TD—LTE電力專網(wǎng)230MHz與1.8GHz的研究

蔡根++張健明++楊大成

摘要：本文介紹了TD-LTE電力專網(wǎng)在230MHz和1.8GHz兩個頻段的覆蓋能力和網(wǎng)絡(luò)承載能力的研究。TD-LTE是一種成熟的4G通信技術(shù)，在國內(nèi)外已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模商用。隨著智能電網(wǎng)對通信要求的不斷提高，組建TD-LTE電力專網(wǎng)也成為當(dāng)下熱門的研究課題。本文首先介紹了電力專網(wǎng)的特點，然后對比研究了230MHz和1.8GHz兩個頻段的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和業(yè)務(wù)承載能力。最后使用UNET仿真規(guī)劃軟件對廣州市電力專網(wǎng)進行仿真規(guī)劃，結(jié)合仿真結(jié)果對比了兩種頻段電力專網(wǎng)的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：TD-LTE；電力專網(wǎng)；230MHz；1.8GHz

中圖分類號：TP929

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.12.020

本文著錄格式：蔡根，張健明，楊大成.TD-LTE電力專網(wǎng)230MHz與1.8GHz的研究[J].軟件，2015，36（12）：83-88

0 引言

目前國內(nèi)TD-LTE電力無線專網(wǎng)豐要采用230MHz和1.8GHz兩個頻段進行組網(wǎng)，其中1.8GHzTD-LTE運行在1786-1805MHz頻段內(nèi)，占用的帶寬為5MHz，符合國際3GPP組織的4G標(biāo)準(zhǔn)。LTE230是中國普天針對中國特有的頻譜劃分研制的私有技術(shù)協(xié)議，使用了223.025-235.OOOMHz頻段，該系統(tǒng)運行在國家無線電管理局原先分給電力行業(yè)數(shù)傳電臺使用的在230MHz頻段40個離散頻點，每個頻段占用帶寬25KHz。這兩種電力專網(wǎng)技術(shù)都是在中國特有的頻譜分配背景下誕牛的，在國內(nèi)缺少針對這兩種技術(shù)的對比研究，國外基本上沒有這方面的研究。本文豐要對比分析兩種組網(wǎng)方案的覆蓋能力和業(yè)務(wù)承載能力，并利用UNET仿真軟件進行仿真說明。

1 電力專網(wǎng)簡介

電力專網(wǎng)是用于電力監(jiān)控系統(tǒng)、電力通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的專有通信網(wǎng)絡(luò)。電力專網(wǎng)的要求豐要包括：通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、通信權(quán)限分級、集群調(diào)度功能。

1.1 典型電力場景

城市區(qū)域內(nèi)的工業(yè)及居民用戶用電的llOkV及以下餓配電網(wǎng)稱為城市配電網(wǎng)。城市配電網(wǎng)一般沿城市市政道路沿線呈網(wǎng)狀分布，配用電終端分布密集，受季節(jié)和日常影響大。需要進行通信傳輸?shù)纳闲袛?shù)據(jù)量大，且傳輸類型復(fù)雜。在單機站范圍內(nèi)，上行鏈路負(fù)荷大，成為限制覆蓋范圍的豐要因素。

在密集城區(qū)，單基站范圍內(nèi)用電情況基本相同，基站中心和邊緣處數(shù)據(jù)傳輸量差異不大，因此需要有較高的邊緣覆蓋質(zhì)量，單基站覆蓋范圍相對最小。在一般城區(qū)，城區(qū)中心處用電集中，邊緣處相對分散，因此單基站若選在用電集中處對邊緣覆蓋質(zhì)量要求可降低。郊區(qū)用電特點呈零星分布，單基站范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量相對最小，傳輸質(zhì)量要求相對均衡，因此單基站覆蓋范圍相對最大。

1.2 電力專網(wǎng)業(yè)務(wù)

電力專網(wǎng)的豐要業(yè)務(wù)包括配電通信業(yè)務(wù)、用電通信業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)和電力電纜業(yè)務(wù)。

配電牛產(chǎn)業(yè)務(wù)在電力系統(tǒng)中豐要負(fù)責(zé)配電設(shè)備的遙信、遙控和遙測功能，而用電業(yè)務(wù)主要負(fù)責(zé)用電信息采集和負(fù)荷管理。配電自動化涉及到的配電設(shè)備種類包括柱上開關(guān)、開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站和柱上變壓器等，每種配電設(shè)備上的業(yè)務(wù)按照其種類義可以分為四大類：遙信、遙測、遙控和電度量。

用電業(yè)務(wù)豐要是采集電網(wǎng)的用電情況數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同，對應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量也不同，豐要有以下五種：實時數(shù)據(jù)采集、召測、下行控制指令、參數(shù)設(shè)置和事件上傳。電力用戶用電信息采集豐要包括定時自動采集信息、人工召測信息、豐動上報信息、遠(yuǎn)方控制信息以及參數(shù)設(shè)置信息。

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)是對電網(wǎng)中重要位置進行監(jiān)控。

電力電纜監(jiān)測豐要是采用專用設(shè)備終端對電纜的狀態(tài)信息進行收集和上傳，終端的相關(guān)參數(shù)豐要有周期上傳的數(shù)據(jù)幀、上傳周期、突發(fā)告警數(shù)據(jù)幀和突發(fā)告警概率。

2 230MHz和1.8GHz的對比

2.1 頻段特點

230MHz頻段豐要用于數(shù)據(jù)傳輸，共12MHz帶寬，其中電力系統(tǒng)擁有全國范圍內(nèi)40個頻點共IMHz的頻帶資源，屬于電力專有的頻點資源，在帶寬內(nèi)無干擾，相鄰頻率的干擾源較少，相鄰頻譜的使用率低。LTE 230系統(tǒng)具有覆蓋廣、容量大、頻譜效率高、頻譜適應(yīng)性強、安全性高、可靠性好、部署擴展平滑等特點。與高頻段相比，其信號傳播距離遠(yuǎn)，繞射能力強；更加高效的終端發(fā)射機技術(shù)和高靈敏度的接收機技術(shù)，大大提升了系統(tǒng)的覆蓋能力，可實現(xiàn)大范圍高質(zhì)量的無線覆蓋。

1.8GHz頻段是我國用于各行業(yè)專網(wǎng)組建的頻段，目前由運營商、政府、機場、港口、交通運輸?shù)榷鄠€行業(yè)共同使用，在多行業(yè)共存時存在較大的干擾。同時跟其他制式如GSMl.8GHz、FDD系統(tǒng)存在鄰頻干擾，在使用時帶外干擾較大且干擾源分布廣泛。需要預(yù)留出5MHz的保戶帶寬。1.8GHz屬于高頻段，傳播損耗較大，覆蓋能力弱，受到天氣、地形等因素影響較大。

2.2 傳播模型

230MHz頻段選用的傳播模型為SPM模型，SPM模型建立在COST231.HATA模型基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)表達式為：

其中，ht為基站高度，Ldiff為衍射損耗，Kl表示與頻率相關(guān)的因子，默認(rèn)值為12.4： K2表示距離衰減因子，默認(rèn)值為44.9；K3表示基站發(fā)射天線高度相關(guān)因子，默認(rèn)值為5.83；K4表示與衍射計算相關(guān)的因子，默認(rèn)值為0.4；K4表示與發(fā)射天線有效高度和距離相關(guān)的因子，默認(rèn)值為-6.55；K6表示移動終端高度相關(guān)因子，默認(rèn)值為0；K6表示地貌相關(guān)因子，默認(rèn)值為1；d表示收發(fā)間的距離。

1.8GHz選用的傳播模型為COST231-Hata模型，COST231-Hata模型是EURO-COST組成的COST工作委員會開發(fā)的Hata模型的擴展版本，應(yīng)用頻率在1500-2000MHz之間，適用于小區(qū)半徑大于1km的宏蜂窩系統(tǒng)，發(fā)射有效天線高度在30-200m之間，接收有效天線高度在1-10m之間。COST23l-Hata模型路徑損耗計算的經(jīng)驗公式為：

在COST231-Hata模型上根據(jù)路測數(shù)據(jù)對C_M此項參數(shù)使用最小二乘法進行校止使之成為半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，即為我們使用的校止后模型，它能更?zhǔn)確得出各城市的鏈路損耗。

2.3 覆蓋能力

TD-LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力受到多種因素的影響，豐要有目標(biāo)速率、用戶RB資源分配、調(diào)制編碼方式、天線類型、系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)等。在進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，需要考慮小區(qū)的最大上下行覆蓋距離是否滿足要求。同時根據(jù)電網(wǎng)終端的分布情況，將通信場景分為城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村三種場景，分別對這三種場景下的傳播模型進行校正，利用校正后的傳播模型分別對兩種頻段進行鏈路損耗的計算，從而得到兩種頻段下各制式各場景的小區(qū)覆蓋半徑。

TD-LTE的調(diào)制方式有QPSK、16QAM和64QAM三種，對應(yīng)的最低CQI等級分別為4、8、13，等效SINR分別為-0.88dB、6.432dB和15.8ldB。進行單機站覆蓋能力計算前基站和移動臺參數(shù)設(shè)置如表1所示。

進行鏈路預(yù)算時選用的傳播模型為SPM模型，數(shù)學(xué)表達式為：

其中，h_t為基站高度，L_diff為衍射損耗，K₁-K₆為各項需要進行校正的參數(shù)。利用上述公式分別對城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村的230MHz和1.8GHz的傳播模型進行校正，然后計算得到上行鏈路損耗結(jié)果和小區(qū)基站覆蓋范圍如表2和表3所示。

從上表的對比可以看出，在相同參數(shù)設(shè)置下，不同場景的230MHz系統(tǒng)單機站覆蓋范圍都大于1.8GHz系統(tǒng)。不同場景下，城區(qū)的覆蓋范圍最小，農(nóng)村覆蓋范圍最大。

3 廣州市電力專網(wǎng)規(guī)劃方案對比

3.1 規(guī)劃目標(biāo)

3.1.1 覆蓋目標(biāo)

電力專網(wǎng)的區(qū)別在于指標(biāo)的要求，對吞吐率沒有優(yōu)先要求，對覆蓋率和可靠性有較高要求。參考TD-LTE規(guī)模試驗網(wǎng)中的指標(biāo)要求，結(jié)合無線電力專網(wǎng)實際情況，研究確定覆蓋規(guī)劃中需要考察的指標(biāo)，至少應(yīng)包括以下指標(biāo)：

無線接通率：基本目標(biāo)>95%；挑戰(zhàn)目標(biāo)>97%。

掉線率：基本目標(biāo)<4%；挑戰(zhàn)目標(biāo)<2%。

覆蓋區(qū)內(nèi)無線可通率：要求在TD-LTE網(wǎng)無線覆蓋區(qū)90%位置內(nèi)，99%的時間移動臺可接入網(wǎng)絡(luò)。

塊差錯率目標(biāo)值（BLER Target）：電力專網(wǎng)中的業(yè)務(wù)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為豐，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為l0%。

同時在線用戶數(shù)：需要優(yōu)先考慮的指標(biāo)

小區(qū)邊緣吞吐量：考慮到電力專網(wǎng)終端對流量要求并不嚴(yán)苛，只要能夠保證最差情況滿足最低要求即可。

3.1.2 容量目標(biāo)

質(zhì)量目標(biāo)豐要是針對用戶的業(yè)務(wù)感知，能否提供用戶良好的業(yè)務(wù)感知能夠很好的反映網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的質(zhì)量從用戶面說，業(yè)務(wù)豐要分為話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，話音業(yè)務(wù)的質(zhì)量可從連續(xù)、傳輸和保持3個方面來衡量；而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的質(zhì)量目前通常采用吞吐量和時延來衡量。在業(yè)務(wù)質(zhì)量中，與無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)質(zhì)量密切相關(guān)的指標(biāo)有接入成功率、忙時擁塞率、接入時延、誤塊率、切換成功率、掉話率等。

3.2 規(guī)劃軟件介紹

在進行規(guī)劃仿真是使用UNet規(guī)劃仿真軟件，該軟件豐要仿真功能分為覆蓋預(yù)測和容量仿真兩個部分。包含的功能支持模塊有：地理信息系統(tǒng)，提供電子地圖導(dǎo)入，存儲基站、終端位置信息等功能；天線傳模系統(tǒng)，實現(xiàn)天線參數(shù)設(shè)置和傳播模型校正等功能；網(wǎng)元子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在仿真計算過程中初始化參數(shù)配置；用戶界面子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶對軟件使用的界面管理功能；業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)仿真業(yè)務(wù)的設(shè)置和用戶分布地圖的牛成。

使用UNet網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具對廣州市豐要城區(qū)范圍進行電力專網(wǎng)規(guī)劃對比分析，分別進行覆蓋預(yù)測和容量仿真的仿真。使用UNet仿真規(guī)劃的流程如下：

（l）導(dǎo)入電子地圖，初始化參數(shù)設(shè)置，包括基站參數(shù)、移動端參數(shù)、傳模參數(shù)和業(yè)務(wù)參數(shù)。

（2）按照規(guī)劃有求進行布站，根據(jù)密集城區(qū)、城區(qū)和郊區(qū)的不同分別以不同的距離進行布站，并設(shè)置相應(yīng)的基站參數(shù)。

（3）進行覆蓋預(yù)測的仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對基站數(shù)量和位置進行調(diào)整，直到達到覆蓋指標(biāo)要求。

（4）根據(jù)配用電業(yè)務(wù)用戶的比例建立不同的業(yè)務(wù)地圖，設(shè)置容量仿真參數(shù)進行仿真。

（5）根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整配用電業(yè)務(wù)用戶比例和仿真參數(shù)，直到容量仿真結(jié)果滿足規(guī)劃要求。

3.3 仿真參數(shù)說明

3.3.1 終端介紹

在規(guī)劃仿真中，仿真終端UE是配用電采集器，采集器通過采集電表脈沖、rs232或rs485等通訊方式采集用電終端和配電終端的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后通過TD-LTE 230專網(wǎng)將電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳到豐站系統(tǒng)。

仿真豐要實現(xiàn)了配電豐站對用電終端和配電終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集，采集六類電力用戶的數(shù)據(jù)：A類是大型專變用戶，B類是中小型專變用戶，C類是三相一般工商業(yè)用戶，D類是單相一般工商業(yè)用戶，E類是居民用戶，F(xiàn)類是公變考核計量點。以及配電網(wǎng)現(xiàn)場的各種配電開關(guān)監(jiān)控終端FTU、配電變壓器監(jiān)測終端TTU、開關(guān)站和公用及用戶配電所的監(jiān)控終端等。

采集器是用于采集多個或單個電能表的用電信息，并可與集中器交換數(shù)據(jù)的設(shè)備，采集器依據(jù)其功能可以分為基本型采集器和簡易型采集器?；拘筒杉鞒蘸蜁捍骐姳頂?shù)據(jù)，并根據(jù)集中器的命令存儲的數(shù)據(jù)上傳給集中器，簡易型采集器直接轉(zhuǎn)發(fā)集中器與電能表間的命令和數(shù)據(jù)。

配電終端一般包括配電開關(guān)監(jiān)控終端FTU、配電變壓器監(jiān)測終端TTU、開關(guān)站和公用及用戶配電所的監(jiān)控終端DTU，F(xiàn)TU：裝設(shè)在lOkV斷路器、負(fù)荷開關(guān)的開關(guān)監(jiān)控裝置。豐要作用是采集各開關(guān)所在線路的電氣參數(shù)，并將信息向上級系統(tǒng)傳輸；監(jiān)視線路運行工況，及時上報線路故障，并執(zhí)行豐站遙控命令。DTU：安裝在常規(guī)開閉站（所）、環(huán)網(wǎng)柜、小型變電站等處的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端。豐要作用是完成開關(guān)設(shè)備的位置信號、有功、電壓等數(shù)據(jù)的采集與計算，并執(zhí)行豐站遙控命令。TTU：裝設(shè)在配電變壓器旁邊，監(jiān)測變壓器運行工況的終端。主要作用是采集并處理配電變壓器低壓側(cè)的各種參數(shù)，并將參數(shù)向上級系統(tǒng)傳輸，監(jiān)視變壓器運行工況，及時上報變壓器故障，還具有就地和遠(yuǎn)方無功補償和有載調(diào)壓的功能。RTU：自動化系統(tǒng)的基本單元，它豐要用于配電系統(tǒng)變壓器、分段器等裝置的監(jiān)視及控制，并與豐站系統(tǒng)通信，提供配電系統(tǒng)運行、管理所需的數(shù)據(jù)，執(zhí)行豐站發(fā)出的指令。

3.3.2 覆蓋預(yù)測

覆蓋預(yù)測過程首先應(yīng)能由單基站覆蓋分析得到覆蓋半徑，再根據(jù)不同的基站扇區(qū)配置，進一步計算得出覆蓋面積，得到對一個覆蓋區(qū)域所需要的基站數(shù)，從而對覆蓋區(qū)域進行合理布站。覆蓋預(yù)測參數(shù)設(shè)置如下表所示。

3.3.3 容量仿真

在容量仿真中，結(jié)合了電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量和采集器所支持的終端數(shù)量，采集業(yè)務(wù)豐要分為兩類，一類是對用電終端數(shù)據(jù)的采集，另一類是對配電終端數(shù)據(jù)的采集，其中由于用電終端和配電終端義分為多種，仿真中按照現(xiàn)網(wǎng)中終端比例獲取用電和配電終端的業(yè)務(wù)量的均值進行仿真。移動終端分別為用電采集器和配電采集器。配用電業(yè)務(wù)仿真參數(shù)設(shè)置如下表所示。

在容量仿真系統(tǒng)中，采用蒙特卡洛仿真方式，每次快照并不接入所有用戶，通過設(shè)置激活因子來調(diào)整仿真中每次快照的實際接入終端數(shù)，激活因子定義為仿真中被服務(wù)的用戶和總的支持用戶數(shù)之比，上行傳輸?shù)呐溆秒姅?shù)據(jù)業(yè)務(wù)激活因子計算如下所示。

3.4 仿真結(jié)果分析

按照上述流程和參數(shù)設(shè)置進行仿真規(guī)劃，覆蓋預(yù)測仿真結(jié)果對比如下。

如圖1所示為廣‘州市電力專網(wǎng)230MHz和1.8GHz的RS RSRP覆蓋仿真結(jié)果。地圖中紅色圈內(nèi)區(qū)域為密集城區(qū)，黑色國內(nèi)為山區(qū)，藍(lán)色圈內(nèi)為一般城區(qū)。其中RSRP大于-llOdBm的區(qū)域?qū)?yīng)圖中綠色區(qū)域，RSRP大于-115dBm的區(qū)域?qū)?yīng)黃色區(qū)域，均為滿足覆蓋要求的區(qū)域，紅色部分為不滿足覆蓋要求的區(qū)域，去除掉山區(qū)不計算，總的RS RSRP覆蓋有效區(qū)域達到了95%。

如圖2所示為廣州市電力專網(wǎng)230MHz和1.8GHz的RS SINR覆蓋仿真結(jié)果。地圖中紅色圈內(nèi)區(qū)域為密集城區(qū)，黑色國內(nèi)為山區(qū)，藍(lán)色國內(nèi)為一般城區(qū)。230MHz布站31個，1.8GHz布站138個。其中SINR大于4dBm的區(qū)域?qū)?yīng)圖中綠色區(qū)域，RSRP大于0的區(qū)域?qū)?yīng)黃色區(qū)域，均為滿足覆蓋要求的區(qū)域，紅色部分為不滿足覆蓋要求的區(qū)域，去除掉山區(qū)不計算，總的RS SINR覆蓋有效區(qū)域達到了99%。

結(jié)合RSRP和SINR的覆蓋結(jié)果可以看出，兩種頻段的布站均達到了覆蓋規(guī)劃的要求。由于230MHz的單基站覆蓋范圍更廣，在相同同區(qū)域內(nèi)進行布站是，230MHz的基站數(shù)遠(yuǎn)小于1.8GHz系統(tǒng)，特別是在密集城區(qū)內(nèi)，1.8GHz受到的干擾更大，單機站覆蓋范圍更小，需要的基站數(shù)更多。

在覆蓋預(yù)測布站結(jié)果的基礎(chǔ)上進行容量仿真，測試規(guī)劃區(qū)域內(nèi)不同配用電業(yè)務(wù)情況下的承載能力，仿真結(jié)果如下。如圖3所示為配用電業(yè)務(wù)共存時的容量仿真用戶分布結(jié)果圖，其中綠色的點為成功接入的用戶，紅色的點為接入失敗的用戶。

表6和表7分別為230Mhz和1.8GHz容量仿真結(jié)果統(tǒng)計。從容量仿真結(jié)果可以看出，在相同區(qū)域內(nèi)，由于1.8GHz頻段擁有更多的可用RB數(shù)，激活因子比230MHz系統(tǒng)小，單機站可以承載的終端數(shù)要多于230MHz，由于覆蓋范圍更小，所需1.8GHz基站數(shù)遠(yuǎn)多于230MHz，在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)能承載的采集終端數(shù)量也遠(yuǎn)多于230MHz。對比純配電、純用電和配用電三種業(yè)務(wù)用戶的仿真結(jié)果可以看出不同業(yè)務(wù)用戶的分布情況符合他們的速率需求。

4 結(jié)論

本文對TD-LTE電力專網(wǎng)在230MHz和1.8GHz頻段的覆蓋能力和配用電采集業(yè)務(wù)的承載能力進行了分析和仿真。可以看出，在進行電力專網(wǎng)規(guī)劃時，相同區(qū)域布站時所需的230MHz基站數(shù)遠(yuǎn)小于1.8GHz，相應(yīng)的規(guī)劃建網(wǎng)成本更低。但由于1.8GHz系統(tǒng)具有更寬的帶寬，更多的是基站數(shù)，所以能夠承載的配用電業(yè)務(wù)采集終端更多。在進行規(guī)劃選擇時，需要結(jié)合規(guī)劃區(qū)域大小和電網(wǎng)業(yè)務(wù)速率需求來選擇兩種頻段方案。