230 MHz 電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

陳小惠，楊芳僚，劉津，聶海濤

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2. 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004)

0 引言

近年來, 國(guó)家電網(wǎng)有限公司大規(guī)模開展智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè), 各類電力業(yè)務(wù)對(duì)通信可靠性和安全性的要求不斷提高, 對(duì)電力無線通信技術(shù)[1-3]的應(yīng)用提出了更高要求。電力無線專網(wǎng)以其組網(wǎng)靈活度高、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)自定義、安全保障機(jī)制可管控等方面優(yōu)點(diǎn), 成為終端通信接入網(wǎng)重點(diǎn)研究技術(shù)方向之一, 并已在全國(guó)多個(gè)省市進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè), 其中湖南地區(qū)采用IoT-G 230 MHz 電力無線專網(wǎng)技術(shù)體制[4], 在長(zhǎng)沙、衡陽等7 個(gè)地市開展了無線專網(wǎng)建設(shè), 覆蓋了建設(shè)地區(qū)C 類及以上供電區(qū)域。作為有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充, 電力無線專網(wǎng)在配電自動(dòng)化、用電信息采集和精準(zhǔn)負(fù)荷控制等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了業(yè)務(wù)接入, 現(xiàn)已成為打通能源互聯(lián)網(wǎng)終端接入“最后一公里” 的重要手段之一。

電力無線專網(wǎng)存在較大的自建優(yōu)勢(shì), 但與此同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn): 一是缺乏電力無線專網(wǎng)規(guī)劃工具, 在當(dāng)前電力無線專網(wǎng)領(lǐng)域尚無成熟的規(guī)劃工具, 在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)通?；谶\(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具開展[5]。由于網(wǎng)絡(luò)頻段和業(yè)務(wù)需求等方面存在差異,規(guī)劃站址和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)往往與實(shí)際最優(yōu)配置存在較大偏差。二是電力無線專網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)建設(shè)不完善, 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期IoT-G 230 MHz 無線專網(wǎng)終端通信模組未規(guī)模商用, 測(cè)試系統(tǒng)功能不完善, 此外規(guī)劃期間掃頻時(shí)間通常在白天進(jìn)行, 夜間230 MHz 全頻段底噪抬升現(xiàn)象難以發(fā)現(xiàn), 導(dǎo)致基站實(shí)際覆蓋半徑收縮[6]。三是電力無線專網(wǎng)的應(yīng)用不成熟, 射頻以及通信協(xié)議各類參數(shù)的設(shè)置缺乏經(jīng)驗(yàn)值, 此外, 城鎮(zhèn)建設(shè)和電力業(yè)務(wù)需求不斷變化, 需要在運(yùn)行過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代優(yōu)化。從湖南地區(qū)的無線專網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用情況看, 規(guī)劃偏差和射頻干擾導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)覆蓋性能不佳等問題頻繁出現(xiàn), 有必要通過持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以保障網(wǎng)絡(luò)性能滿足業(yè)務(wù)承載需求。

本文以湖南地區(qū)IoT-G 230 MHz 電力無線專網(wǎng)建設(shè)工程優(yōu)化工作為基礎(chǔ), 研究和分析無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化應(yīng)用和方法, 為無線專網(wǎng)進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能提供解決方案。

1 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)及流程

1.1 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)

無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指對(duì)已投入運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析, 核驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量并發(fā)現(xiàn)影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的原因, 通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)和硬件配置等調(diào)整優(yōu)化技術(shù)手段, 促使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到運(yùn)行更優(yōu)狀態(tài), 并對(duì)網(wǎng)絡(luò)后續(xù)維護(hù)和續(xù)建提出科學(xué)建議[7]。結(jié)合考慮工業(yè)和信息化部230 MHz 頻率政策[8]和國(guó)家電網(wǎng)有限公司電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求[9], 湖南地區(qū)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)主要以覆蓋指標(biāo)體現(xiàn)。

無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)見表1, 參考信號(hào)接收功率 (Reference Signal Receiving Power, RSRP) 和信干噪比 (Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR) 是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋最常見指標(biāo)[5]。以國(guó)家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]中指定小區(qū)邊緣用戶上行接入速率不低于 9.6 kpbs 的目標(biāo)要求為基準(zhǔn),230 MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)需要在-3 ～3 dB 的信干噪比區(qū)間下采用正交相移鍵控 (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 調(diào)制解調(diào)方式, 且至少使用4 個(gè)25 kHz 子帶進(jìn)行數(shù)據(jù)承載。結(jié)合熱噪聲功率譜密度為-173.98 dBm/Hz 進(jìn)行計(jì)算, 得到接收機(jī)靈敏度為-125.9 dBm, 扣除7 dB 噪聲余量和3 dB 干擾余量后理論邊緣處RSRP 為-115.9 dBm。

綜上, 采用 RSRP 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 作為區(qū)域被覆蓋的判決條件, 無線專網(wǎng)在A+、A 類供電區(qū)域覆蓋占比不低于95%, 在B、C 類供電區(qū)域內(nèi)占比不低于90%[10]。

表1 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)

1.2 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化流程

為實(shí)現(xiàn)無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo), 首先需要對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析, 獲取網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)際情況, 然后使用合理的技術(shù)手段對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化直至目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化流程如圖1 所示, 主要包括前期準(zhǔn)備、單站優(yōu)化、片區(qū)優(yōu)化和全網(wǎng)優(yōu)化四個(gè)階段。前期準(zhǔn)備階段主要完成位置、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)重要參數(shù)等基礎(chǔ)資料的收集, 對(duì)片區(qū)進(jìn)行劃分并確認(rèn)優(yōu)化目標(biāo)。單站調(diào)測(cè)主要實(shí)現(xiàn)單站質(zhì)量檢查, 檢查內(nèi)容包括系統(tǒng)告警、小區(qū)可用性、駐波比測(cè)試、時(shí)鐘狀態(tài)和回傳網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等基礎(chǔ)檢查工作, 同時(shí)還應(yīng)測(cè)試各小區(qū)網(wǎng)絡(luò)性能, 對(duì)各類業(yè)務(wù)進(jìn)行撥測(cè), 確認(rèn)各小區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入和時(shí)延情況。片區(qū)優(yōu)化和全網(wǎng)優(yōu)化是從局部區(qū)域到整體網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化流程, 需要搭建測(cè)試系統(tǒng)并設(shè)計(jì)測(cè)試路線,對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集, 核查分析并輸出優(yōu)化建議, 通過工程或運(yùn)維實(shí)施迭代調(diào)整以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

圖1 電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化流程

2 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)

路測(cè) (Drive Test, DT) 指通過車載無線測(cè)試設(shè)備沿特定路線采集數(shù)據(jù), 得到較真實(shí)的無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能指標(biāo)。路測(cè)數(shù)據(jù)可以反映出無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量、業(yè)務(wù)連通性和速率要求是否滿足規(guī)劃目標(biāo)或?qū)嶋H業(yè)務(wù)需求, 從而為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供最為重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。目前, 已有對(duì)電力無線專網(wǎng)路測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)研究, 文獻(xiàn) [11] 設(shè)計(jì)了LTE-G 制式的230 MHz 電力無線專網(wǎng)路測(cè)系統(tǒng)。由于湖南地區(qū)使用IoT-G 制式, 該制式終端通信模組尚未大規(guī)模商用, 無成熟客戶終端設(shè)備 (Customer Premise Equipment, CPE) 進(jìn)行測(cè)試, 本文基于測(cè)試終端設(shè)備 (Test User Equipment, TUE) 搭建測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 路測(cè)系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)配置PC 筆記本搭載DT 前臺(tái)測(cè)試軟件, 用于數(shù)據(jù)的集中采集；配置掃頻儀和天線, 用于信號(hào)掃頻數(shù)據(jù)采集；TUE 主要采集RSRP、SINR和物理小區(qū)標(biāo)識(shí) (Physical Cell Identity,PCI) 等指標(biāo)和參數(shù), 支持通信時(shí)延和速率測(cè)試；GPS 置于車頂用于采集定位信息；外接電源配置蓄電池, 采用車載逆變電源, 為測(cè)試設(shè)備提供交流電源輸入。DT 后臺(tái)分析軟件可用車載PC 筆記本或遠(yuǎn)程計(jì)算設(shè)備搭載, 采用離線數(shù)據(jù)分析方式, 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析和圖像渲染, 形成直觀的測(cè)試結(jié)果圖。

3 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)措施

電力無線專網(wǎng)與公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的主要差異在于頻譜資源不同、基站密度不同和協(xié)議差異性等。在傳統(tǒng)公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ)上, 湖南地區(qū)無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化充分考慮差異性, 采用主要包括天線方位角調(diào)整、天線接發(fā)整改、PCI 優(yōu)化、有效載波物理位圖優(yōu)化和參數(shù)一致性核查等技術(shù)措施。

3.1 天線方位角調(diào)整

天線指向調(diào)整主要應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)過覆蓋、弱覆蓋、導(dǎo)頻污染和覆蓋盲區(qū)等情況, 技術(shù)手段包括天線下傾角和方位角調(diào)整[12]。230 MHz 頻段覆蓋距離遠(yuǎn), 天線下傾角調(diào)整對(duì)應(yīng)覆蓋性能變化大, 易造成覆蓋調(diào)整混亂, 在230 MHz 無線專網(wǎng)優(yōu)化中應(yīng)用較少, 使用更多的是天線方位角調(diào)整。天線方位角調(diào)整原則為天線指向方位角初始考慮采用0°/120°/240°的天線指向, 以避免長(zhǎng)直街道帶來的波導(dǎo)效應(yīng)；方位角調(diào)整過程中, 盡量保持扇區(qū)間夾角在120°±15°以內(nèi), 避免重疊覆蓋區(qū)偏大或者出現(xiàn)弱覆蓋區(qū)。天線方位角調(diào)整可應(yīng)用于規(guī)避干擾信號(hào), 長(zhǎng)沙地區(qū)兩變電站在天線方位角調(diào)整后, 干擾電平分別改善8 dB 和4 dB[6]。

3.2 天線接反調(diào)整

無線基站小區(qū)編號(hào)通常以方位角命名, 一般情況下按照正北方向沿北、東、南、西方向遞增, 先后建成的小區(qū)可能按照建成先后順序遞增[13], 不能排除實(shí)際安裝過程中部分站點(diǎn)可能存在天線接反情況, 如長(zhǎng)沙地區(qū)核查出12 個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)天饋接反的情況。IoT-G 230 M 無線專網(wǎng)的天饋接反會(huì)出現(xiàn)PCI 模6 沖突引發(fā)的導(dǎo)頻干擾場(chǎng)景, 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量降低, 無法滿足業(yè)務(wù)承載需求。該問題可通過單站調(diào)測(cè)或DT 測(cè)試方式排查發(fā)現(xiàn), 發(fā)現(xiàn)該情況后需要對(duì)天饋接線整改, 按照規(guī)劃順序正確接線。

3.3 PCI 優(yōu)化

PCI 用于區(qū)分不同小區(qū), 一方面需要確保在相關(guān)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)沒有相同的物理小區(qū)標(biāo)識(shí), 另一方面PCI 作用于小區(qū)搜索等過程中, 影響下行參考信號(hào)的同步、解調(diào)[14]。下行參考信號(hào)在頻域?yàn)槊? 個(gè)頻率偏置, PCI 模6 值相同時(shí)會(huì)造成下行參考信號(hào)的相互干擾, 因此IoT-G 230 MHz 無線專網(wǎng)系統(tǒng)要求PCI 模6 錯(cuò)開。PCI 優(yōu)化可多輪次開展, 如長(zhǎng)沙地區(qū)在工程驗(yàn)證階段進(jìn)行了兩輪調(diào)整, PCI 共計(jì)調(diào)整22 站次。

3.4 有效載波物理位圖優(yōu)化

有效載波物理位圖 (Effective Carrier Bitmap,ECB) 是用于參數(shù)標(biāo)識(shí)小區(qū)下有效載波的物理位圖。ECB 中每個(gè)比特指示1 個(gè)載波的狀態(tài), 比特為0 和1 時(shí)分別指示表示載波不可用和可用, 共計(jì)可指示230 MHz 頻段內(nèi)480 個(gè)載波的可用狀態(tài)。ECB 用于設(shè)置小區(qū)可使用的子載波集, 實(shí)際應(yīng)用過程中ECB 配置一方面需要避開其他行業(yè)已經(jīng)使用的頻點(diǎn), 除電力行業(yè)外, 水利、礦業(yè)和軍事等領(lǐng)域均存在使用頻點(diǎn), 該類頻點(diǎn)不得作為ECB 配置[9]；另一方面需要綜合DT 測(cè)試的掃頻儀掃頻數(shù)據(jù)和無線專網(wǎng)網(wǎng)管的干擾檢測(cè)控制功能, 測(cè)試頻點(diǎn)上是否存在強(qiáng)干擾, 對(duì)存在強(qiáng)干擾的頻點(diǎn)進(jìn)行更換, 確保每個(gè)小區(qū)的ECB 配置最優(yōu)。

3.5 參數(shù)一致性核查

全網(wǎng)優(yōu)化階段, 對(duì)載波資源分配和功率、定時(shí)器參數(shù)、上行功控參數(shù)、隨機(jī)接入信道參數(shù)、上行調(diào)度參數(shù)、下行調(diào)度參數(shù)、算法開關(guān)等7 類共計(jì)23 個(gè)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)一致性核查。該方式主要在網(wǎng)管上執(zhí)行, 主要解決參數(shù)配置錯(cuò)誤和優(yōu)化配置后全網(wǎng)不一致等問題, 確保滿足覆蓋下網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。

3.6 其他方式

天線掛高對(duì)覆蓋性能有著重要影響, 可以對(duì)部分建筑或地形遮擋和反射造成覆蓋性能差進(jìn)行改善, 其前提為已建基站實(shí)際位置和桿榙滿足掛高調(diào)整要求。當(dāng)實(shí)際建設(shè)條件不滿足靈活調(diào)整要求時(shí),需要通過工程建設(shè)進(jìn)一步調(diào)優(yōu), 如通過補(bǔ)盲基站建設(shè)等進(jìn)行覆蓋補(bǔ)充, 此外還可以考慮終端多跳級(jí)聯(lián)技術(shù), 通過終端中繼方式提升覆蓋能力[6]。

4 無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實(shí)際應(yīng)用

湖南地區(qū)在建設(shè)工程完成后立即開展工程優(yōu)化工作, 通過一系列無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)手段, 覆蓋占比明顯提升, 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后覆蓋指標(biāo)如圖3 所示。長(zhǎng)沙、衡陽地區(qū) RSPR 不小于-115 dBm 覆蓋占比、RSPR 不小于-105 dBm 覆蓋占比、SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比以及RSPR 不小于-115 dBm 且SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標(biāo)在優(yōu)化后都得到了提升。其中, RSPR 不小于-115 dBm 覆蓋占比指標(biāo)提升平均值為4.49%, RSPR 不小于-105 dBm覆蓋占比指標(biāo)提升平均值為3.54%, SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標(biāo)提升平均值為3.27%, 促成RSPR 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標(biāo)提升平均值為3.82%。針對(duì)RSPR 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標(biāo), 衡陽地區(qū)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后已滿足指標(biāo)要求, 長(zhǎng)沙地區(qū)A類及以上地區(qū)指標(biāo)達(dá)到90.57%, 需要進(jìn)一步建設(shè)補(bǔ)盲站點(diǎn)進(jìn)行覆蓋。

除直接提升現(xiàn)網(wǎng)覆蓋性能之外, 通過優(yōu)化工作采集的路測(cè)數(shù)據(jù), 并結(jié)合站點(diǎn)分布情況分析, 進(jìn)一步梳理推薦了后期補(bǔ)盲基站站點(diǎn), 并根據(jù)覆蓋區(qū)域和指標(biāo)情況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序, 為后期工程建設(shè)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

圖3 長(zhǎng)沙、衡陽地區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后性能對(duì)比

5 結(jié)語

本文基于湖南地區(qū)電力無線專網(wǎng)建設(shè)工程提出了230 MHz 電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案, 明確了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)、流程和技術(shù)措施, 同時(shí)對(duì)實(shí)際優(yōu)化性能提升效果進(jìn)行了分析。下一步工作將進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng), 結(jié)合實(shí)用通信終端開展更加精確的測(cè)試和優(yōu)化工作。