電力LTE異頻組網系統應用研究

姚繼明，黃 鳳，田文鋒

(全球能源互聯網研究院，江蘇 南京 210003)

電力LTE異頻組網系統應用研究

姚繼明，黃 鳳，田文鋒

(全球能源互聯網研究院，江蘇 南京 210003)

截止目前，電力系統已經在一些地區開展了LTE專網系統試點工程建設工作。試點工程應用的LTE系統包括LTE230系統和LTE1800系統，主要采用單頻組網的建設模式，而工作在不同頻段的LTE系統受頻率等特性影響，適應不同的應用場景，不能完全滿足電力系統的應用需求。為充分發揮不同系統的優勢，開展了LTE230系統和LTE1800系統的異頻組網系統應用研究。考慮到電力系統有限的專用頻段，為提高頻譜利用率，給出了電力LTE系統雙工模式選擇建議和理由。在綜合分析LTE230和LTE1800系統優缺點的基礎上，提出了基于兩種LTE系統的異頻組網架構，研究了在此架構下基于蜂窩網絡之間的負載均衡和基于D2D直連通信的業務分流方法，并對異構系統的天線融合方法進行了簡要介紹。此外，結合電力系統的應用需求、LTE系統特性和異構網絡研究現狀，對兩種LTE系統的異頻組網方案在電力系統中的應用所存在的難點問題進行了探討。

LTE230；LTE1800；D2D；異頻組網；電力通信

0 引 言

電力終端通信接入網作為電力通信網絡的重要組成部分，為配電自動化、用電信息采集等業務的數據傳輸提供了重要支撐作用。由于電力業務的分布特點，電力終端通信接入網具有覆蓋范圍廣、通信節點分散、單位面積節點密度低等特點，存在光纖、電力無線專網、租用無線公網、載波等多種通信方式共存的局面[1]。

伴隨著LTE標準的成熟和完善，以及移動互聯網時代全球移動數據業務每年倍增的爆發式增長，LTE成為運營商和眾多行業選擇的主流技術演進方案。目前，包括國內三大運營商、油田、礦山、交通、政務、電力等行業都已經開展了LTE的網絡建設工作[2-3]。將LTE技術作為電力終端通信接入網的重要接入技術，對電力系統具有重要的應用意義。目前，LTE系統在電力行業應用的主要有基于230 MHz的LTE系統(簡稱LTE230系統)[4-8]和基于1 800 MHz的LTE系統(簡稱LTE1800系統)[9-12]，在浙江、江蘇、河北、福建、青海等地進行了試點建設。LTE230系統在郊區環境下覆蓋距離可達數十千米，城區環境下覆蓋距離可達三千米左右，并且在有樹木遮擋、樓宇遮擋、室內、雨天、霧天等復雜環境下，具有良好的覆蓋能力，有利于降低無線網絡組網成本，但是系統受電力可用頻率資源限制，可用帶寬不大，難以支撐海量用戶同時接入以及傳輸高速率業務數據。LTE1800系統是基于標準LTE的系統，在行業中的應用與公網應用的區別主要在于使用頻段不同，其構成產業鏈的芯片、系統、終端和測試四大環節與公網系統完全相同，相比較LTE230系統，技術成熟，可用帶寬較大，可承載高速率業務，滿足更多用戶接入需求，但受高頻率影響，系統覆蓋面積不大，建網成本較高。

綜合以上分析，LTE230系統比較適合于解決廣覆蓋的問題，而LTE1800系統比較適合于熱點覆蓋問題，而在目前已經完成電力無線專網試點工程中，都采用了單頻組網的建設模式，存在以上分析的問題。鑒于兩種系統的優勢互補性，將兩種系統進行異頻混合組網，對完善電力無線專網的質量，提高業務承載能力具有重要意義。在此背景下，開展兩種系統的異頻組網應用研究。

1 系統特性分析

1.1 頻率分配情況

無線通信網建設最主要的制約因素是無線頻率。電力系統要建設無線寬帶專網，首先要解決的就是爭取國家無線電管理部門的頻段資源。根據國家無線頻率管理政策，電力行業可使用的無線寬帶頻率主要有以下幾個頻段。

(1)230 MHz頻段。國家無線電管理委員會在1991年下發文件[(1991)國無管字5號]，在關于電力負荷監控系統頻率使用的批復中明確，指配給電力系統使用的頻率在223～231 MHz頻段。其中單向頻率10個頻點，雙向頻率15對頻點，收發間隔為7 MHz，每個頻點寬帶25 kHz，共1 MHz，具體分配情況見文獻[13]。230 MHz頻段為國家無線電管理委員會分配給電力系統專用，可以減少頻譜資源競爭，提高無線抗干擾能力，頻率穿透能力強，覆蓋范圍廣。

(2)1 800 MHz頻段。頻率范圍為1 780～1 805 MHz，由各省、自治區、直轄市無線電管理機構負責審批使用，以5 M為單位進行授權使用；一般采用臨時授權方式使用無線頻譜，到期后再進行續申；部分區域已分配給港口、機場等單位，頻譜使用情況日趨緊張。

(3)ISM頻段。主要有2.4 GHz和5.8 GHz頻段。該頻段是非授權頻段，用戶競爭使用，一般用于短距離傳輸的無線傳感網或局域網中，可用帶寬大，但安全風險也較大，適合短距離高容量傳輸，可用于電力業務熱點區域的數據分流。

考慮到文中主要是研究基于LTE的異頻組網，ISM頻段不適合大面積組網，因此，只考慮230 MHz和1 800 MHz異頻組網。

1.2 雙工模式選擇

從設備實現的角度來講，TD-LTE和LTE FDD相比，差別僅在于物理層軟件和射頻模塊硬件(如濾波器)，網絡側絕大多數網元可以共用，電力系統應用建議選擇TDD的技術體制，主要有以下原因：

(1)國家政策因素。國家非常支持TDD技術的發展。工信部《關于重新發布1785-1805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》指出專網系統采用時分雙工(TDD)的工作方式。

(2)頻率資源因素。相對于FDD模式的上、下行成對頻率，需要保護帶寬的要求，TDD模式不需對等上下行頻段，頻率配置靈活。而且電力行業本身可申請利用的頻率資源比較有限，使用TDD雙工模式可保證較高的頻譜利用率。

(3)電力行業因素。電力行業的業務數據流量與公網數據流量的特點截然相反，電力業務以上行業務為主，呈現上行大、下行小的特點，FDD支持非對稱業務效率低，而TDD可以利用靈活分配時隙來支持非對稱業務。

(4)技術因素。TDD模式對智能天線有很好的支持，在電力行業的一些應用中，比如輸電環節，使用智能天線可與通信覆蓋需求相匹配；雖然FDD對移動性支持比TDD要好，但電力系統移動類的數據較少，主要是固定類的業務。

2 異頻組網方案

2.1 組網架構

不同頻段的無線通信系統具有不同的傳播特性，頻段之間相差的范圍越大，其覆蓋能力差異越大。目前LTE專網可用頻段主要為230 MHz、1 800 MHz兩個頻段，其中230 MHz可用帶寬只有1 MHz，1 800 MHz根據各地申請情況，通常可用帶寬在5～10 MHz范圍內。由于LTE230系統的覆蓋范圍要遠遠高于LTE1800系統，在廣域覆蓋方面優勢較大，而LTE1800系統可用帶寬較大，可支撐高速率的數據傳輸，在熱點覆蓋方面優勢較大。因此，結合兩種系統的優勢進行異頻混合組網，其混合組網的網絡架構如圖1所示。

圖1 異頻組網網絡架構

圖中，兩種LTE系統共用核心網資源，這是因為不同于運營商的公網系統，電力專網LTE系統主要面對電力業務，基站數量不多。舉例來說，一個地級城市，只需10套左右LTE230基站即可實現全城覆蓋，另外配置數十套LTE1800基站覆蓋業務熱點地區，即可滿足電力業務的應用需求。所以，按現有常用核心網設備硬件配置，一套核心網設備即可支撐一個城市的LTE230基站和LTE1800基站，為每種LTE系統建設獨立的核心網資源性價比不高，因此可以對核心網資源共享使用，以便充分利用處理資源，降低系統建設成本。

基站類型采用常見分布式架構，包括中心單元(Base Band Unit，BBU)和遠端單元(Radio Remote Unit，RRU)，兩者之間通過電力光纖連接，根據實際業務的覆蓋需求進行靈活部署。另外，不同于公網系統，電力專網系統的業務在線并發量不大，大部分業務都是周期性業務，BBU不會一直處于滿載狀態，而且不同系統因為業務覆蓋范圍內接入的業務量不同，BBU負載量也有所不同，而將兩種系統的BBU部署在一起組成BBU池，可以共享部分基帶處理資源，更有利于負載均衡。另外，對于RRU的部署，LTE230系統是以實現廣域覆蓋為目標，LTE1800系統是在LTE230系統的覆蓋范圍內進行部署，部署地區選擇業務集中、業務數據量大的區域，滿足了大部分業務的接入需求，通信終端可靈活選擇不同的LTE系統進行接入，也即終端需是支持這兩種系統的多模終端。

2.2 業務分流

2.2.1 蜂窩通信

通信終端通過授權頻段與基站進行通信，因為有兩種網絡的覆蓋，涉及到終端的網絡選擇問題。原則上，在LTE1800系統覆蓋范圍內的終端，優先選擇與1 800 MHz的RRU進行通信，也可以根據負載均衡的需求，選擇接入LTE230系統的RRU，而不在該覆蓋范圍內的終端，可選擇與230 MHz的RRU進行通信。但是，如果在LTE1800系統覆蓋范圍外的終端存在高速率的業務傳輸需求，LTE230系統受帶寬因素限制無法滿足需求，一種可行的方案是通過利用中繼設備的方式，將該終端接入到LTE1800系統中，但該方案對中繼設備的部署位置也比較固定，接入方式不夠靈活。

2.2.2 D2D通信

D2D(Device-to-Device)通信是一種在系統的控制下，允許終端之間通過復用小區資源直接進行通信的新型技術。用戶數據直接在終端之間傳輸，可以實現頻率資源的復用，能夠增加蜂窩通信系統頻譜效率，降低終端發射功率，在一定程度上解決無線通信系統頻譜資源匱乏的問題[14-17]。

基于該技術，可以利用終端之間的D2D通信技術來擴展LTE1800系統的覆蓋范圍。具體來說，利用LTE230系統的廣覆蓋特性，其覆蓋范圍內的終端接收系統指令，根據業務傳輸需求，與LTE1800系統覆蓋范圍內的終端通過多跳中繼的方式建立D2D通信鏈路。如此以來，邏輯上擴大了LTE1800系統的覆蓋范圍，而且滿足了LTE1800系統覆蓋范圍外的高速率傳輸需求的終端業務接入需求。該方式相對于架設中繼設備的方式，中繼方式更為靈活，且不增加系統成本。

另外，對于一些實時性要求不高的本地存儲類數據，也可以利用D2D通信技術，將數據直接發送給附近的終端(比如巡檢人員、無人機上部署的終端)，減輕終端與基站之間的業務負載，提升系統容量，提高頻譜利用率。

2.3 天線融合

對于天線融合，常用的有兩種方式[18]，如圖2所示。一種是采用寬頻雙通道天線結合合路器共用天線振子，適合于系統頻段較為相近的場景；另一種是兩種系統采用不同的天線振子和端口，外部組合共用天線罩，通過不同端口分別連接到兩系統RRU，該方式適用于兩種系統頻段間隔較遠的場景。鑒于文中采用的是230 MHz和1 800 MHz頻段，兩者相距較遠，因此，天線選擇第二種融合方式。在實際的部署過程中，兩種系統因為覆蓋范圍不同，當RRU相距較遠時，選取獨立建設天線的方式。

圖2 天線融合方式

3 關鍵難點問題

(1)射頻前端融合問題。從現有階段的應用情況及產業鏈分析，兩種系統在一段時間內還是共存的局面，短期內無法研發出同時支持這兩個頻段的LTE系統。因為兩種頻率相隔太遠，對通信終端設備來說，設計出支持這兩種頻段的射頻前端硬件、終端成本和體積方面都還存在難題。

(2)D2D中繼通信問題。需要開展兩種系統共存的條件下D2D輔助通信和合適中繼策略研究，包括中繼選擇、路由選擇等。另外，D2D通信過程中涉及到的無線資源管理、干擾協調和不同系統之間的通信模式切換等問題也需解決。

(3)異頻網絡交互問題。目前LTE230和LTE1800自成一套獨立系統，而且LTE230系統根據230 MHz頻段的分布特點，對物理層進行了較多的變動。因此，終端需要支持兩種網絡的物理層協議，必然會抬高終端的成本、功耗、處理能力等方面的需求，另外，終端面向不同的網絡，需要根據電力業務特點，設計出自適應的網絡接入機制。

(4)業務安全隔離問題。因為電力系統的業務分為生產控制大區業務和管理信息大區業務，不同大區之間具有不同的安全防護要求，按現有規定，需要達到物理隔離的標準要求；因此，同一套系統接入不同的業務，如何區分和隔離不同業務也是重要問題。

4 結束語

結合電力系統的新業務需求和LTE技術的優越性，開展了小范圍的電力LTE專網試點工作。結合現有的電力LTE專網的建設現狀和實際運營效果，探討了LTE230系統和LTE1800系統的異頻組網問題，主要目的是充分發揮兩種系統的技術優勢，實現投資運營效果最佳化，同時考慮到頻率資源和網絡覆蓋問題，研究利用蜂窩網絡之間的負載均衡以及采用D2D直連技術來擴展覆蓋范圍和提高頻譜效率的業務分流方法，最后結合技術發展現狀和電力業務需求，對提出的異頻組網系統還存在的一些關鍵問題進行了分析。綜上，LTE技術是近年來發展快速的先進無線通信技術，對多個行業的信息化發展提供了重要的支撐作用，電力系統也應該借此機遇，結合電力應用需求，充分發揮LTE技術優勢，針對試點過程中發現的問題不斷進行改進和優化，是建設電力LTE專網的必經之路。

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Research on Application of Anti-frequency Networking of LTE fo Power System

YAO Ji-ming，HUANG Feng，TIAN Wen-feng

(Global Energy Interconnection Research Institute,Nanjing 210003,China)

So far,the electric power system has been carried out pilot projects of dedicated LTE network in some regions.The LTE system in the application of pilot projects includes LTE230 and LTE1800,and both of them are single-frequency networking in the network construction.However,different system has different application scenes according to the characteristic such as frequency,which cannot fully meet the application requirements of the power system.In order to give full play the advantages of different systems,the study on differ-frequency networking scheme of LTE230 system and LTE1800 system is conducted.Taking into account the limited frequency band of the power system,in order to improve the spectrum utilization,the advice and reasons of duplex mode selection are given.Based on the comprehensive analysis of the advantages and disadvantages of LTE230 and LTE1800 system,the differ-frequency networking architecture of the two systems are put forward,the service distributing method of load balancing between the cellular network and D2D direct communication service under the network architecture is studied,and antenna fusion scheme is introduced briefly.In addition,combined with the application requirements of power system,the characteristics of LTE system and the research status of heterogeneous network,the difficulty of differ-frequency network applied in electric power system is discussed.

LTE230;LTE1800;Device-to-Device;differ-frequency networking;electric power communication

2016-04-28

2016-08-11

時間：2017-02-17

國家電網公司科技項目(SGRIXTKJ[2015]349號)

姚繼明(1987-)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統無線通信技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1632.072.html

TN925

A

1673-629X(2017)03-0181-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.038