北斗短報文與4G雙模通訊在輸電線路覆冰監(jiān)測通訊應(yīng)用研究

劉世增 馬義剛 張華晟 高晗 李俊

本文探討一種新型基于北斗短報文芯片，配合4G通訊芯片，采用雙通道通訊方式，確保供電線路覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在任何通信環(huán)境下無縫上傳到覆冰監(jiān)測主站的通信終端，在山區(qū)等常規(guī)通信信號不穩(wěn)定區(qū)域，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的應(yīng)用的新技術(shù)。

覆冰監(jiān)測自動化;北斗短報文;北斗定位;數(shù)據(jù)傳輸;4G雙模

1引言

覆冰監(jiān)測自動化系統(tǒng)是以先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，對遙信、遙測等信息進(jìn)行自動采集、處理、統(tǒng)計、計算、分析、存儲、報表和信息發(fā)布，形成從線路塔架現(xiàn)場到地區(qū)局監(jiān)管中心的實施天氣覆冰信息采集應(yīng)用管理系統(tǒng)。

當(dāng)前，計覆冰監(jiān)測遠(yuǎn)程通信通道包括有線和無線通道。無線通道可以解決不便于架設(shè)有線通道區(qū)域的數(shù)據(jù)上傳問題。無線通道常用的GPRS、CDMA、3G、4G等通道，往往集中在城鎮(zhèn)中心及住戶密集地區(qū)。但是對于多山丘陵地區(qū)，常規(guī)無線通訊網(wǎng)絡(luò)難以架設(shè)、投資巨大。因此，往往存在大面積的手機(jī)信號盲區(qū)，或者只有語音正常而數(shù)據(jù)服務(wù)不正常的區(qū)域，這就造成無線通訊盲區(qū)，成為覆冰監(jiān)測的“黑區(qū)”。

北斗短報文自從2011年開始投入遠(yuǎn)程覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸以來，部分解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)采集難得問題。但是由于幾年來成本高昂，以及技術(shù)效果參差不齊，北斗短報文覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸并未得到廣發(fā)推廣應(yīng)用。本文將重點研究采用北斗短報文及4G通信一體化的創(chuàng)新通信技術(shù)。

2傳統(tǒng)北斗通訊終端與雙模北斗覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端的比較

北斗雙模通訊模塊，是在電網(wǎng)公司規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)下，與覆冰監(jiān)測終端通訊，實現(xiàn)上下行數(shù)據(jù)，格式轉(zhuǎn)換合規(guī)再將數(shù)據(jù)壓縮后上傳。上傳通過外置天線，實現(xiàn)低功耗無源，在一線通基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)上星。

在主站，衛(wèi)星數(shù)據(jù)回到北斗前置通信終端，并在前置通訊服務(wù)器的接收部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解壓和重組，并對不同應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接，進(jìn)入到供電局系統(tǒng)的信息安全區(qū)內(nèi)。這是本質(zhì)上區(qū)別老式北斗覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，也確保了數(shù)據(jù)采集成功率的大幅提升。

3 4G雙模北斗短報文通訊模塊的應(yīng)用特點

1）無縫覆蓋所有地面區(qū)域

針對沒有GPRS信號覆蓋的區(qū)域，由于架設(shè)有線線路的巨大投資而不現(xiàn)實。即使架設(shè)了無線基站的區(qū)域，由于山區(qū)峰谷交疊使信號覆蓋不均，很多區(qū)域?qū)嶋H上不能進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸。而即使能夠傳輸GPRS數(shù)據(jù)的區(qū)域，由于自然環(huán)境的原因，數(shù)據(jù)通道不穩(wěn)定，GPRS信號時有時無。北斗衛(wèi)星信號可以全面無縫覆蓋地表區(qū)域，對開放天空區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無死角覆蓋。

2）基于GIS的資產(chǎn)定位功能

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的三大功能是定位、授時和短報文傳輸。應(yīng)用北斗衛(wèi)星通道進(jìn)行遠(yuǎn)程覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸采集，就可以實現(xiàn)設(shè)備定位功能，對電力資產(chǎn)管理和客戶管理具有重要意義。北斗定位安全方便，可為覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸工作對象的各類終端、臺區(qū)等提供精確北斗定位，為供電所及鄉(xiāng)村覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸供電服務(wù)人員提供基于手機(jī)APP的北斗覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸資產(chǎn)定位應(yīng)用，對營銷服務(wù)的快速抵達(dá)具有路徑指導(dǎo)作用。

4 4G雙模北斗覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸通訊模塊的硬件創(chuàng)新

4G雙模高功效北斗報文天線

由于采用了北斗4G雙模設(shè)計，北斗短報文收發(fā)天線也可以相應(yīng)做到4G雙模和小型化。小型化的設(shè)計，就更加便捷安裝和維護(hù)。低電壓的工作電路，更延長了設(shè)備壽命，降低了故障率，提升了可靠性。天線采用成熟芯片，確保了信號兼容性，運(yùn)算放大同步性以及空天波束捕捉最優(yōu)化。

RDSS芯片及天線的配置，接收靈敏度直接決定了模塊對于電力數(shù)據(jù)的采集成功率。北斗RDSS擴(kuò)頻技術(shù)不僅具有數(shù)據(jù)加密的基本功能，而且能夠大大的提升信號的抗干擾能力以及芯片組的接收靈敏度。RDSS收發(fā)信號的鏈路預(yù)算仍采用弗林斯傳輸公式進(jìn)行預(yù)算，如下公式計算過程所示：

表示空間損耗，對于RDSS下行鏈路信號來講，空間損耗約-190dB。假設(shè)衛(wèi)星的發(fā)射功率為100瓦，衛(wèi)星發(fā)射天線增益為17dB，天線接收增益為3dB，則到達(dá)地面的衛(wèi)星信號Pr功率約為-120dBm。在實際天空下，考慮天氣、大氣水分等對電磁波的影響，實際達(dá)到地面的微信信號會更弱一些。這樣，RDSS芯片組的接收靈敏度要求≤-120dBm;實際系統(tǒng)要求靈敏度達(dá)到-127.6dBm，以滿足系統(tǒng)能在高緯度地區(qū)也能正常使用。同理，對于RDSS上行鏈路信號來講，空間損耗約-187dB。假設(shè)地面終端設(shè)備的發(fā)射功率為5W，其他條件同上，則衛(wèi)星接收到的信號約-130dBm，考慮到北斗的擴(kuò)頻通信機(jī)制，衛(wèi)星可準(zhǔn)確接收地面終端發(fā)出的信號。

5結(jié)論

通過實際應(yīng)用可見，在常規(guī)通信不良地區(qū)采用北斗短報文方式采集終端信息，將顯著降低運(yùn)維成本，有力提高系統(tǒng)在線率及采集完整率。采用4G雙模北斗標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，建設(shè)成本較低，施工效率高，只需將采集終端直接熱插入終端即可，無需考慮無線公網(wǎng)覆蓋信號強(qiáng)度問題，便于消除信息黑區(qū)，為覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在廣泛山區(qū)定位和本地授時，提供了可靠的、免維護(hù)的，免費的通道和可靠設(shè)備。4G雙模即可降低損耗，又可確保硬件長期穩(wěn)定工作。因此，基于北斗短報文的覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸自動化系統(tǒng)建設(shè)，是以往覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸自動化系統(tǒng)建設(shè)的有益補(bǔ)充

通過對基于4G雙模北斗短報文的覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式的探索應(yīng)用，實際通過試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)是北斗用于遠(yuǎn)程覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡鷦?chuàng)新應(yīng)用。上行通道采用4G雙模通信模塊北斗短報文傳輸，建設(shè)成本較原有老式北斗技術(shù)低很多，建成后運(yùn)維維護(hù)成本低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實時召測響應(yīng)迅速，現(xiàn)場及主站施工便捷，對于進(jìn)一步提高覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸自動化系統(tǒng)的應(yīng)用有巨大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]中國北斗白皮書 中國北斗辦公室 .2017

[2]衛(wèi)星通信系統(tǒng).王麗娜.國防工業(yè)出版社 2015.