電力無線專網(wǎng)建設(shè)與測(cè)試

李垠韜，袁衛(wèi)國，宋 偉，常 沛

電力無線專網(wǎng)建設(shè)與測(cè)試

李垠韜，袁衛(wèi)國，宋 偉，常 沛

電力無線專網(wǎng)從電力業(yè)務(wù)需求出發(fā)，采用TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)中載波聚合、OFDMA等關(guān)鍵技術(shù)，使用電力專有230MHz無線頻段工作?？h級(jí)電力通信網(wǎng)絡(luò)屬于電力通信網(wǎng)絡(luò)的末端，其接入終端數(shù)量少且分布不集中，使得光纖敷設(shè)成本較大，采用建設(shè)電力無線專網(wǎng)的方式可作為光纖通信的有效補(bǔ)充，滿足電力終端的通信接入。文章介紹縣級(jí)電力專網(wǎng)的建設(shè)和測(cè)試情況，并以實(shí)際案例給出電力無線專網(wǎng)的建設(shè)和測(cè)試方法，其中測(cè)試分成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和外場(chǎng)測(cè)試兩種。

TD-LTE；電力專網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

一、背 景

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)日益增多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求逐步加深，急需新型的電力寬帶通信系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。與此同時(shí)，在通信技術(shù)領(lǐng)域，新一代的無線通信技術(shù)逐步替代現(xiàn)有無線通信方式已經(jīng)成為了必然的趨勢(shì)，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)相比，第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)TD-LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)擁有更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬和更快的傳輸速率。因此，研究和建設(shè)電力TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)能更好地服務(wù)大量電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的快速傳輸，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能性。

二、電力無線專網(wǎng)概述

（一）技術(shù)特點(diǎn)

電力TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)以電力實(shí)際情況和業(yè)務(wù)需求出發(fā)，采用4GTD-LTE核心通信技術(shù)，包括正交頻分多址（OFDMA）、載波聚合、干擾協(xié)調(diào)、全I(xiàn)P組網(wǎng)、端到端兩級(jí)加密、自適應(yīng)重傳等技術(shù)，具有覆蓋廣、容量大、時(shí)延小、安全高、演進(jìn)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

電力TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)所采用的載波聚合技術(shù)，能夠?qū)㈩l段離散的窄帶頻點(diǎn)資源聚合形成寬帶資源，提供寬帶的數(shù)據(jù)傳輸能力。同時(shí)，該系統(tǒng)采用OFDM、高階調(diào)制、高效編碼等LTE新技術(shù)，提高系統(tǒng)頻譜效率和系統(tǒng)抗干擾能力，能夠充分滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。

（二）頻率選擇

電力無線專網(wǎng)的可用頻段主要包括230MHz、400MHz、1400MHz、1800MHz等，其中 230MHz為國家無線電管理委員會(huì)批準(zhǔn)使用的電力行業(yè)自有頻段，包括40個(gè)頻點(diǎn)，帶寬1M的頻率資源。本文所述電力專網(wǎng)采用230MHz頻段進(jìn)行組網(wǎng)。

（三）系統(tǒng)架構(gòu)

230MHz電力TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)提供電力終端與業(yè)務(wù)主站間的通信鏈路，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示，包括終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和操作維護(hù)中心。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

終端主要用于對(duì)電力終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，并將業(yè)務(wù)主站的控制命令傳送到電力終端。

接入網(wǎng)提供終端與核心網(wǎng)之間的無線鏈路。

核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)信令控制、數(shù)據(jù)處理和傳輸、通信終端的移動(dòng)性管理、簽約數(shù)據(jù)管理等。

操作維護(hù)中心，提供配置管理、故障管理、性能管理、日志等功能，用于提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率，最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營維護(hù)成本。

三、縣級(jí)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

（一）前期規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，可用典型的鏈路預(yù)算的方法初步計(jì)算網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離。基站和終端之間的路徑損耗采用Okumura-Hata模型計(jì)算，該模型給出了城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村等典型環(huán)境下的路徑損耗計(jì)算公式。對(duì)于縣級(jí)電力覆蓋區(qū)域，采用農(nóng)村地區(qū)的典型信號(hào)傳播公式：

其中：

L：為路徑損耗，單位是dB；

fc：為系統(tǒng)工作頻率，單位是MHz，取值230MHz；

hb：為基站有效天線高度，單位是米，取值40米；

hm：為接收天線有效高度，單位是米，取值3米;

d：為傳輸距離，單位是km；

a（hm）為有效移動(dòng)天線修正因子，和接收天線高度有關(guān)；

圖2 路徑損耗與傳播距離關(guān)系

根據(jù)Okumura-Hata模型，圖2給出了230MHz電力無線專網(wǎng)在縣域環(huán)境下的最大路徑損耗與傳播距離關(guān)系，可以看出當(dāng)最大損耗為130dB時(shí)，可傳播5km。

（二）建設(shè)案例

電力無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)至少需建設(shè)一套核心網(wǎng)設(shè)備、一座無線通信基站和一套eOMC網(wǎng)管設(shè)備。核心網(wǎng)和網(wǎng)管設(shè)備通常安裝于電力公司大樓通信機(jī)房，基站安裝于電力公司樓頂或者變電站樓頂?shù)任恢?，其八向天面圖如圖3所示。核心網(wǎng)與基站之間采用電力光纜相連接，基站采用單扇區(qū)全向天線?？蔀榧彝ビ秒娦畔⒉杉?、充電樁信息采集、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)提供通信通道。

圖3 基站天面方向圖

四、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

本測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及無線專網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，驗(yàn)證了通信信道質(zhì)量、業(yè)務(wù)運(yùn)行能力、數(shù)據(jù)傳輸可靠性以及不同場(chǎng)景下衰減的情況。在無線專網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中測(cè)試電力無線專網(wǎng)覆蓋極限能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)。綜合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的測(cè)試情況，全面評(píng)估了電力無線專網(wǎng)系統(tǒng)的通信能力以及業(yè)務(wù)承載能力。

（一）室內(nèi)測(cè)試

1.測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境主要由業(yè)務(wù)主站、核心網(wǎng)EPC、交換機(jī)、網(wǎng)管eOMC、接入網(wǎng)eNodeB、通信終端UE和電力業(yè)務(wù)終端構(gòu)成，連接關(guān)系如圖4所示。其中業(yè)務(wù)主站和EPC之間、交換機(jī)和EPC之間、交換機(jī)和網(wǎng)管eOMC之間、eNodeB和交換機(jī)之間均可采用以太網(wǎng)連接，UE和eNodeB之間采用無線連接，UE和電力業(yè)務(wù)終端采用符合電力通信規(guī)約的有線方式連接，詳見圖4。

2.傳輸可靠性測(cè)試

測(cè)試目的：對(duì)已經(jīng)安裝的UE，長時(shí)間觀察通信誤塊率（BLER），分析系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

測(cè)試條件：eNodeB、終端、EPC設(shè)備工作正常；終端已注冊(cè)成功。

圖4 室內(nèi)基本測(cè)試環(huán)境

測(cè)試過程：已經(jīng)安裝的3個(gè)UE正常運(yùn)行；每30分鐘對(duì)每個(gè)UE所在的信道進(jìn)行信道誤塊率BLER監(jiān)測(cè)，并記錄結(jié)果；持續(xù)一周以上，并記錄數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)傳輸可靠性。

預(yù)期結(jié)果：正常情況下，系統(tǒng)傳輸信道的誤塊率應(yīng)低于10%。

測(cè)試結(jié)果：

表1 傳輸信道誤塊率測(cè)試結(jié)果概率分布表

從數(shù)據(jù)結(jié)果分析，三個(gè)UE的傳輸信道BLER都處于系統(tǒng)允許范圍（不大于10%）內(nèi)，符合業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.RRC連接測(cè)試

測(cè)試目的：驗(yàn)證處于空閑模式下的UE在發(fā)起呼叫時(shí)，是否可以正常建立RRC連接。

測(cè)試條件：eNodeB、EPC、UE等設(shè)備可正常通信。

測(cè)試過程：UE處于附著狀態(tài)；UE發(fā)起RRC連接建立。

預(yù)期結(jié)果：信令監(jiān)測(cè)儀上察看消息流程正確；RRC連接成功建立，UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)。

測(cè)試結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，系統(tǒng)中消息流程正確，當(dāng)UE向基站發(fā)起RRC建立請(qǐng)求后，基站與UE之間的RRC連接成功建立，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果。

4.重傳次數(shù)測(cè)試

測(cè)試目的：驗(yàn)證最大重傳次數(shù)的可配置性。

測(cè)試條件：eNodeB、EPC、UE等網(wǎng)元可正常通信，另外配備PC機(jī)、衰減器、射頻線纜。

測(cè)試過程：通過eOMC配置HARQ開關(guān)為打開，并配置最大傳輸次數(shù)為3；UE發(fā)起附著，成功后進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；增加傳輸鏈路衰減，使下載數(shù)據(jù)出現(xiàn)重傳，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)重傳次數(shù)；修改HARQ最大傳輸次數(shù)為5，重復(fù)步驟前述步驟，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)重傳次數(shù)是否和高層配置的相符合；使用命令關(guān)閉HARQ開關(guān)，觸發(fā)重傳后，確認(rèn)沒有重傳發(fā)生。

預(yù)期結(jié)果：能夠正確控制HARQ狀態(tài)和最大重傳次數(shù)的配置。

測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 信令監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)消息流程

表3 重傳次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從重傳次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)最大重傳次數(shù)與設(shè)定值相同，當(dāng)重傳機(jī)制關(guān)閉后，重傳次數(shù)為0，符合預(yù)期結(jié)果。

5.數(shù)據(jù)包時(shí)延測(cè)試

測(cè)試目的：測(cè)試通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)ping包的時(shí)延大小。

測(cè)試條件：eNodeB、EPC、UE等網(wǎng)元可正常通信。

測(cè)試過程：UE發(fā)起附著，并附著成功；從終端UE側(cè)ping服務(wù)器，ping 100次；記錄每次ping時(shí)延，并計(jì)算出平均時(shí)延；從服務(wù)器側(cè)ping終端UE，ping 100次；記錄每次ping時(shí)延，并計(jì)算出平均時(shí)延。

表4 上下線時(shí)延測(cè)試結(jié)果

圖5 路測(cè)打點(diǎn)圖

預(yù)期結(jié)果：平均時(shí)延小于300ms。

測(cè)試結(jié)果見表4。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，上行平均時(shí)延為223ms，下行平均時(shí)延為205ms，均滿足預(yù)期結(jié)果。

（二）外場(chǎng)測(cè)試

1.信號(hào)覆蓋路測(cè)

外場(chǎng)信號(hào)覆蓋測(cè)試使用車載路測(cè)系統(tǒng)，圍繞規(guī)劃路線進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試。路測(cè)系統(tǒng)能夠記錄車載終端的GPS時(shí)間、經(jīng)緯度以及信號(hào)強(qiáng)度，并能將GPS時(shí)間、經(jīng)緯度與終端記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行正確關(guān)聯(lián)，為終端記錄數(shù)據(jù)提供地理位置信息。

某縣級(jí)電力無線專網(wǎng)路測(cè)打點(diǎn)圖如圖5所示，從信號(hào)強(qiáng)度圖可以看出，基站附近的信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，高于-70dBm，離基站較遠(yuǎn)的無遮擋區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度也較強(qiáng)，局部有建筑遮擋區(qū)域的信號(hào)較弱，但不影響終端接入系統(tǒng)。

2.業(yè)務(wù)道路測(cè)試

以用電信息采集為測(cè)試業(yè)務(wù)，選擇信號(hào)強(qiáng)度在[-50dBm，-110dBm]之間的多個(gè)定點(diǎn)位置，反復(fù)測(cè)試用電信息采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。測(cè)試結(jié)果表明信號(hào)強(qiáng)度在[-50dbm，-105dbm]之間是用電信息采集業(yè)務(wù)成功率非常高，信號(hào)強(qiáng)度在[-100dbm，-110dbm]之間抄表業(yè)務(wù)偶爾會(huì)出現(xiàn)抄表時(shí)間延遲而失敗的現(xiàn)象。

五、總 結(jié)

電力無線專網(wǎng)作為光纖通信的有效補(bǔ)充，解決網(wǎng)絡(luò)末梢終端的通信接入，適合終端數(shù)量少且分布不集中的縣級(jí)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文給出了電力無線專網(wǎng)的規(guī)劃方法，并以建設(shè)案例介紹了電力無線專網(wǎng)的建設(shè)和測(cè)試情況。測(cè)試結(jié)果表明，電力無線專網(wǎng)可為用電信息采集等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供可靠的通信通道。

［1］曹津平，劉建明，李祥珍.基于230MHz電力專用頻譜的載波聚合技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，（12）.

［2］劉勇，周新力，金慧琴.電波傳播預(yù)測(cè)模型分析與研究［J］.艦船電子工程，2011，（7）.

李垠韜，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京，100007；袁衛(wèi)國，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京，100007；宋偉，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京，100007；常沛，國網(wǎng)電科院深國電公司，北京，100071

TM 727

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1007-7723（2014）05-0020-0004