電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃探討

魏生輝 熊耀偉 王義剛 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司 南昌市 330002

1 技術(shù)選擇及業(yè)務(wù)承載原則

（1）原則上新建無線專網(wǎng)使用230MHz頻段，采用LTE-G 230MHz、IoT-G 230MHz技術(shù)，技術(shù)要求按Q/GDW 11806執(zhí)行。原有使用1800MHz頻段的無線專網(wǎng)擴建項目可采用原有頻段，技術(shù)要求按Q/GDW 11804執(zhí)行。擬采用的頻段在項目前期階段須先取得無線電管理機構(gòu)的頻率使用許可，頻率使用有效期宜為5年。

（2）無線專網(wǎng)以承載控制類業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，在技術(shù)經(jīng)濟比選合理的前提下，控制類業(yè)務(wù)優(yōu)先采用無線專網(wǎng)通信方式，同時覆蓋區(qū)域內(nèi)增量固定無線采集類業(yè)務(wù)和活動范圍限于覆蓋范圍內(nèi)的移動類業(yè)務(wù)優(yōu)先采用無線專網(wǎng)承載，存量業(yè)務(wù)隨業(yè)務(wù)終端的更新改造逐步遷移至無線專網(wǎng)承載。

2 終端業(yè)務(wù)需求分析

2.1 控制類業(yè)務(wù)

（1） 配電自動化

配電自動化業(yè)務(wù)實現(xiàn)對配電網(wǎng)運行的自動化監(jiān)視與控制，配電自動化主要覆蓋開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)單元、柱上開關(guān)等配網(wǎng)設(shè)備。二遙通信速率不低于2.4kbps，三遙不低于19.2kbps。

（2） 精準(zhǔn)負(fù)荷控制

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)是以可中斷負(fù)荷為具體控制對象的系統(tǒng)保護網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同控制要求，分為實現(xiàn)快速負(fù)荷控制的毫秒級控制系統(tǒng)和秒級及分鐘級控制系統(tǒng)，通信速率要求不低于22.4kbps。

2.2 采集類業(yè)務(wù)

（1）用電信息采集

用電信息采集系統(tǒng)是對電力用戶的用電信息進(jìn)行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，用電數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)根據(jù)不同用戶的通信速率不低于1.05kbps，對于負(fù)荷控制指令，傳輸速率不低于2.5kbps。

（2）輸變電狀態(tài)監(jiān)測

輸變電狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)用于輸電和變電設(shè)備及線路的溫度、氣象、現(xiàn)場環(huán)境等信息的實時監(jiān)測。根據(jù)相關(guān)輸變電標(biāo)準(zhǔn)，輸變電狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)單個視頻接入點的傳輸速率不低于2Mbps。

（3）視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)包括變電站視頻監(jiān)控、施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控和配電視頻監(jiān)控等，每路普清視頻傳輸速率要求＞2Mbps，每路高清視頻傳輸速率要求＞4Mbps。

2.3 移動類業(yè)務(wù)

（1）移動作業(yè)業(yè)務(wù)

移動巡視業(yè)務(wù)包括現(xiàn)場巡視作業(yè)、巡視簽到和巡視監(jiān)控等功能。傳輸速率要求是語音業(yè)務(wù)8-64kbps,視頻業(yè)務(wù)384kbps-2Mbps 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)64kbps-2Mbps 。

（2）電力應(yīng)急通信

電力應(yīng)急通信功能是保障突發(fā)事件場景和重要保電場景的。通信速率要求是語音傳輸速率≥22.5kbps，視頻傳輸速率≥512kbps，數(shù)據(jù)傳輸速率≥512kbps。

3 終端規(guī)劃

終端規(guī)劃按業(yè)務(wù)類型統(tǒng)計，并需要詳細(xì)的列表清單，這個是無線專網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。具體統(tǒng)計表格如下。

表1 各類供電區(qū)終端接入數(shù)量

4 基站規(guī)劃

基站規(guī)劃以終端規(guī)劃為基礎(chǔ)，綜合考慮覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃，以最終確定電力無線專網(wǎng)基站規(guī)劃方案。

4.1 覆蓋規(guī)劃

覆蓋規(guī)劃需要考慮傳播過程中的各種路徑損耗、鏈路平衡和覆蓋影響因素，基于此確定每個基站的理論覆蓋面積，進(jìn)而估算區(qū)域內(nèi)滿足覆蓋需求的最小基站數(shù)量。在此基礎(chǔ)上計算出來的基站數(shù)量需要再乘以一個調(diào)整系數(shù)，調(diào)整系數(shù)主要是考慮到地形地貌、可利用站點分布、冗余保障等因素導(dǎo)致的實際站點數(shù)量需要增加。

（1）傳播模型

無線信號傳播常用的模型有Okumura-Hata模型（適用頻段：150～1500MHz）和Cost231-Hata模型（適用頻段：1500～2000MHz）。

a.230MHz頻段適用Okumura-Hata模型，公式如下：

PL230M(dB)=69.55+26.16*lgf-13.82lgHb+(44.9-6.55*lgHb)*lgd-a(Hm)+C

b.1800MHz適用Cost231-Hata模型，公式如下：

PL1800M(dB)=46.3+33.9*lgf-13.82lgHb+(44.9-6.55*lgHb)*lgd-a(Hm)+C

根據(jù)傳播模型公式可以計算出基站的覆蓋半徑，以230MHz為例：

PL230M=69.55+26.16*lgf-13.82lgHb+(44.9-6.55*lgHb)*lgd-a(Hm)+C

其中，d表示基站覆蓋半徑，從下面的等式計算出d

對于1800MHz，覆蓋半徑d計算如下：

（2）鏈路預(yù)算

以下行鏈路為例，無線信號鏈路預(yù)算的模型如下圖。

上行鏈路預(yù)算公式：

PinBTS=PoutMS+Gu-Lu-PLu

下行鏈路預(yù)算公式：

PinMS=PoutBTS+Gd-Ld-PLd

參數(shù)說明：

PinMS/PoutMS：終端接收/發(fā)射功率（單位dBm）

PinBTS/PoutBTS：基站接收/發(fā)射功率（單位dBm）

Gu/Gd：上行/下行的各類增益（單位dB），包括天線增益、分集增益等

Lu/Ld：上行/下行的各類損耗和余量（單位dB），包括陰影衰落、穿透損耗、饋線跳線接頭損耗、噪聲系數(shù)、干擾余量等

PLu/PLd：上行/下行的路徑傳播損耗（單位dB）

PLu=PoutMS+Gu-Lu-PinBTS

PLd=PoutBTS+Gd-Ld-PinMS

在公式1-1和公式1-2中代入PLu和PLd的數(shù)值，可以分別計算出基站上行覆蓋半徑和下行覆蓋半徑，基站覆蓋半徑取上行覆蓋半徑和下行覆蓋半徑中較小的數(shù)值。

（3）覆蓋與供電區(qū)域關(guān)系

覆蓋區(qū)域按無線傳播環(huán)境劃分為不同的地形地貌，通常分為密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村，以及山地、水面等特殊地形。

供電區(qū)域按飽和負(fù)荷密度劃分為A+、A、B、C、D、E等類型，由于覆蓋場景是按照無線傳播環(huán)境劃分，供電區(qū)域是按照飽和負(fù)荷密度劃分，兩者沒有直接對應(yīng)關(guān)系，但存在一定的相關(guān)性，通常越密集的區(qū)域供電負(fù)荷密度越大。

（4）覆蓋參數(shù)取值

230MHz和1800MHz鏈路預(yù)算與覆蓋仿真相關(guān)的參數(shù)取值如下表：

表2 仿真相關(guān)的參數(shù)取值表（密集城區(qū)）

（5）理論覆蓋面積

各單位在此次規(guī)劃階段按照滿足精準(zhǔn)負(fù)荷控制22.4kbps邊緣速率的要求進(jìn)行規(guī)劃測算，各區(qū)域單站理論覆蓋半徑及面積參考值如下：

表3 各區(qū)域單站理論覆蓋半徑參考值

覆蓋半徑是根據(jù)鏈路預(yù)算公式、“表2 鏈路預(yù)算與覆蓋仿真相關(guān)的參數(shù)取值表”進(jìn)行理論計算得到的數(shù)值。其中A區(qū)域覆蓋半徑取A+(密集城區(qū))與B(一般城區(qū))仿真結(jié)果算數(shù)平均值。鏈路預(yù)算考慮了穿透損耗。

覆蓋面積是按照定向站點蜂窩結(jié)構(gòu)，面積=1.95R2進(jìn)行測算，綜合考慮自有站點偏離度、區(qū)域規(guī)整性、單站覆蓋冗余3種類型的調(diào)整系數(shù)。

區(qū)域覆蓋站點數(shù)量=區(qū)域規(guī)劃面積/區(qū)域單站理論覆蓋面積×調(diào)整系數(shù)。

4.2 容量規(guī)劃

（1）單扇區(qū)吞吐量

LTE-G 230MHz 和IoT-G 230MHz兩種技術(shù)規(guī)范中給出的7MHz帶寬下單扇區(qū)峰值吞吐量如下表：

表4 單扇區(qū)峰值吞吐量

基于電力業(yè)務(wù)以上行業(yè)務(wù)為主及峰值吞吐量按較低的取值。因此，單扇區(qū)理論峰值吞吐量取10.3Mbps。

單扇區(qū)平均吞吐量與理論峰值吞吐量的比例參考外場測試數(shù)據(jù)，給出不同區(qū)域下的建議值，如下表：

表5 不同區(qū)域下的單扇區(qū)平均吞吐量

（2）業(yè)務(wù)需求及業(yè)務(wù)終端密度

電力無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)類型分為5類基本業(yè)務(wù)和12類擴展業(yè)務(wù)，各類業(yè)務(wù)的帶寬需求和并發(fā)比例如下表：

表6 不同業(yè)務(wù)類型的帶寬和并發(fā)比例

（3）容量規(guī)劃方法

容量規(guī)劃需要從幾個方面考慮：

單扇區(qū)覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)終端總帶寬需求是否超過單扇區(qū)平均吞吐量。

單扇區(qū)接入用戶數(shù)和并發(fā)用戶數(shù)是否超過主設(shè)備接入用戶數(shù)的能力。

接入用戶數(shù)和并發(fā)用戶數(shù)是受限于主設(shè)備的能力，若不滿足，同樣屬于容量受限，需要進(jìn)行覆蓋收縮或者宏站+微站協(xié)同。

容量規(guī)劃時，以上兩點需要同時滿足。

容量規(guī)劃方法

假設(shè)某扇區(qū)為A+類區(qū)域，業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)終端數(shù)量分別為配電自動化三遙345個、用電信息采集（負(fù)控）443個、電動汽車樁7個、精準(zhǔn)負(fù)荷控制16個、分布式電源7個、輸配變機器巡檢2個、移動IMS語音（高清）12個，計算容量是否受限。

步驟一：計算總帶寬需求是否滿足

總帶寬需求計算如下表（其中并發(fā)比例是區(qū)間的，取區(qū)間上限值）。

表7 總帶寬需求計算表

計算得該扇區(qū)總帶寬需求為2878.11Kbps≈2.81Mbps

已知A+類扇區(qū)的平均吞吐量為4.1Mbps，因此該扇區(qū)容量滿足。

步驟二：計算總接入用戶數(shù)和總并發(fā)用戶數(shù)

該扇區(qū)總接入用戶數(shù)為832，總并發(fā)用戶數(shù)為507，不超主設(shè)備能力，容量滿足。以上容量規(guī)劃是以230MHz為例，1800MHz由于單站覆蓋面積比230MHz更小，覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)總帶寬需求更低，容量更不受限。

（4）結(jié)論

無線專網(wǎng)目前主要是覆蓋受限，容量利用率較低，規(guī)劃階段暫時不需要考慮容量受限。

5 核心網(wǎng)、網(wǎng)管規(guī)劃

為實現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)物理隔離要求，原則上每個大區(qū)分別部署一套核心網(wǎng)、網(wǎng)管設(shè)備，根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點在省公司或地市公司進(jìn)行規(guī)劃部署。

核心網(wǎng)設(shè)備可采用pool（池）模式配置。關(guān)鍵單元應(yīng)冗余配置，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大區(qū)域可考慮本地或異地容災(zāi)。核心網(wǎng)部署在地市公司模式的單位，核心網(wǎng)災(zāi)備宜按1備N模式部署，災(zāi)備核心網(wǎng)設(shè)置在省公司，處理能力宜為各地市最大的核心網(wǎng)處理能力，存儲所有地市的數(shù)據(jù)并定期同步。

6 回傳網(wǎng)、承載網(wǎng)等規(guī)劃

回傳網(wǎng)主要利用現(xiàn)有SDH/MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)作為回傳通道，應(yīng)根據(jù)無線專網(wǎng)建設(shè)要求優(yōu)化和補強SDH/MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及帶寬。

承載網(wǎng)應(yīng)根據(jù)核心網(wǎng)及業(yè)務(wù)主站系統(tǒng)部署情況，配置相應(yīng)數(shù)通等設(shè)備。

根據(jù)新增設(shè)備安裝空間、功耗等需求，結(jié)合現(xiàn)有機房環(huán)境，配置相應(yīng)機柜、電源等設(shè)備。

7 網(wǎng)管規(guī)劃

按照部署2套設(shè)備網(wǎng)管進(jìn)行規(guī)劃。通過在設(shè)備網(wǎng)管標(biāo)準(zhǔn)化的北向接口，可以將配網(wǎng)通信系統(tǒng)配置、告警和性能數(shù)據(jù)集中接入并歸一化處理，綜合網(wǎng)管系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析計算和服務(wù)應(yīng)答，以瀏覽器的方式為使用人員提供相關(guān)人機交互界面和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

網(wǎng)管系統(tǒng)的物理部署設(shè)計遵守現(xiàn)有TMS部署架構(gòu)。

8 塔桅配套規(guī)劃

塔桅可采用單管塔、增高架、抱桿、租用鐵塔等方式，也可根據(jù)實際情況按一定比例確定塔桅建設(shè)方式，優(yōu)先考慮自有物業(yè)進(jìn)行基站部署。

9 總結(jié)

本文依次對終端、基站、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、回傳網(wǎng)、網(wǎng)管、電源、塔桅配套規(guī)劃進(jìn)行了整體且簡單的介紹。對基站規(guī)劃做了詳細(xì)闡述，基站規(guī)劃包含覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃，對于電力終端業(yè)務(wù)，目前容量是完全不受限，重點是覆蓋規(guī)劃。目前國網(wǎng)公司繼續(xù)用有線傳輸承載業(yè)務(wù)存在一些困難，后期需要通過無線專網(wǎng)承載控制類業(yè)務(wù)等，本文可以為國網(wǎng)公司后期無線專網(wǎng)規(guī)劃提供參考。