廣覆蓋LTE 230系統(tǒng)在電力配用電應(yīng)用中的研究與實踐

周建勇，田志峰，李 艷，陳寶仁

（1.深圳供電局有限公司 深圳518000；2.廣東省電力設(shè)計研究院 廣州510663）

1 電力無線通信網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)終端點多覆蓋面廣且分布分散，光纖通信方式雖然具備業(yè)務(wù)傳輸能力強的優(yōu)勢，但部署施工難度大、成本高，無法滿足對海量配用電終端的全覆蓋[1]。隨著無線寬帶通信技術(shù)的迅速發(fā)展，作為電力有線光纖通信的補充手段，無線通信對電力配用電側(cè)業(yè)務(wù)的支持能力已經(jīng)得到了較大的提高[2]，越來越多的電力通信業(yè)務(wù)考慮使用無線通信進行承載。

目前，配用電網(wǎng)多采用租用電信運營商提供的GPRS、CDMA公網(wǎng)或1.4 GHz/1.8 GHz專網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信手段[3]。這些通信網(wǎng)絡(luò)相比于230 MHz頻段，工作頻段較高、信號繞射能力較弱、傳播距離受到限制、系統(tǒng)覆蓋半徑較小，而電力配用電業(yè)務(wù)分布范圍廣，業(yè)務(wù)終端數(shù)量大，單站的覆蓋能力和系統(tǒng)容量直接決定建網(wǎng)和運維成本。

2 LTE230無線專網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋能力

LTE 230系統(tǒng)是針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線通信需求，基于OFDM、自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)重傳等LTE核心技術(shù)[5]，采用全IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，使用各行業(yè)在230 MHz頻段已有離散頻譜資源，創(chuàng)新研發(fā)，為行業(yè)客戶深度定制[6]的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線寬帶通信系統(tǒng)。LTE 230系統(tǒng)具有覆蓋廣、容量大、頻譜效率高、頻譜適應(yīng)性強、安全性高、可靠性好、部署擴展平滑等特點[7]。

智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)終端分布范圍廣且分散，采用廣覆蓋基站可減少同等面積下的基站數(shù)量。LTE 230系統(tǒng)以其工作在230 MHz低頻段的天然覆蓋遠(yuǎn)優(yōu)勢，采用更加高效的發(fā)射機技術(shù)和高靈敏度的接收機技術(shù)，大大提升了系統(tǒng)的覆蓋能力，可實現(xiàn)大范圍高質(zhì)量的無線覆蓋。下面將基于精確的鏈路預(yù)算，分析LTE 230系統(tǒng)在密集城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村3種場景下的理論覆蓋能力，同時給出工作在不同頻段的通信系統(tǒng)在農(nóng)村環(huán)境下的覆蓋能力對比。

2.1 仿真模型

對LTE 230系統(tǒng)覆蓋能力的仿真采用的是Okumuram-Hata模型[8]。該模型根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立，提供的數(shù)據(jù)較齊全，應(yīng)用較廣泛，適用于150～1 920 MHz頻段。該模型的特點是：以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的場強中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。不同傳播環(huán)境下，Okumuram-Hata模型基本傳輸損耗計算為：

其中，fc為工作頻率（MHz），ht為基站發(fā)射的有效天線高度（m），hr為終端接收的有效天線高度（m），d為覆蓋距離（km），C為環(huán)境補償因子，其值為：

LTE 230系統(tǒng)工作在230 MHz頻段，仿真過程中考慮了該頻段頻譜呈25 kHz窄帶離散梳狀分布的特點，并選取了密集城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村3種典型環(huán)境作為仿真對象，分別考慮了不同環(huán)境下的干擾余量、解調(diào)門限、陰影衰落等影響，對LTE 230系統(tǒng)的覆蓋能力進行了較為準(zhǔn)確的評估。具體的鏈路預(yù)算見表1。

2.2 單基站覆蓋半徑

本文基于第2.1節(jié)的鏈路預(yù)算，采用Okumuram-Hata模型，分別對LTE 230系統(tǒng)在密集城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村環(huán)境下進行仿真。在基站天線掛高45 m時，得到了3種環(huán)境下不同調(diào)制方式的系統(tǒng)覆蓋能力，見表2?？梢钥闯?，LTE 230系統(tǒng)的最遠(yuǎn)覆蓋半徑在密集城區(qū)達(dá)到4 km，在郊區(qū)環(huán)境達(dá)到9 km，農(nóng)村環(huán)境達(dá)到29 km，充分驗證了系統(tǒng)的廣域覆蓋能力。

本文除了對LTE 230系統(tǒng)的覆蓋能力進行詳細(xì)分析外，又在同等條件下，選取農(nóng)村環(huán)境，分別對230 MHz、400 MHz、1 400 MHz、1 800 MHz、2 400 MHz頻段的覆蓋能力進行仿真測試，結(jié)果如圖1所示。可以看到，230 MHz頻段的覆蓋半徑約為2 400 MHz頻段的5.5倍，低頻段的廣覆蓋優(yōu)勢尤為顯著。

由此可見，工作頻段的選擇對于通信系統(tǒng)的覆蓋能力影響重大，LTE 230系統(tǒng)工作在230 MHz低頻段，在發(fā)射功率相同的情況下，可以獲得幾倍于高頻段的覆蓋能力，加之覆蓋面積與覆蓋半徑的平方關(guān)系，LTE 230系統(tǒng)單基站可以實現(xiàn)近3 000 km2的覆蓋（在農(nóng)村環(huán)境下），而采用2 400 MHz頻段系統(tǒng)覆蓋相同面積則需要近30個基站。

①混凝土拌制。觀上水庫塑性混凝土防滲墻主要技術(shù)指標(biāo)：密度大于2.1 t/m3；初凝時間不小于8小時；終凝時間不大于48小時；抗壓強度等級C5； 滲透系數(shù)小于 A×10-8cm/s；抗壓彈模小于1.5 MPa；坍落度20～24 cm；擴散度 34～40 cm。

覆蓋能力不僅是無線通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，更直接影響到網(wǎng)絡(luò)成本。這里的成本不僅包括硬件成本，同時包括站址的租金、工程安裝、供電、人員維護成本?；緮?shù)量的增加不僅帶來建站及維護成本的提高，更提升了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的復(fù)雜度，增加了基站邊緣弱覆蓋、盲區(qū)出現(xiàn)的概率，提高了通信網(wǎng)無縫覆蓋的難度，使終端切換變得頻繁，電力通信的穩(wěn)定性和可靠性隨之降低。

因此，采用具備廣覆蓋能力的通信系統(tǒng)是電力通信的首選，LTE 230系統(tǒng)的優(yōu)勢也由此顯現(xiàn)。深圳市供電局結(jié)合電力配用電領(lǐng)域的業(yè)務(wù)通信需求，在福田區(qū)建立了LTE 230試驗網(wǎng)，下面將詳細(xì)介紹深圳試驗網(wǎng)的具體情況。

表1 LTE 230系統(tǒng)鏈路預(yù)算

表2 LTE 230系統(tǒng)覆蓋半徑

圖1 不同頻段無線通信系統(tǒng)的覆蓋能力（農(nóng)村環(huán)境，135 dB路損）

3 深圳電力LTE 230試驗網(wǎng)情況

深圳供電局在福田區(qū)建設(shè)了LTE 230試驗網(wǎng)，通過實際的建網(wǎng)測試分析，驗證了LTE 230系統(tǒng)在密集城區(qū)的覆蓋能力。測試結(jié)果表明，LTE 230系統(tǒng)在密集城區(qū)的覆蓋能力可達(dá)4 km以上，與理論值基本相符，在部分覆蓋良好的區(qū)域甚至可達(dá)10 km。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，由1套核心網(wǎng)設(shè)備、1套eOMC網(wǎng)管設(shè)備、2套基站和若干個配套通信終端構(gòu)成。

兩套基站均位于深圳市福田區(qū)，同屬密集城區(qū)環(huán)境，根據(jù)實際測試結(jié)果，LTE 230系統(tǒng)在密集城區(qū)的覆蓋理論值均可達(dá)到4 km以上，在部分覆蓋良好的區(qū)域甚至達(dá)到了10 km，這使得LTE 230系統(tǒng)的廣覆蓋能力得到充分驗證。具體的覆蓋測試結(jié)果及分析如第3.2節(jié)和第3.3節(jié)所述。

3.2 RSRP覆蓋測試結(jié)果

新洲站位于深圳市COCOPARK購物中心，中航站位于深圳市華強北商業(yè)中心，二者同屬高密度城區(qū)環(huán)境，對無線信號的傳輸極具挑戰(zhàn)性。新洲站點的參考信號接收功率（RSRP）測試結(jié)果如圖3所示，RSRP信號強度區(qū)間分布情況見表3，新航站點的測試結(jié)果類似，受篇幅所限，此處不再贅述。

圖2 深圳電力LTE 230無線專網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖3 新洲站RSRP覆蓋測試效果

表3 新洲站RSRP信號強度區(qū)間分布情況

3.3 SNR覆蓋測試結(jié)果

信噪比（SNR）覆蓋測試結(jié)果如圖4所示，SNR不同區(qū)間強度分布情況見表4。

3.4 覆蓋測試結(jié)果

RSRP主要用來衡量接收信號的能量大小，SNR值主要用來衡量接收信號的質(zhì)量如何，覆蓋成功與否由RSRP和SNR值共同決定。參考信號目標(biāo)RSRP設(shè)為－110 dBm，目標(biāo)SNR設(shè)為5 dB，當(dāng)且僅當(dāng)RSRP大于－110 dBm、SNR大于5 dB時，小區(qū)覆蓋成功；否則，覆蓋失敗。從測試結(jié)果看，新洲站RSRP大于－110 dBm，SNR大于5 dB的區(qū)域超過95%，中航站超過85%，達(dá)到預(yù)期覆蓋效果。實測結(jié)果與密集城區(qū)覆蓋能力的理論值4 km相符，在部分覆蓋良好的區(qū)域更達(dá)到了10 km以上，充分驗證了LTE 230系統(tǒng)的廣域覆蓋能力。

4 結(jié)束語

LTE 230系統(tǒng)專注于電力配用電業(yè)務(wù)的無線通信需求，以其廣覆蓋低成本優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于電力配用電網(wǎng)。本文基于Okumuram-Hata模型，采用精確的鏈路預(yù)算，從理論上得到了LTE 230系統(tǒng)在密集區(qū)城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村3種環(huán)境下的覆蓋能力，同時與其他頻段的通信系統(tǒng)進行了覆蓋能力的對比分析，建立了低頻段具有廣域覆蓋能力的理論基礎(chǔ)。深圳電力基于LTE 230系統(tǒng)，在福田區(qū)建立了LTE 230試驗網(wǎng)，在理論分析的基礎(chǔ)上，充分驗證了系統(tǒng)在密集城區(qū)的廣覆蓋能力，最大覆蓋半徑可達(dá)10 km以上。理論與實際的密切結(jié)合體現(xiàn)了LTE 230電力無線專網(wǎng)的實際可行性，深圳電力LTE 230試驗網(wǎng)的成功投入運行，為深圳全市乃至南方電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)建設(shè)提供了良好的借鑒和示范。

圖4 新洲站SNR覆蓋測試效果

表4 新洲站SNR不同區(qū)間強度分布情況

1 劉振亞.智能電網(wǎng)知識問答.北京：中國電力出版社，2010

2 劉建明，李祥珍.物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng).北京：中國電力出版社，2010

3 中國南方電網(wǎng).“數(shù)字南方電網(wǎng)”專題研究報告，2007

4 國家無線電管理委員會.關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知，1991

5 Sesia S,Toufik I,Baker M.LTE-UMTS長期演進理論與實踐.馬霓,鄔鋼，張曉博等譯.北京：人民郵電出版社，2009

6 Q/GDW_380.5-2009.電力用戶用電信息采集系統(tǒng)管理規(guī)范：通信信道運行管理規(guī)范，2009

7 普天信息技術(shù)研究院有限公司.新型230 MHz無線寬帶通信系統(tǒng)技術(shù)白皮書，2010

8 啜鋼，孫卓.移動通信原理.北京：電子工業(yè)出版社，2011