基于230MHz的電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究

林 航，劉軼文2，趙 磊，王旭東

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司，合肥 230061；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，杭州 310052）

1 引言

隨著用電信息采集、配電自動化、分布式能源、電動汽車充電樁（站）、精準(zhǔn)負荷控制等業(yè)務(wù)飛速發(fā)展，接入電力通信網(wǎng)中的設(shè)備、終端、用戶無論是種類上、數(shù)量上亦或通信需求均呈爆發(fā)式增長態(tài)勢，迫切需要一套通道安全、方向靈活、時延極低、接入可靠、技術(shù)先進，能夠兼顧智能電網(wǎng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)和擴展業(yè)務(wù)，并能面向智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)開展定制開發(fā)和業(yè)務(wù)升級的通信系統(tǒng)。租用公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)雖然簡便快捷、維護簡單，但安全性、實時性難以得到保證，網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量易受到限制，從中長期發(fā)展看經(jīng)濟性較差。相較租用公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)，電力無線專網(wǎng)技術(shù)可以節(jié)約使用費用，同時組網(wǎng)靈活、允許自定義業(yè)務(wù)優(yōu)先級、安全保障機制可管可控等特點。另外，電力無線專網(wǎng)不僅可作為現(xiàn)階段配電自動化、用電信息采集、內(nèi)部管理信息化等電力通信業(yè)務(wù)有效通信方式，還可以自主決策升級滿足未來電力通信網(wǎng)發(fā)展的通信需求。

2 電力無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求分析

2.1 業(yè)務(wù)需求

根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力無線專網(wǎng)通用要求第2部分：需求規(guī)范》（Q/GDW11803.2-2018），電力業(yè)務(wù)分為基本業(yè)務(wù)和擴展業(yè)務(wù)兩部分，按照業(yè)務(wù)功能和安全劃分又可分為控制類業(yè)務(wù)和采集類業(yè)務(wù)。有關(guān)典型應(yīng)用場景和關(guān)鍵通信需求指標(biāo)詳見企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 業(yè)務(wù)場景

相對于農(nóng)村郊區(qū)場景，城市區(qū)域場景較為復(fù)雜多樣，一般是移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難點，城市區(qū)域場景主要包括：（1）居民住宅區(qū)。主要業(yè)務(wù)為居民用電信息采集，兼顧配電自動化、電動汽車充電樁（站）、變電器監(jiān)測、配電房巡檢機器人及智能家居業(yè)務(wù)，通常以配電房、環(huán)網(wǎng)柜及桿式變壓器等形式分布在小區(qū)樓宇間，部分業(yè)務(wù)站點分布在地下等區(qū)域，屬于樓宇密集、高遮擋區(qū)域。（2）工業(yè)區(qū)。包含工業(yè)負荷控制、精準(zhǔn)負荷控制、配電自動化等業(yè)務(wù)，主要以配電房形式分布在廠房周邊，屬于較開闊，低遮擋區(qū)域。（3）變電站/所及配套線路。屬于電力生產(chǎn)輸變電環(huán)節(jié)，主要包括輸變電狀態(tài)監(jiān)測、變電站巡檢機器人、變電站動力環(huán)境監(jiān)控等業(yè)務(wù)。

3 電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法

3.1 電力無線專網(wǎng)整體架構(gòu)

圖1 IoT/LTE-G230MHz電力無線專網(wǎng)整體架構(gòu)

電力無線專網(wǎng)為業(yè)務(wù)終端與業(yè)務(wù)主站之間的通信提供服務(wù)，業(yè)務(wù)終端通過通信終端、無線網(wǎng)、回傳網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)與業(yè)務(wù)主站連接，一般包括通信終端、無線網(wǎng)、回傳網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)等部分，對應(yīng)建設(shè)場景一般包括供電所、營業(yè)廳、變電站、供電大樓及其他租用物業(yè)等。其中無線網(wǎng)采用蜂窩組網(wǎng)方式。

3.2 電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的整體要求和限制條件，確定無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)以及實現(xiàn)該目標(biāo)確定基站、建設(shè)位置、基站配置。

3.2.1 資料收集

本階段需要為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃各環(huán)節(jié)調(diào)研收集基礎(chǔ)資料。為便于說明資料收集的內(nèi)容和作用，將有關(guān)資料收集時點和收集資料要求拆分到各使用環(huán)節(jié)進行說明。

3.2.2 需求分析預(yù)測

本階段需要面向通信業(yè)務(wù)部門收集各類通信終端的數(shù)量、分布區(qū)域、未來發(fā)展趨勢（定性）、擬接入電力無線專網(wǎng)終端的原則和數(shù)量等。根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力無線專網(wǎng)通用要求第2部分：需求規(guī)范》（Q/GDW11803.2-2018），有關(guān)終端密度和業(yè)務(wù)并發(fā)比可較為方便地取定。其他如業(yè)務(wù)增長系數(shù)，根據(jù)國網(wǎng)相關(guān)科技項目成果，一般按照控制類業(yè)務(wù)每年增長8%、采集類業(yè)務(wù)每年增長1.5%進行預(yù)測測算。

上述各因數(shù)相乘即可得到最終總業(yè)務(wù)流量和擬接入電力無線專網(wǎng)的業(yè)務(wù)流量。需要注意的是，在得到總業(yè)務(wù)流量后需要結(jié)合當(dāng)?shù)貥I(yè)務(wù)承載特點定性校驗各類業(yè)務(wù)占比是否合理，否則應(yīng)調(diào)整有關(guān)測算參數(shù)使之與業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢盡可能吻合。

3.2.3 規(guī)劃目標(biāo)設(shè)定

本階段需要明確供電區(qū)域覆蓋范圍目標(biāo)和各等級供電區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量目標(biāo)，一般采用：同頻組網(wǎng)、鄰區(qū)實際用戶占用50%網(wǎng)絡(luò)資源條件下，在A+、A類供電區(qū)域規(guī)劃目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)總體覆蓋率應(yīng)滿足RSRP≥-115dBm且RSSINR≥-3dB的位置不低于95%。

在B、C類地區(qū)不低于90%，業(yè)務(wù)終端99%的時間可以接入網(wǎng)絡(luò)；小區(qū)邊緣用戶上行接入速率≥9.6kb/s。

3.2.4 覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃

圖2 覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃

本階段需要收集擬覆蓋區(qū)域面積及前序步驟計算得到的吞吐量需求，重點分為覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃兩部分：

覆蓋規(guī)劃：根據(jù)工信部無〔2018〕165號《工業(yè)和信息化部調(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》規(guī)定，電力無線專網(wǎng)可使用223-226MHz、229-233MHz共計7M頻譜（原先已分配的專用頻率除外）。參考用戶明確的覆蓋質(zhì)量、小區(qū)邊緣用戶速率結(jié)合230MHz頻段鏈路預(yù)算及無線傳播模型可得蜂窩組網(wǎng)情況下全向站、定向站的單小區(qū)覆蓋半徑進而得到對應(yīng)站間距和單小區(qū)覆蓋面積。再結(jié)合獲取到的擬覆蓋區(qū)域面積進行簡單運算即可得到基于覆蓋的最小基站建設(shè)規(guī)模；

容量規(guī)劃：在假定終端均勻分布的情況下，通過總業(yè)務(wù)吞吐量需求和單基站吞吐量能力進行簡單運算即可得到基于容量的最小基站建設(shè)規(guī)模。同時應(yīng)結(jié)合所得基站建設(shè)規(guī)模的最大接入終端數(shù)量能力演算是否滿足擬接入終端總數(shù)要求。

然后分別按照各類供電區(qū)域，分別在相應(yīng)區(qū)域去基于覆蓋、基于容量的最小基站建設(shè)規(guī)模的最大值，并在不同區(qū)域考慮不同冗余系數(shù)和調(diào)整系數(shù)（一般在大面積地形使用），即可得到總體規(guī)劃站點數(shù)量。冗余系數(shù)和調(diào)整系數(shù)主要考慮受實際工程建設(shè)條件限制站點無法建設(shè)在最佳位置而導(dǎo)致的站點/小區(qū)分裂以及地理屏障（山體、水體）造成的擬覆蓋區(qū)域過于雜散。

表1 典型區(qū)域典型覆蓋目標(biāo)下單站覆蓋面積

表2 典型區(qū)域各區(qū)域冗余系數(shù)建議

3.2.5 站址規(guī)劃

本階段需要確定不同思路的站址來源，結(jié)合電力通信物業(yè)設(shè)施一般重點考慮四方面：一是基于移動通信覆蓋原理，重點周邊地物環(huán)境、與重點覆蓋目標(biāo)間的阻擋情況；二是基于業(yè)務(wù)終端分布密度，對于業(yè)務(wù)終端密度較大區(qū)域局部適當(dāng)增加站點數(shù)量和密度；三是基于站點建設(shè)周期以及全生命周期成本，優(yōu)先考慮周期短、投資小的建設(shè)方案；四是考慮站址的獲取難度，一般依次考慮市縣局辦公大樓、供電所/營業(yè)廳、輸電鐵塔、變電站、其他單位物業(yè)等。在GIS軟件內(nèi)結(jié)合站址相應(yīng)建設(shè)方案的評價及進行站址位置初選，可酌情對短期將啟動建設(shè)或重點建設(shè)區(qū)域進行現(xiàn)場勘察選址以驗證圖上作業(yè)輸出結(jié)果。

3.2.6 參數(shù)規(guī)劃

本階段主要結(jié)合站址位置對站點設(shè)備參數(shù)、工程參數(shù)、編碼配置等進行規(guī)劃，主要包括基站發(fā)射功率/選型、基站天面掛高及天線方位角、小區(qū)編碼及IP地址等規(guī)劃等。

3.2.7 仿真驗證

本階段結(jié)合前序步驟得出的站址信息及工程參數(shù)，在目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)，通過仿真驗證覆蓋和容量的滿足情況，并結(jié)合仿真結(jié)果對站址規(guī)劃情況進行微調(diào)優(yōu)化直至達到符合要求的覆蓋水平。

3.2.8 建設(shè)投資估算

本階段需要進行投資估算，主要包括建筑工程費、設(shè)備購置費、安裝工程費、其他費用、基本預(yù)備費等。對不同建設(shè)方案的不同建設(shè)內(nèi)容參考其他類似工程進行估價，主要包括核心網(wǎng)設(shè)備、基站設(shè)備、網(wǎng)管系統(tǒng)、傳輸設(shè)備、回傳網(wǎng)絡(luò)、通信終端、全網(wǎng)網(wǎng)優(yōu)、其他配套設(shè)施等費用。然后按照12%、10%、4%等分別計列安裝工程費、其他費用、基本預(yù)備費。最終結(jié)合各年度建設(shè)計劃將有關(guān)費用按年度進行拆分。

4 結(jié)束語

本文以230MHz無線專網(wǎng)技術(shù)體制為例，結(jié)合IoT/LTEG230MHz電力無線專網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并依據(jù)業(yè)務(wù)種類、業(yè)務(wù)實時性、業(yè)務(wù)帶寬、業(yè)務(wù)分布及業(yè)務(wù)周邊建筑環(huán)境等因素提出電力無線專網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃建議和流程方法，為IoT/LTE-G230MHz電力無線專網(wǎng)規(guī)劃及運維提供指導(dǎo)意見。