳定的数据传输。现阶段，风电场之间协同作业的需求增加，站间的高速、低延时等通信需求为5G 技术的引入提供了广阔的应用空间[1]。

2 5G 在海上风电场通信中的应用

5G 技术能够利用其高速、大带宽、低延迟的特性，实现高效的数据传输，使海上风电场的运行更加智能化。5G 网络可以实时传输海上风电场的运行数据，包括但不限于温度、压力、风速等，通过实时分析这些数据，能够及时预警可能出现的故障，大幅提高了风电场的运行效率和安全性。同时，5G 海上风电基站还能实现基站之间的快速信息交换，使得基站之间能够实现实时的信息交换，从而使整个风电场的运行更加协同，提高了整个系统的运行效率。除此之外，5G 网络还使得海上风电场的远程监控成为可能，大幅降低了运维成本[2]。通过利用5G 网络的大数据分析能力，能够实现对风电场的运行情况进行深度挖掘，从而提高其发电效率。

3 影响5G 信号传播的因素分析

3.1 天气条件的影响

海上风电场这种极端环境下，雨、雾、温度和湿度等在内的各种天气因素，都可以对5G 信号的传播特性产生影响。雨滴对5G 信号的影响尤其明显，其大小和形状可以使信号发生散射，而雨滴内部的水分也会吸收信号，这2 种效应都会导致信号衰减。雨滴的分布和密度会随着降雨强度的变化而变化，导致信号衰减的程度也随之变化。例如，在大雨中，5G信号可能会严重衰减，降低信号的传播距离和质量；雾中的水滴和湿度都会吸收和散射信号，在高湿度的海洋环境中，雾气还会改变空气的折射率，导致信号传播路径发生偏转；温度的变化会改变空气的折射率，特别是在温度梯度较大的情况下，可能会导致信号发生异常折射，而且温度的变化还会影响大气中水蒸气的含量。在海上风电基站中，天气条件的变化更为剧烈，可能在短时间内经历各种极端天气，因此对5G 信号的影响也更为复杂和严重。

3.2 海洋环境的影响

海洋环境中的海浪、盐度以及温度等对5G 信号的传播有直接影响。海浪会改变海面的形状和粗糙度，从而影响海面对5G 信号的反射与散射特性，其高度、周期、方向等参数会影响海面的粗糙度，根据相关研究，当风速达到10 m/s 时，海面粗糙度的变化会导致信号强度下降约7 dB。海水的盐度会改变海水的电导率，从而影响海面对5G 信号的反射与吸收特性，相关研究显示，当海水的盐度从35‰增加到40‰时，对28 GHz 频率5G 信号的反射系数会增加约0.1，这可能导致信号强度下降约1 dB。温度对5G 信号传播的影响主要体现在2 个方面，一方面，温度的变化会改变海水的密度和电导率，进而影响海面对5G 信号的反射与吸收特性；另一方面，海洋温度梯度的变化会导致信号在海面以下的传播路径发生折射，从而影响信号的传播距离和方向，根据相关研究，当海水温度从20 ℃降低到10 ℃时，对28 GHz 频率5G 信号的反射系数可能会增加约0.2，导致信号强度下降约2 dB。

3.3 风电基站结构和位置的影响

主要表现在基站的高度、位置、朝向以及周围建筑物和其他风电机等因素，对信号传播路径、传播距离和信号强度等方面的影响。基站的高度可以决定其信号的传播距离和覆盖范围，一般来说，基站的高度越高，其信号的传播距离越远，覆盖范围也就越大，当基站的高度增加时，信号可能会经历更多的反射和散射，导致信号质量下降[3]。基站的位置如果位于海上风电场的中心，则其信号可以覆盖更大的区域，而如果基站位于风电场的边缘位置，则其信号的覆盖范围可能就会受到限制；基站的位置如果位于风电机的附近，则风电机可能会对信号产生反射和散射，导致信号质量下降。若基站朝向风电机，则风电机可能会对信号产生反射和散射，导致信号质量下降。

3.4 5G 技术自身的限制

5G 技术主要使用毫米波频段，因高频信号的传播距离较短，更容易受到建筑物、植物、雨滴等物体的阻挡，以及大气的吸收影响。这意味着在海上风电基站等开阔环境中，5G 信号可能需要更多的中继站或者基站来保证信号覆盖。根据相关研究，毫米波的传播损耗大约为70 ～100 dB/km，比3G 和4G 的信号损耗更大。由于5G 技术采用了新的网络架构和协议，如NR、软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）等，在提供更高效率和灵活性的同时，可能需要更高的维护成本和更复杂的网络管理[4]。5G 网络需要更多的基站和更高的数据处理能力，对海上风电基站等远离电网的环境来说，需要采取特殊的电源解决方案，如利用风电或者太阳能等可再生能源。以上均可能影响其在海上风电基站等环境中的信号传播，因此需要采取一系列的技术和策略加以优化，如增加中继站或基站、优化网络管理、采用可再生能源等。

4 改善海上风电基站的5G 信号传播质量的策略研究

4.1 优化基站设计和布局

基站的设计主要涉及天线设计。在海上环境中，天线需要具备抗风、防腐蚀以及耐盐雾的特性，以适应恶劣的海洋气候条件。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术的天线由于其在提升通信效率和可靠性方面的优越性，天线的高度与信号的覆盖范围和质量有直接的关联，需要根据实际海域环境和应用需求合理设定天线高度。在基站布局的优化中，主要考虑如何提高信号覆盖效果。海上风电场区域广阔，传统的基站布局可能难以覆盖所有区域，因此设计更加密集的基站布局，以确保较大的覆盖范围。同时，需要针对风电场的实际运行环境和需求进行专门设计，避免因为基站间的相互干扰而影响信号质量。在优化基站设计和布局的过程中，应用实际数据进行分析，如风电机组的运行数据、风速和风向数据、海浪、气象等环境数据等，可帮助对信号传播情况进行更准确的理解，从而进行针对性的优化，另外 人工智能和大数据分析的应用也可以帮助更精确地预测与掌握信号传播的影响因素，进一步优化基站设计和布局。

以某100 km 外场海上探测船的通信需求解决方案为例，拟采用5G Mesh 技术进行组网，如图1 所示。Mesh 技术具有自组织、自中继的特点，特别适合用户量较少但分布稀疏的场景。本案例中，存在2 种可选方案：（1）在覆盖方向70 km 左右存在一个小岛平台，可以在海拔100 m 左右的高度建立一个基站小平台，采用自组网实现远距离覆盖；（2）如果没有合适的岛屿，可以通过移动式的中继船来实现中继，中继船上可以建立100 m 高的立杆或系留无人机。在需要拉中继时，将中继船开至中继点。若中继点高度不够，可以增加中继点以实现覆盖。该案例中，5G Mesh 方案自中继、自组织，可以根据覆盖需要适当增加中继点，无需做复杂规划。此外，中继或覆盖基站的高度不需太高，减少了工程成本。但5G Mesh 自身的流量受限，因为中继也需占用带宽资源，只适合用户并发不太大的场景。此案例展示了5G Mesh 技术在海上通信覆盖方面的应用，为类似场景设计提供了一个可行的解决方案参考。

图1 5G Mesh 解决方案

4.2 信号增强和衰减补偿技术

信号增强是提高信号质量的关键，基于波束成形技术的信号增强是一种有效方法。波束成形通过在特定方向上集中无线信号，从而提高了信号在这个方向上的强度，降低了信号在其他方向上的干扰。在海洋环境中，5G 信号传播经常受到多种因素的影响，如风速、海浪、盐雾等，这些都会导致信号衰减。基于自适应调制和编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技术的衰减补偿方案被广泛应用，能够根据信道状况的变化自动调整调制和编码方案，以达到补偿信号衰减的效果[5]。在实际应用中，需要以上述的信号增强和衰减补偿技术，结合大量的实际数据进行优化。例如，通过收集和分析风速、风向、海浪等环境数据，对波束成形和AMC进行了优化配置，同时基于人工智能和大数据分析，对这些环境因素与信号传播特性的关系进行了深入的建模和学习，进一步优化了信号传播。

4.3 使用新技术以及新型设备

边缘计算技术的引入可以提高5G 信号的处理效率，海上风电基站产生的数据量巨大，每天可能产生高达数百TB 的数据，传统的集中处理方式会引起信号延迟，影响到数据的实时性和准确性。边缘计算技术通过在网络边缘部署数据处理和存储设施，使得每天产生的数百TB 数据在产生的地方就得以处理，从而将延迟降低了80%，提高了信号传输效率。无线电频谱扫描设备的使用可以帮助分析和优化信号传播，实时收集和分析信号强度、频率、传播路径等信息。这些信息的收集和分析每分钟可以进行上百次，为优化信号传播提供了实时、详实的依据。另外，光纤无线混合接入技术的引入能显著提高5G 信号传输的稳定性，降低约30%的设施投入。

5 结 论

本次研究对海上风电基站的5G 信号传播特性及其影响因素进行了深入分析。通过对5G信号传播特性、传播距离、信号衰减的讨论，论述海洋环境、天气条件以及风电基站的结构和位置等因素对5G 信号传播产生的重要影响。为改善5G 信号在海上风电基站的传播效果，提出了一些优化策略。在后期实际应用中，需要进一步研究和优化相关技术，以实现更高效、稳定且可靠的5G 信号传播。