智能電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式研究

王庭鈞 馬慶峰 劉雪冰 徐磊

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式一直存在網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定、效果差的問題，對(duì)智能電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式重新進(jìn)行分析研究。在給出TD?LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，分析其固有問題原因，并通過分析TD?LTE網(wǎng)絡(luò)OFDMA技術(shù)模式和MIMO技術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)以電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況為對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用改進(jìn)電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)，QPSK覆蓋半徑約是64QAM的3.8倍，16QAM的覆蓋半徑約是64QAM的2.55倍；既是在不同區(qū)域使用，其覆蓋半徑受環(huán)境影響概率較小，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng)； TD?LTE網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)模式優(yōu)化； 覆蓋半徑； MIMO技術(shù)； OFDMA技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）20?0093?04

Abstract： As the traditional TD?LTE network mode of the power grid has long?term existing problems of unstability and poor effect in network communication， the TD?LTE network mode of the smart grid is reanalyzed and studied. On the basis of presenting the structure diagram of the TD?LTE network， the reasons of its inherent problems are analyzed. The TD?LTE network mode optimization of the smart grid is realized by analyzing the OFDMA technology mode and MIMO technology mode of the TD?LTE network. A verification experiment was carried out by means of coverage status comparison for TD?LTE network of the power grid. The results show that， when the improved TD?LTE network mode of the power grid is used， the coverage radius of QPSK is about 3.8 times that of 64QAM， the coverage radius of 16QAM is about 2.55 times that of 64QAM， and there exists small probability that the coverage radius can be affected by the environment， which has a certain advantage.

Keywords： smart grid； TD?LTE network； network mode optimization； coverage radius； MIMO technology； OFDMA technology

0 引 言

在互聯(lián)網(wǎng)終端迅速發(fā)展的背景下，人們關(guān)于手機(jī)終端上網(wǎng)速度變慢的呼聲日益高漲，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)速度也在持續(xù)改進(jìn)中，但對(duì)現(xiàn)在越來越龐大的上網(wǎng)群體而言，使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)卡頓，為此改善TD?LTE上網(wǎng)速度的研究將被提上日程。TD?LTE（Time Division Long Term Evolution）是當(dāng)前使用最為廣泛的移動(dòng)通信技術(shù)，具有分時(shí)長期演進(jìn)的特點(diǎn)。與3G技術(shù)相比，用戶的上網(wǎng)速度由原來的2.0 MB/s提高至120 MB/s，并且在延時(shí)、高峰期網(wǎng)速等方面改善效果顯著，使用戶的使用感提高，實(shí)現(xiàn)了各種終端之間的隨時(shí)對(duì)接。

在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，TD?LTE作為我國主導(dǎo)的主流技術(shù)，集成了適用于寬帶移動(dòng)通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M(jìn)技術(shù)，TDD技術(shù)靈活地改變傳輸信息上下行間的間隙，完善兩行之間的間隙比例，減少傳輸信息上下行業(yè)務(wù)比例出現(xiàn)偏差的情況，在最大程度上做到高效利用傳輸頻率資源。在實(shí)際環(huán)境中，信道傳播形式多變且繁雜，使用智能天線會(huì)造成導(dǎo)頻資源的流失，現(xiàn)有方法是通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，充分了解多種傳輸模式的性能來解決流失問題，這種方式能夠讓各個(gè)傳輸模式間達(dá)到自適應(yīng)狀態(tài)，將TD?LTE網(wǎng)絡(luò)性能發(fā)揮到最好，因此引進(jìn)不同的多天線傳輸模式來改進(jìn)電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式，從而提高電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，降低了受環(huán)境影響的概率。

1 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)體系分析及問題研究

1.1 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)體系分析

將TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的功能體系劃分為演進(jìn)型的陸地?zé)o線接入網(wǎng)（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E?UTRAN）、用戶設(shè)備（User Equipment，UE）和演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC），其中E?UTRAN用于管理無線通信。TD?LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 智能電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式固有問題分析

電網(wǎng)屬于城市不可或缺的設(shè)備，但分布環(huán)境不統(tǒng)一，在生態(tài)環(huán)境與建設(shè)成本可持續(xù)發(fā)展的要求下，選擇了在地形特殊的地區(qū)修筑電網(wǎng)線路，如人口密集的繁華城區(qū)、人口稀少的城市郊區(qū)等。正因如此電網(wǎng)所處的復(fù)雜地形地貌和人口分布情況，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋難度倍加。

在我國復(fù)雜地理環(huán)境下，對(duì)電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及覆蓋問題列出不同的解決方案。無線信號(hào)的發(fā)送方法、距離和覆蓋范圍大小皆收到所處環(huán)境類型不同的影響。

2 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式分析

由于TD?LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜資源的需求較少，頻譜資源利用比FDD?LTE要高，所以可以有效利用離散頻率資源。雖然目前的電網(wǎng)自身頻率資源有限，但是可以構(gòu)建特有的TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式，專用于電網(wǎng)領(lǐng)域。

TD?LTE是TDD版本的LTE的技術(shù)，即OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，其不同的頻段下智能電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式均有變化，當(dāng)在A頻段時(shí)，多被3G網(wǎng)絡(luò)占用，TD?LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法再利用了；而在TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式建設(shè)過程中，也有D頻段和F頻段的使用，其中D頻段主要用于室外網(wǎng)絡(luò)的使用，E頻段主要用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)；F頻段多為3G網(wǎng)絡(luò)的頻段，現(xiàn)也可以作為TD?LTE網(wǎng)絡(luò)頻段使用，增加TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式種類，添加TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式需要增加保護(hù)頻帶，同時(shí)頻譜資源利用率需要增加，降低干擾。原有頻段的TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式已無法滿足現(xiàn)有電網(wǎng)需求，綜合分析來看，最適宜電網(wǎng)的TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式有 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)OFDM技術(shù)模式和TD?LTE網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)模式。

這兩種模式在使用過程中，LTE到TD之間的切換是否成功直接影響TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式的使用，其切換流程如圖2所示。在轉(zhuǎn)換過程中，UE向eNodeB發(fā)送Measurement Report，則eNodeB會(huì)將得到的Mobility From EUTRA Command 消息通知返回給UE，eNodeB經(jīng)過一系列操作達(dá)到B點(diǎn)，并將UE CONTEXTRELEASE COMMAND經(jīng)由B點(diǎn)發(fā)出。當(dāng)eNodeB向自身傳送Harcover Decide后，達(dá)到A點(diǎn)，將A點(diǎn)的HANDOVER REEDURED和HANDOVER COMMAND命令向NME切換，同時(shí)統(tǒng)計(jì)出執(zhí)行連接次數(shù)；經(jīng)過命令的反復(fù)傳達(dá)，基站收到來自NME的終端初始上下文釋放消息，此時(shí)說明UE已經(jīng)成功接入到網(wǎng)絡(luò)。

2.1 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)OFDMA技術(shù)模式分析

TD?LTE網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)使用時(shí)引入了FDMA方式中的OFDMA的調(diào)制技術(shù)，與普通的方式比具有明顯優(yōu)勢(shì)：其帶寬擴(kuò)展性較強(qiáng)，抗頻率選擇性衰落能力增加，可實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的接收機(jī)。接收機(jī)結(jié)構(gòu)為發(fā)射機(jī)的逆過程，OFDMA的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式多采用OFDM方式將高速率數(shù)據(jù)符號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換調(diào)制成M路并行子載波。增大每一路子載波的符號(hào)持續(xù)時(shí)間，并使得每一路子載波的符號(hào)持續(xù)時(shí)間大于信道的時(shí)延擴(kuò)展。

除了利用OFDM調(diào)制本身的特性消除ISI之外，為了能夠完全消除ISI，選擇的CP長度要遠(yuǎn)大于所支持的信道沖擊響應(yīng)的最大時(shí)延。

2.2 TD?LTE網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)模式分析

采用MIMO技術(shù)的TD?LTE網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行通信時(shí)MIMO技術(shù)支持下行天線數(shù)是2×2，也就是兩條天線發(fā)送和兩條天線接收，下行天線支持兩條發(fā)送天線和一條接收天線的組合。TD?LTE網(wǎng)絡(luò)中的多天線技術(shù)主要包括層映射、預(yù)編碼、分散發(fā)射等。電網(wǎng)中TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送方式是根據(jù)8種天線傳輸模式的信道情況進(jìn)行選擇的，規(guī)定的8種天線傳輸模式如表1所示。

2.3 智能電網(wǎng)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式優(yōu)化分析

優(yōu)化過程有以下幾步：全網(wǎng)優(yōu)化完成后質(zhì)量評(píng)估值收集；優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)變化對(duì)比；優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)后速率評(píng)估報(bào)告；全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評(píng)估報(bào)告。無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證改進(jìn)TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式的有效性，采用仿真軟件模擬各階段得出的網(wǎng)絡(luò)配置和參數(shù)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的情況。通過仿真可以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)模式是否能夠滿足建網(wǎng)區(qū)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求。仿真驗(yàn)證過程中，采用230 MHz帶寬，站型配置為S111，載波帶寬20 MHz，室內(nèi)分布系統(tǒng)載波帶寬為20 MHz，特殊場(chǎng)景采用2個(gè)10 MHz頻點(diǎn)異頻組網(wǎng)。

3.2 不同模式覆蓋效果分析

TD?LTE網(wǎng)絡(luò)主要調(diào)制方式為QPSK，16QAM，64QAM，其編碼效率、解調(diào)門限和覆蓋距離有差異。其中傳輸速率：64QAM>16QAM>QPSK，解調(diào)門限：64QAM>16QAM>QPSK；覆蓋距離：64QAM<16QAM

通過不同場(chǎng)景傳播模型的鏈路預(yù)算，得到覆蓋半徑，來對(duì)比TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的230 MHz約為1 800 MHz頻段半徑的3倍，因此230 MHz TD?LTE 網(wǎng)絡(luò)模式覆蓋能力較廣。對(duì)于同一種頻段的TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式而言，下面從調(diào)制方式、應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)方面做對(duì)比分析，如表2所示。

從調(diào)制方式來看，230 MHz TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式其信道可以依據(jù)信道條件自動(dòng)采用不同的調(diào)制方式和碼率，調(diào)制階數(shù)越高，碼率越大，230 MHz TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式下吞吐量越大，解調(diào)門限高，響應(yīng)的整個(gè)覆蓋距離會(huì)越小。以QPSK，16QAM，64QAM三種調(diào)制方式為例，64QAM的調(diào)制階數(shù)最高，所以覆蓋半徑最小，QPSK的覆蓋半徑約為64QAM的3.8倍，16QAM的覆蓋半徑約為64QAM的2.55倍。

從不同場(chǎng)景來看，城區(qū)由于建筑群較密集，信號(hào)傳播的鏈路損耗較大，而郊區(qū)和農(nóng)村則比較開闊，稍有障礙物，230 MHz TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式運(yùn)行較好，可以做到覆蓋范圍廣，原因是使用了自適應(yīng)高階調(diào)制，且工作頻段低、解調(diào)性能好，當(dāng)遇到信道質(zhì)量較優(yōu)、傳播環(huán)境較好的情形，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋。

4 結(jié) 論

綜上所述，不同TD?LTE網(wǎng)絡(luò)模式具有各自的優(yōu)點(diǎn)。第一，由于采用不同的編碼調(diào)制方式，尤其是如64QAM這種高階調(diào)制，可以很好地提高數(shù)據(jù)傳輸速率；第二，采用載波聚合技術(shù)將零散的頻點(diǎn)資源整合并加以利用，提高了頻譜資源利用率。