TD—LTE電力專網230MHz與1.8GHz的研究

蔡根++張健明++楊大成

摘要：本文介紹了TD-LTE電力專網在230MHz和1.8GHz兩個頻段的覆蓋能力和網絡承載能力的研究。TD-LTE是一種成熟的4G通信技術，在國內外已經實現了大規模商用。隨著智能電網對通信要求的不斷提高，組建TD-LTE電力專網也成為當下熱門的研究課題。本文首先介紹了電力專網的特點，然后對比研究了230MHz和1.8GHz兩個頻段的TD-LTE網絡覆蓋能力和業務承載能力。最后使用UNET仿真規劃軟件對廣州市電力專網進行仿真規劃，結合仿真結果對比了兩種頻段電力專網的優劣。

關鍵詞：TD-LTE；電力專網；230MHz；1.8GHz

中圖分類號：TP929

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.12.020

本文著錄格式：蔡根，張健明，楊大成.TD-LTE電力專網230MHz與1.8GHz的研究[J].軟件，2015，36（12）：83-88

0 引言

目前國內TD-LTE電力無線專網豐要采用230MHz和1.8GHz兩個頻段進行組網，其中1.8GHzTD-LTE運行在1786-1805MHz頻段內，占用的帶寬為5MHz，符合國際3GPP組織的4G標準。LTE230是中國普天針對中國特有的頻譜劃分研制的私有技術協議，使用了223.025-235.OOOMHz頻段，該系統運行在國家無線電管理局原先分給電力行業數傳電臺使用的在230MHz頻段40個離散頻點，每個頻段占用帶寬25KHz。這兩種電力專網技術都是在中國特有的頻譜分配背景下誕牛的，在國內缺少針對這兩種技術的對比研究，國外基本上沒有這方面的研究。本文豐要對比分析兩種組網方案的覆蓋能力和業務承載能力，并利用UNET仿真軟件進行仿真說明。

1 電力專網簡介

電力專網是用于電力監控系統、電力通信及數據網絡的專有通信網絡。電力專網的要求豐要包括：通信網絡穩定、通信權限分級、集群調度功能。

1.1 典型電力場景

城市區域內的工業及居民用戶用電的llOkV及以下餓配電網稱為城市配電網。城市配電網一般沿城市市政道路沿線呈網狀分布，配用電終端分布密集，受季節和日常影響大。需要進行通信傳輸的上行數據量大，且傳輸類型復雜。在單機站范圍內，上行鏈路負荷大，成為限制覆蓋范圍的豐要因素。

在密集城區，單基站范圍內用電情況基本相同，基站中心和邊緣處數據傳輸量差異不大，因此需要有較高的邊緣覆蓋質量，單基站覆蓋范圍相對最小。在一般城區，城區中心處用電集中，邊緣處相對分散，因此單基站若選在用電集中處對邊緣覆蓋質量要求可降低。郊區用電特點呈零星分布，單基站范圍內數據傳輸量相對最小，傳輸質量要求相對均衡，因此單基站覆蓋范圍相對最大。

1.2 電力專網業務

電力專網的豐要業務包括配電通信業務、用電通信業務、視頻監控業務和電力電纜業務。

配電牛產業務在電力系統中豐要負責配電設備的遙信、遙控和遙測功能，而用電業務主要負責用電信息采集和負荷管理。配電自動化涉及到的配電設備種類包括柱上開關、開關站、環網柜、箱式變電站和柱上變壓器等，每種配電設備上的業務按照其種類義可以分為四大類：遙信、遙測、遙控和電度量。

用電業務豐要是采集電網的用電情況數據，根據業務類型的不同，對應的業務數據量也不同，豐要有以下五種：實時數據采集、召測、下行控制指令、參數設置和事件上傳。電力用戶用電信息采集豐要包括定時自動采集信息、人工召測信息、豐動上報信息、遠方控制信息以及參數設置信息。

視頻監控業務是對電網中重要位置進行監控。

電力電纜監測豐要是采用專用設備終端對電纜的狀態信息進行收集和上傳，終端的相關參數豐要有周期上傳的數據幀、上傳周期、突發告警數據幀和突發告警概率。

2 230MHz和1.8GHz的對比

2.1 頻段特點

230MHz頻段豐要用于數據傳輸，共12MHz帶寬，其中電力系統擁有全國范圍內40個頻點共IMHz的頻帶資源，屬于電力專有的頻點資源，在帶寬內無干擾，相鄰頻率的干擾源較少，相鄰頻譜的使用率低。LTE 230系統具有覆蓋廣、容量大、頻譜效率高、頻譜適應性強、安全性高、可靠性好、部署擴展平滑等特點。與高頻段相比，其信號傳播距離遠，繞射能力強；更加高效的終端發射機技術和高靈敏度的接收機技術，大大提升了系統的覆蓋能力，可實現大范圍高質量的無線覆蓋。

1.8GHz頻段是我國用于各行業專網組建的頻段，目前由運營商、政府、機場、港口、交通運輸等多個行業共同使用，在多行業共存時存在較大的干擾。同時跟其他制式如GSMl.8GHz、FDD系統存在鄰頻干擾，在使用時帶外干擾較大且干擾源分布廣泛。需要預留出5MHz的保戶帶寬。1.8GHz屬于高頻段，傳播損耗較大，覆蓋能力弱，受到天氣、地形等因素影響較大。

2.2 傳播模型

230MHz頻段選用的傳播模型為SPM模型，SPM模型建立在COST231.HATA模型基礎上，數學表達式為：

其中，ht為基站高度，Ldiff為衍射損耗，Kl表示與頻率相關的因子，默認值為12.4： K2表示距離衰減因子，默認值為44.9；K3表示基站發射天線高度相關因子，默認值為5.83；K4表示與衍射計算相關的因子，默認值為0.4；K4表示與發射天線有效高度和距離相關的因子，默認值為-6.55；K6表示移動終端高度相關因子，默認值為0；K6表示地貌相關因子，默認值為1；d表示收發間的距離。

1.8GHz選用的傳播模型為COST231-Hata模型，COST231-Hata模型是EURO-COST組成的COST工作委員會開發的Hata模型的擴展版本，應用頻率在1500-2000MHz之間，適用于小區半徑大于1km的宏蜂窩系統，發射有效天線高度在30-200m之間，接收有效天線高度在1-10m之間。COST23l-Hata模型路徑損耗計算的經驗公式為：

在COST231-Hata模型上根據路測數據對C_M此項參數使用最小二乘法進行校止使之成為半經驗模型，即為我們使用的校止后模型，它能更準確得出各城市的鏈路損耗。

2.3 覆蓋能力

TD-LTE系統網絡覆蓋能力受到多種因素的影響，豐要有目標速率、用戶RB資源分配、調制編碼方式、天線類型、系統幀結構等。在進行網絡規劃時，需要考慮小區的最大上下行覆蓋距離是否滿足要求。同時根據電網終端的分布情況，將通信場景分為城區、郊區和農村三種場景，分別對這三種場景下的傳播模型進行校正，利用校正后的傳播模型分別對兩種頻段進行鏈路損耗的計算，從而得到兩種頻段下各制式各場景的小區覆蓋半徑。

TD-LTE的調制方式有QPSK、16QAM和64QAM三種，對應的最低CQI等級分別為4、8、13，等效SINR分別為-0.88dB、6.432dB和15.8ldB。進行單機站覆蓋能力計算前基站和移動臺參數設置如表1所示。

進行鏈路預算時選用的傳播模型為SPM模型，數學表達式為：

其中，h_t為基站高度，L_diff為衍射損耗，K₁-K₆為各項需要進行校正的參數。利用上述公式分別對城區、郊區和農村的230MHz和1.8GHz的傳播模型進行校正，然后計算得到上行鏈路損耗結果和小區基站覆蓋范圍如表2和表3所示。

從上表的對比可以看出，在相同參數設置下，不同場景的230MHz系統單機站覆蓋范圍都大于1.8GHz系統。不同場景下，城區的覆蓋范圍最小，農村覆蓋范圍最大。

3 廣州市電力專網規劃方案對比

3.1 規劃目標

3.1.1 覆蓋目標

電力專網的區別在于指標的要求，對吞吐率沒有優先要求，對覆蓋率和可靠性有較高要求。參考TD-LTE規模試驗網中的指標要求，結合無線電力專網實際情況，研究確定覆蓋規劃中需要考察的指標，至少應包括以下指標：

無線接通率：基本目標>95%；挑戰目標>97%。

掉線率：基本目標<4%；挑戰目標<2%。

覆蓋區內無線可通率：要求在TD-LTE網無線覆蓋區90%位置內，99%的時間移動臺可接入網絡。

塊差錯率目標值（BLER Target）：電力專網中的業務以數據業務為豐，數據業務為l0%。

同時在線用戶數：需要優先考慮的指標

小區邊緣吞吐量：考慮到電力專網終端對流量要求并不嚴苛，只要能夠保證最差情況滿足最低要求即可。

3.1.2 容量目標

質量目標豐要是針對用戶的業務感知，能否提供用戶良好的業務感知能夠很好的反映網絡建設的質量從用戶面說，業務豐要分為話音業務和數據業務，話音業務的質量可從連續、傳輸和保持3個方面來衡量；而數據業務的質量目前通常采用吞吐量和時延來衡量。在業務質量中，與無線網絡業務質量密切相關的指標有接入成功率、忙時擁塞率、接入時延、誤塊率、切換成功率、掉話率等。

3.2 規劃軟件介紹

在進行規劃仿真是使用UNet規劃仿真軟件，該軟件豐要仿真功能分為覆蓋預測和容量仿真兩個部分。包含的功能支持模塊有：地理信息系統，提供電子地圖導入，存儲基站、終端位置信息等功能；天線傳模系統，實現天線參數設置和傳播模型校正等功能；網元子系統，負責在仿真計算過程中初始化參數配置；用戶界面子系統，負責實現用戶對軟件使用的界面管理功能；業務子系統，負責仿真業務的設置和用戶分布地圖的牛成。

使用UNet網絡規劃仿真工具對廣州市豐要城區范圍進行電力專網規劃對比分析，分別進行覆蓋預測和容量仿真的仿真。使用UNet仿真規劃的流程如下：

（l）導入電子地圖，初始化參數設置，包括基站參數、移動端參數、傳模參數和業務參數。

（2）按照規劃有求進行布站，根據密集城區、城區和郊區的不同分別以不同的距離進行布站，并設置相應的基站參數。

（3）進行覆蓋預測的仿真，并根據仿真結果對基站數量和位置進行調整，直到達到覆蓋指標要求。

（4）根據配用電業務用戶的比例建立不同的業務地圖，設置容量仿真參數進行仿真。

（5）根據仿真結果調整配用電業務用戶比例和仿真參數，直到容量仿真結果滿足規劃要求。

3.3 仿真參數說明

3.3.1 終端介紹

在規劃仿真中，仿真終端UE是配用電采集器，采集器通過采集電表脈沖、rs232或rs485等通訊方式采集用電終端和配電終端的電力業務數據，然后通過TD-LTE 230專網將電力業務數據上傳到豐站系統。

仿真豐要實現了配電豐站對用電終端和配電終端的業務數據采集，采集六類電力用戶的數據：A類是大型專變用戶，B類是中小型專變用戶，C類是三相一般工商業用戶，D類是單相一般工商業用戶，E類是居民用戶，F類是公變考核計量點。以及配電網現場的各種配電開關監控終端FTU、配電變壓器監測終端TTU、開關站和公用及用戶配電所的監控終端等。

采集器是用于采集多個或單個電能表的用電信息，并可與集中器交換數據的設備，采集器依據其功能可以分為基本型采集器和簡易型采集器。基本型采集器抄收和暫存電表數據，并根據集中器的命令存儲的數據上傳給集中器，簡易型采集器直接轉發集中器與電能表間的命令和數據。

配電終端一般包括配電開關監控終端FTU、配電變壓器監測終端TTU、開關站和公用及用戶配電所的監控終端DTU，FTU：裝設在lOkV斷路器、負荷開關的開關監控裝置。豐要作用是采集各開關所在線路的電氣參數，并將信息向上級系統傳輸；監視線路運行工況，及時上報線路故障，并執行豐站遙控命令。DTU：安裝在常規開閉站（所）、環網柜、小型變電站等處的數據采集與監控終端。豐要作用是完成開關設備的位置信號、有功、電壓等數據的采集與計算，并執行豐站遙控命令。TTU：裝設在配電變壓器旁邊，監測變壓器運行工況的終端。主要作用是采集并處理配電變壓器低壓側的各種參數，并將參數向上級系統傳輸，監視變壓器運行工況，及時上報變壓器故障，還具有就地和遠方無功補償和有載調壓的功能。RTU：自動化系統的基本單元，它豐要用于配電系統變壓器、分段器等裝置的監視及控制，并與豐站系統通信，提供配電系統運行、管理所需的數據，執行豐站發出的指令。

3.3.2 覆蓋預測

覆蓋預測過程首先應能由單基站覆蓋分析得到覆蓋半徑，再根據不同的基站扇區配置，進一步計算得出覆蓋面積，得到對一個覆蓋區域所需要的基站數，從而對覆蓋區域進行合理布站。覆蓋預測參數設置如下表所示。

3.3.3 容量仿真

在容量仿真中，結合了電網采集業務數據量和采集器所支持的終端數量，采集業務豐要分為兩類，一類是對用電終端數據的采集，另一類是對配電終端數據的采集，其中由于用電終端和配電終端義分為多種，仿真中按照現網中終端比例獲取用電和配電終端的業務量的均值進行仿真。移動終端分別為用電采集器和配電采集器。配用電業務仿真參數設置如下表所示。

在容量仿真系統中，采用蒙特卡洛仿真方式，每次快照并不接入所有用戶，通過設置激活因子來調整仿真中每次快照的實際接入終端數，激活因子定義為仿真中被服務的用戶和總的支持用戶數之比，上行傳輸的配用電數據業務激活因子計算如下所示。

3.4 仿真結果分析

按照上述流程和參數設置進行仿真規劃，覆蓋預測仿真結果對比如下。

如圖1所示為廣‘州市電力專網230MHz和1.8GHz的RS RSRP覆蓋仿真結果。地圖中紅色圈內區域為密集城區，黑色國內為山區，藍色圈內為一般城區。其中RSRP大于-llOdBm的區域對應圖中綠色區域，RSRP大于-115dBm的區域對應黃色區域，均為滿足覆蓋要求的區域，紅色部分為不滿足覆蓋要求的區域，去除掉山區不計算，總的RS RSRP覆蓋有效區域達到了95%。

如圖2所示為廣州市電力專網230MHz和1.8GHz的RS SINR覆蓋仿真結果。地圖中紅色圈內區域為密集城區，黑色國內為山區，藍色國內為一般城區。230MHz布站31個，1.8GHz布站138個。其中SINR大于4dBm的區域對應圖中綠色區域，RSRP大于0的區域對應黃色區域，均為滿足覆蓋要求的區域，紅色部分為不滿足覆蓋要求的區域，去除掉山區不計算，總的RS SINR覆蓋有效區域達到了99%。

結合RSRP和SINR的覆蓋結果可以看出，兩種頻段的布站均達到了覆蓋規劃的要求。由于230MHz的單基站覆蓋范圍更廣，在相同同區域內進行布站是，230MHz的基站數遠小于1.8GHz系統，特別是在密集城區內，1.8GHz受到的干擾更大，單機站覆蓋范圍更小，需要的基站數更多。

在覆蓋預測布站結果的基礎上進行容量仿真，測試規劃區域內不同配用電業務情況下的承載能力，仿真結果如下。如圖3所示為配用電業務共存時的容量仿真用戶分布結果圖，其中綠色的點為成功接入的用戶，紅色的點為接入失敗的用戶。

表6和表7分別為230Mhz和1.8GHz容量仿真結果統計。從容量仿真結果可以看出，在相同區域內，由于1.8GHz頻段擁有更多的可用RB數，激活因子比230MHz系統小，單機站可以承載的終端數要多于230MHz，由于覆蓋范圍更小，所需1.8GHz基站數遠多于230MHz，在規劃區域內能承載的采集終端數量也遠多于230MHz。對比純配電、純用電和配用電三種業務用戶的仿真結果可以看出不同業務用戶的分布情況符合他們的速率需求。

4 結論

本文對TD-LTE電力專網在230MHz和1.8GHz頻段的覆蓋能力和配用電采集業務的承載能力進行了分析和仿真。可以看出，在進行電力專網規劃時，相同區域布站時所需的230MHz基站數遠小于1.8GHz，相應的規劃建網成本更低。但由于1.8GHz系統具有更寬的帶寬，更多的是基站數，所以能夠承載的配用電業務采集終端更多。在進行規劃選擇時，需要結合規劃區域大小和電網業務速率需求來選擇兩種頻段方案。