230MHz電力無線專網(wǎng)天線掛高與覆蓋效果的研究

張亦弛，張 暉

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210019）

工信部于9月7日正式印發(fā)了《關(guān)于調(diào)整223-235MHz頻段無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃的通知》（工信部〔2018〕165號(hào)文），明確了7MHz帶寬用于電力等行業(yè)無線數(shù)據(jù)傳輸與能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，為電網(wǎng)公司的230MHz無線通信專網(wǎng)的建設(shè)提供了頻點(diǎn)的政策保障。[1]國家電網(wǎng)通信網(wǎng)規(guī)劃中指出，到“十三五”末，國家電網(wǎng)將初步建成有效覆蓋全網(wǎng)范圍C類國家電網(wǎng)有限公司已開展了電力無線專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)培育、標(biāo)準(zhǔn)制定、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、聯(lián)合創(chuàng)新等建設(shè)前期的準(zhǔn)備工作，其中230MHz無線專網(wǎng)在浙江海鹽、廣州花都等地規(guī)模試點(diǎn)的建設(shè)效果也已得到了驗(yàn)證，目前230MHz無線系統(tǒng)已經(jīng)具備完善的商用能力，后期的進(jìn)一步推廣將成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

相比運(yùn)營商使用的4G網(wǎng)絡(luò)，采用230MHz低頻段的電力無線專網(wǎng)具有覆蓋距離遠(yuǎn)的巨大優(yōu)勢(shì)，能夠減少站點(diǎn)建設(shè)規(guī)模，大大降低投入成本，特別適合廣域覆蓋，能夠滿足各項(xiàng)電力業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、帶寬和可靠性的需求。但目前230MHz無線專網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模還很小，外界機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)其開展的研究相對(duì)有限，同時(shí)電力專網(wǎng)采用的頻段和帶寬與目前移動(dòng)運(yùn)營商采用的仍存在一定的差異，不能簡(jiǎn)單地類比傳統(tǒng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)對(duì)230MHz網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)估，因此迫切需要對(duì)230MHz電力無線專網(wǎng)的性能進(jìn)行研究和探討。在基站的建設(shè)過程中，天線的高度直接影響信號(hào)的覆蓋效果，成為基站規(guī)劃和建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)，必須選擇合適的天線掛高，才能使網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和覆蓋效果最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，本文以Y市為例，研究了不同供電等級(jí)區(qū)域內(nèi)230MHz通信基站天線掛高與其覆蓋效果之間的聯(lián)系，為后期230MHz電力無線專網(wǎng)的建設(shè)提供一定的參考。

1 理論模型

1.1 最大路徑損耗

無線信號(hào)傳播過程為BBU→饋線→跳線→天線→無線環(huán)境→終端設(shè)備。[2]在整個(gè)信號(hào)傳播過程，無線信號(hào)受多種影響因素的共同作用呈衰落趨勢(shì)。一個(gè)基站的覆蓋能力受到基站設(shè)備發(fā)射功率、天線增益、無線傳播的空間損耗及終端的靈敏度等多方面決定，一般地有以下公式進(jìn)行定量分析和計(jì)算：

式中，Pr為終端的接收電平；Pt為最大發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線的增益；PL為電磁波傳播的空間損耗；Gr為接收天線的增益；Lc為綜合損耗。

通常情況下，接收端接收的信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)不小于能夠正確地把有用信號(hào)拿出來的最小接收功率，即接收機(jī)的靈敏度。因此，當(dāng)無線基站和終端確定時(shí)，即接收機(jī)靈敏度、最大發(fā)射功率、發(fā)射/接收天線增益確定，取一定的綜合損耗作為冗余后，即可得出該無線系統(tǒng)空間在保持一定的通信質(zhì)量時(shí)在傳播中所能允許的最大損耗，即：

1.2 鏈路預(yù)算

覆蓋范圍與傳播過程中的各種路徑損耗、鏈路平衡和天線高度等因素有關(guān)，這些因素相互影響、作用。[3]如何優(yōu)化各影響參數(shù)，確定每個(gè)基站電磁波傳播的最大距離，獲得最優(yōu)的覆蓋效果，便是鏈路預(yù)算的工作內(nèi)容。

對(duì)于平坦地形上的鏈路預(yù)算普遍采用COST231-Hata模型，由COST231-Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：[4]

式中，fc為載波頻率，取230MHz；CM為大城市中心校正因子：

hre為手持終端高度，取1.5m；α（hre）為天線校正因子，α（hre）=（1.1logfc-0.7）×hre-（1.56logfc-0.8）；hte為 天 線 掛 高 ；Ccell，Cterrain，CM均為不同場(chǎng)景下選擇的常量；d為傳播距離。

不難得出，當(dāng)最大路徑損耗、載波頻率、終端高度一定時(shí)，傳播距離與天線掛高之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中，A為常數(shù)。由此看出，基站覆蓋半徑與天線掛高的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，圖1給出了兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可見隨著天線掛高的增加，基站能夠?qū)崿F(xiàn)最大覆蓋半徑的增加，即天線掛高越高覆蓋距離就越遠(yuǎn)。

圖1 不同天線掛高（m）對(duì)基站覆蓋半徑（km）的數(shù)學(xué)關(guān)系

但通過對(duì)天線高度增加產(chǎn)生的增益的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不同站高下增加天線掛高，產(chǎn)生的增益是不同的，呈邊際遞減趨勢(shì)。當(dāng)天線掛高在55米以上時(shí)，天線掛高增加帶來的增益減小，同時(shí)相應(yīng)的成本也在增加，而帶來的經(jīng)濟(jì)效益卻很小，因此從鏈路預(yù)算的理論上分析得出，不能一味通過增加天線高度的方式來增加信號(hào)的覆蓋效果。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 單基站覆蓋能力預(yù)測(cè)

利用仿真軟件以及Y市50米精度的仿真地圖對(duì)Y市供電區(qū)域內(nèi)A、B、C、D四種供電等級(jí)內(nèi)的無線基站覆蓋能力進(jìn)行仿真，選取位置理想的配變電站作為典型基站點(diǎn)位，模擬出周圍實(shí)際環(huán)境，以230MHz網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)不同供電等級(jí)內(nèi)基站的覆蓋半徑進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出天線掛高增加對(duì)站點(diǎn)覆蓋半徑的關(guān)系如表1所示：

表1 四類供電區(qū)域典型覆蓋半徑與天線掛高（單位：千米）

由表1可以看出，每類區(qū)域中隨著天線掛高的增加，單個(gè)基站能夠覆蓋的范圍逐漸擴(kuò)大，但每種供電等級(jí)內(nèi)覆蓋效果的增益有所區(qū)別，如圖2所示：

圖2 四類供電區(qū)域典型覆蓋半徑與天線掛高變化趨勢(shì)圖（單位：千米）

可見，D類區(qū)域內(nèi)的天線掛高對(duì)于基站覆蓋能力趨勢(shì)線最為陡峭，效益最大，D類區(qū)域基本為廣袤農(nóng)村地區(qū)，遮擋物少，適當(dāng)增加天線高度對(duì)覆蓋范圍的提升效果明顯，因此覆蓋效果在天線掛高在[40，50]米這個(gè)區(qū)間內(nèi)的增長顯著，但當(dāng)天線高度超過50米之后趨于平緩，增加的效益開始減少，55米以后通過增加天線掛高所能帶來的覆蓋收益很小。相對(duì)地，A類、B類地區(qū)基本處于城市密集區(qū)域，樓宇較多，信號(hào)被遮擋，能量容易被建筑物、車輛、人體吸收，損耗較大，因此產(chǎn)生的效益很小，通過提升天線高度來改善覆蓋的效果不明顯。

2.2 對(duì)覆蓋質(zhì)量的影響

隨著天線掛高的增加，除帶來覆蓋范圍的擴(kuò)展之外，也會(huì)帶來一些負(fù)面的影響，并且這種影響也難以忽視，需要進(jìn)行權(quán)衡。

2.2.1 信號(hào)質(zhì)量惡化

由于基站發(fā)射功率一定，覆蓋區(qū)域的增加，相當(dāng)于對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了“稀釋”，導(dǎo)致原先接收良好的區(qū)域信號(hào)質(zhì)量有了惡化，信號(hào)優(yōu)良（RSRP Level≥-95dBm）的區(qū)域變小，會(huì)對(duì)移動(dòng)終端的上行速率、收發(fā)成功率產(chǎn)生不利影響，造成“丟包”、“掉話”情況的出現(xiàn)，影響接入網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。以A類區(qū)域內(nèi)的興慶110kV變電站為例，圖3為該站點(diǎn)天線掛高由30米逐漸提升至50米時(shí)，無線信號(hào)質(zhì)量的仿真。

圖3 興慶110kV變電站天線掛高覆蓋效果對(duì)比圖

由圖3可見，當(dāng)掛高30、35米時(shí)，信號(hào)優(yōu)良（RSRP Level≥-95dBm）的區(qū)域出現(xiàn)在基站附近，40米以后信號(hào)整體質(zhì)量逐漸下降，如RSRP Level≥-95dBm區(qū)域已基本消失，覆蓋質(zhì)量按信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)匯總后如圖4所示：

圖4 興慶110kV變電站覆蓋質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖（左：掛高30米，右：掛高50米）

信號(hào)普通（RSRP Level≥-105dBm）的各類區(qū)域占總體覆蓋區(qū)域的比例均出現(xiàn)了下降，如信號(hào)強(qiáng)度在區(qū)間[-85，-95]內(nèi)的覆蓋比例從掛高30米時(shí)的4.61%下降至掛高50米時(shí)的0.60%。

2.2.2 出現(xiàn)“越區(qū)覆蓋”

越區(qū)覆蓋是由于小區(qū)覆蓋距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致相鄰的基站信號(hào)覆蓋區(qū)域的重合，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)容易產(chǎn)生孤島效應(yīng)，上下行不平衡甚至頻率干擾。引起終端頻繁、錯(cuò)誤的切換，產(chǎn)生大量的切換失敗，以及無切換關(guān)系導(dǎo)致掉話。當(dāng)天線掛高一味增加，使覆蓋范圍不斷擴(kuò)大時(shí)，就可能出現(xiàn)“越區(qū)覆蓋”的現(xiàn)象，增加了網(wǎng)絡(luò)后期優(yōu)化的難度。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)LW城區(qū)內(nèi)園藝110kV與東山220kV變電站兩試點(diǎn)基站掛高達(dá)到50米時(shí)，存在信號(hào)覆蓋重合區(qū)域，需要建設(shè)時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，將兩個(gè)站點(diǎn)信號(hào)的干擾降低。

圖5 LW城區(qū)越區(qū)覆蓋位置示意圖

2.3 總體覆蓋效果預(yù)測(cè)

以Y市LW地區(qū)為例，將LW地區(qū)試點(diǎn)的D類以上供電區(qū)域內(nèi)的8座無線試點(diǎn)基站的天線掛高由原先的45米提升至55米，通過仿真，覆蓋效果對(duì)比如圖6所示。

圖6 掛高45米（左）、掛高55米（右）覆蓋效果對(duì)比圖

匯總計(jì)算得出LW市C類及C類以上供電區(qū)域的無線信號(hào)覆蓋率（RSRP Level≥-115dBm）由原先69%提升至74%，考慮新建鐵塔每高10米成本增加10萬至15萬不等，建造成本增加約95萬，相比代價(jià)提升效果并不明顯。一般地，在C類以上供電等級(jí)區(qū)域內(nèi)天線掛高應(yīng)控制在45米以內(nèi)，以35至40米為宜，D類地區(qū)可以適當(dāng)提高至50米。

3 結(jié)束語

提升天線掛高的方法可以擴(kuò)大基站無線信號(hào)覆蓋范圍，但除D類供電區(qū)域以外，提升能力有限，天線掛高大于55米后，投入將大于由此帶來的效益，一般地在C類以上供電等級(jí)區(qū)域內(nèi)天線掛高以35至40米為宜，D類地區(qū)可以適當(dāng)提高至50米。提升天線掛高在擴(kuò)大基站無線信號(hào)覆蓋范圍的同時(shí)，也帶來了信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的下降，越區(qū)覆蓋的可能，犧牲了覆蓋區(qū)域內(nèi)的覆蓋質(zhì)量。

文章創(chuàng)新點(diǎn)：

國家電網(wǎng)無線專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)明確，以230MHz為基礎(chǔ)的無線電力專網(wǎng)建設(shè)將成為必然趨勢(shì)，但目前對(duì)230MHz無線基站的研究較少，尤其天線掛高與覆蓋效果的關(guān)系少有人關(guān)注，本文通過對(duì)某市不同等級(jí)內(nèi)天線掛高對(duì)覆蓋的研究，給出最優(yōu)的高度，為230MHz基站的實(shí)際建設(shè)提供了參考。