470～510 MHz頻段無線抄表系統干擾共存

許瑞琛，房驥，杜昊，王小波

（國家無線電監測中心檢測中心，北京100041）

470～510 MHz頻段無線抄表系統干擾共存

許瑞琛，房驥，杜昊，王小波

（國家無線電監測中心檢測中心，北京100041）

現行射頻規范限制470～510 MHz頻段無線抄表系統不能適應電力網絡新的通信速率和覆蓋范圍需求。如何調整相關射頻規范，在保障鄰頻先用通信業務不受干擾的前提下，有效提升無線抄表系統的通信能力成為目前亟待解決的問題之一。針對該問題，首先分析國內450～566 MHz頻段頻譜劃分情況。隨后根據國家電網3種無線抄表系統的射頻參數，通過確定性計算和射線追蹤仿真的方法，研究所述無線抄表系統和鄰頻廣播電視系統、CDMA450系統、鐵路列調系統、FDD LTE系統之間的干擾共存情況。最后給出相關射頻規范的修改建議。

470～510 MHz；無線抄表系統；射頻需求；干擾共存；修改建議

1 引言

無線抄表技術可以使電力網絡監控自動化，具有廣泛的應用前景。自國家無線電管理機構頒布法規[1]確立470～510 MHz可供無線計量業務應用[2,3]以來，工作在此頻段的無線抄表節點已部署近3 000萬個，取得巨大的經濟和社會效益。然而，單純測量電流的無線抄表系統已經不能滿足電力部門的需求。為了更好地提升能效、報告故障、規范用電習慣，電力部門還需計量其他諸如功率因數、無功功率及分時段計費等參數[2]。新的計量數據需求對承載計量數據傳輸的無線抄表系統的通信速率和覆蓋范圍提出了更高的要求。現行射頻規范[1]對470～510 MHz頻段無線抄表系統的功率及帶寬限制使其無法滿足所述通信速率和覆蓋范圍需求。在保障同頻鄰頻通信系統不受干擾的前提下，如何修改現行射頻規范，適當放寬470～510 MHz無線抄表系統功率和帶寬限制，成為目前亟待解決的問題之一。

2 470～510 MHz無線抄表系統的射頻規定及設備射頻參數介紹

根據信部無[2005]423號文[1]，470～510 MHz無線抄表系統屬于短距離微功率設備中的無線傳聲器和民用無線電計量儀表設備類型，在用于民用無線電計量儀表時，發射機工作時間不得超過5 s，發射功率限值為50 mW，占用帶寬小于200 kHz；若使用頻率和當地電視廣播電臺頻率相同時，不得在當地使用；若對當地聲音、電視廣播接收產生干擾時，應立即停止使用。

現有無線抄表設備一般安裝在樓宇中的電箱內，穿墻損耗大。由于其最大發射功率為50 mW，需要在每個樓宇內安裝多個無線抄表匯聚節點，造成無線抄表系統部署成本增加。因此，國家電網預部署兩種具有更大功率和更大帶寬的無線抄表設備。所述3種無線抄表設備相關參數見表1。

表1 現有無線抄表設備和兩種新型無線抄表設備的相關參數

由表 1可知，兩種新型的無線抄表設備的射頻參數和已部署的無線抄表設備差別較大，研究新型無線抄表設備對470～510 MHz同頻和鄰頻設備的干擾共存情況十分必要。所述研究能夠為射頻規范[1]的調整提供定量和定性的技術建議。

3 450～566 MHz頻段頻譜劃分情況和在用業務情況

主要分析和無線抄表系統同頻470～510 MHz及鄰頻450～470 MHz及510～566 MHz內頻譜劃分情況和在用業務情況，得到需要研究的無線抄表系統干擾共存分析場景。

根據參考文獻[4]，國內450～566 MHz頻段頻譜劃分情況見表2。由表2可知，目前470～510 MHz頻段的主要業務為廣播業務，450～470 MHz頻段主要劃分給陸地固定業務和陸地移動業務。

表2 中華人民共和國無線電頻率劃分規定中450～566 MHz頻段頻譜劃分情況

根據參考文獻[2]和參考文獻[6]，450～566 MHz頻段民用業務見表3。由表3可知，無線抄表系統的鄰頻系統包括CDMA450系統、鐵路列調系統、FDD LTE系統、DTMB（數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制）系統和民用無線計量業務。其中，無線抄表系統和DTMB系統雖然均工作于470～510 MHz頻段，但是其工作頻段并不重疊。因此，DTMB系統是無線抄表系統的鄰頻系統。

表3 450～566 MHz民用業務情況

根據參考文獻[1]，無線抄表系統需要能夠承受其他通信系統的干擾。因此，這里僅研究無線抄表系統對其他通信系統的干擾情況。可通過式（1）[1]判斷受擾系統受到干擾的類型。

其中，fI和fV分別表示干擾系統和受擾系統的工作頻點，BI和BV分別表示干擾系統和受擾系統的工作帶寬。根據表3中無線抄表系統鄰頻業務的頻率和帶寬參數，結合式（1），得到所需分析的干擾共存場景見表4。其中，I型和Ⅱ型無線抄表設備和DTMB系統的保護帶寬目前還未確定，因此需要分析所述兩種無線抄表系統和DTMB系統之間的鄰道干擾和帶外干擾情況。

表4 干擾共存場景分析

4 無線抄表系統和鄰頻在用業務的干擾共存分析

首先介紹無線抄表系統的鄰頻在用業務的系統參數、帶外干擾分析方法、鄰道干擾分析的方法和傳播模型，接著對Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統干擾DTMB系統的ACIR建模，最后通過仿真和確定性計算的方法得到無線抄表系統和鄰頻在用業務之間的共存條件。

4.1 無線抄表系統同頻鄰頻在用業務的系統參數

CDMA450系統[5]、FDD LTE系統[6]、鐵路列調系統[7]和DTMB廣播電視系統[8]干擾共存分析所需參數見表5。

表5 各受擾系統干擾共存分析所需參數

4.2 帶外干擾分析方法、鄰道干擾分析方法和傳播模型

（1）帶外干擾分析方法

根據參考文獻[6]，帶外干擾分析方法分以下兩步。

步驟1 計算泄露在受擾系統工作帶寬內的干擾信號功率PI是否小于通用雜散門限TSEI[1]，如果PI＜TSEI，則判斷干擾系統不會對受擾系統造成有害干擾。

步驟2 如果PI＞TSEI，使用受擾系統的保護準則判斷干擾系統是否會對受擾系統造成有害干擾。

其中，PI可由式（2）得到，TSEI可由式（3）得到。

式 （2）中，ft和fb分別表示受擾系統工作頻帶的上下限，PSDI表示干擾信號的功率譜密度。式（3）中，T表示單位帶寬上的通用雜散門限，T=-36 dBm/100 kHz=2．511 9× 10-4mW/100 kHz，BV表示受擾系統工作帶寬，單位為MHz。PI和TSEI單位為dBm。

（2）鄰道干擾分析方法

如圖1所示，無線抄表系統一般安裝在電井中的電表箱內，無線電波需要經過兩層金屬隔離物才能向外傳播。因為DTMB系統接收端可能安裝于室內，也可能安裝于室外，所以干擾端至受擾端的傳播模型應為室內傳播或室內傳播和室外傳播的組合。目前，并沒有普適性的室內傳播模型供干擾共存分析使用。因此，這里設計了一種仿真和數值計算相結合的鄰道干擾分析方法。

圖1 無線抄表系統安裝實地

所述鄰道干擾分析方法分為4步。

步驟1 通過式（4）計算得到受擾系統和干擾系統之間的安全隔離度LP1，單位為dB。

步驟2 通過建立普通住宅模型并使用射線追蹤仿真方法得到室內路損LPS，即無線抄表系統至房屋外墻外多個樣本接收點的統計平均損耗，單位為dB。

步驟3 如果LP1＜LPS，則說明室外受擾系統和干擾系統可以實現共存，然后通過設置仿真步長，使用射線追蹤仿真方法得到室內受擾系統和干擾系統之間的安全隔離距離。

步驟4 如果LP1≥LPS，則說明室內受擾系統和干擾系統無法實現共存。通過式（5）得到除去穿墻損耗的安全隔離LP2。根據LP2和通用干擾共存傳播模型[8]反推得到安全隔離距離d，單位為m。

式（4）和式（5）中，PT表示干擾系統最大發射功率，單位為dBm；GT表示干擾系統的天線增益，單位為dBi；GR表示受擾系統的天線增益，單位為dBi；LT表示干擾系統的插入損耗，單位為dB；LR表示受擾系統的插入損耗，單位為dB；ACIR表示鄰道干擾功率比，單位為dB；I表示受擾系統能承受的最大干擾信號功率，單位為dBm，由受擾系統的保護準則得到；LQ為穿墻損耗，單位為dB，由仿真得到。

根據參考文獻[8]，國際電信聯盟規定：0．1 km距離以下時，干擾共存計算采用Hata模型。因此，步驟4中的傳播模型使用Hata模型。

4.3 帶外干擾分析

在帶外干擾分析中，假設Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表類設備與DTMB系統之間的保護帶寬分別為2．5 MHz和250 kHz。根據第4．2節中帶外干擾分析方法可知，這種情況下，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表類設備對DTMB系統的干擾屬于帶外干擾。根據表1、表5及第4．2節中帶外干擾分析方法，得到的帶外干擾分析計算結果見表6。

表6 無線抄表系統和受擾系統之間帶外干擾分析計算結果

由表6可知，3種無線抄表系統對 7種受擾系統不造成有害的帶外干擾，可以實現共存。因此，當現有無線抄表設備、Ⅰ型無線抄表設備和Ⅱ型無線抄表設備與DTMB系統分別保證 500 kHz、2．5 MHz和 250 kHz帶寬時，所述3種無線抄表系統可以和DTMB系統實現共存。

4.4 鄰道干擾分析

本節分析在Ⅰ型無線抄表設備和Ⅱ型無線抄表設備與DTMB系統之間的保護帶寬分別小于2．5 MHz和250 kHz時，所述兩種無線抄表設備對DTMB系統的鄰道干擾情況，并給出共存條件。

根據第4．2節鄰道干擾分析方法、表1、表5、式（4）和式（5）可知，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統與DTMB系統的鄰道干擾共存分析還需要通過確定性計算方法得到 ACIR值，并通過仿真方法得到LPS和LQ值。下面分別闡述得到ACIR、LPS和LQ的方法和過程。最后根據ACIR、LPS和LQ確定Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表設備與DTMB廣播電視系統的共存條件。

4．4 ．1 ACIR建模

首先在不同保護帶寬下，對I型和II型無線抄表系統干擾DTMB系統的ACIR建模。ACIR由式（6）[9]得到。

式（6）中ACLR單位為dB；ACS為鄰道選擇性，單位為dB。下面分別通過數值計算方法得到不同保護帶寬情況下，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統對DTMB系統的ACLR和ACS。

（1）ACLR計算

假設Ⅰ型無線抄表設備和DTMB系統之間的保護帶寬為0．5～2 MHz，Ⅱ型無線抄表設備和DTMB系統之間的保護帶寬為100～200 kHz。當保護帶寬分別為0．5 MHz、1 MHz、1．5 MHz和2 MHz時，Ⅰ型無線抄表系統對DTMB系統的ACLR如圖2所示。當保護帶寬為50 kHz、100 kHz、150 kHz、200 kHz時，Ⅱ型無線抄表系統對DTMB系統的ACLR如圖3所示。無線抄表系統對DTMB系統的ACLR可由式（7）得到。

圖2 Ⅰ型無線抄表系統的ACLR示意

圖3 Ⅱ型無線抄表的ACLR示意

式（7）中，fb,i和 ft,i表示無線抄表系統第 i相鄰信道的起始頻率和截止頻率，單位為MHz；PSDT為無線抄表系統的帶內功率譜密度，單位為dBm/MHz；ACLRi表示無線抄表系統第i相鄰信道的鄰道泄露比，單位dB；K1和K2分別表示無線抄表系統的第一個及最后一個和DTMB系統重疊的相鄰信道序號。例如圖2中，K1=1、K2=9，圖3中，K1=3、K2=82。

根據式（7）可計算得到，不同保護帶寬下，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統對DTMB系統的ACLR見表7。

表 7 不同保護帶寬下，I型和II型無線抄表干擾DTMB系統的ACLR計算結果

（2）ACS計算

DTMB系統的帶寬為8 MHz，分析Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表設備對DTMB系統的鄰道干擾時，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統干擾DTMB系統的ACS分別如圖4和圖5所示。

根據參考文獻[9]，ACS可由式（8）得到。

式（8）中Pil表示干擾度，可根據表 8中不同偏離頻率區間的保護準則和式（9）得到，單位為dBm，Pil=46.87 dBm；N為系統噪聲，由熱噪聲功率譜密度和噪聲系數得到，N=-99.16 dBm；M為帶內允許的靈敏度損失值，M=3 dB[10]。

圖4 不同保護帶寬下，DTMB系統對Ⅰ型無線抄表設備的ACS示意

圖5 不同保護帶寬下，DTMB系統對Ⅱ型無線抄表設備的ACS示意

表8 DTMB廣播電視系統不同鄰頻的保護準則

式（9）中，TC表示 DTMB系統的接收靈敏度，TC= -76.87 dBm[10]；TP為保護準則，根據表8，TP=-30 dB[10]。

根據式（8），計算得到不同保護帶寬下，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統干擾DTMB系統的ACS，見表9。

表9 I型無線抄表系統和II型干擾DTMB系統的ACS計算結果

根據式（6）、表7和表9，得到不同保護帶寬下，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統干擾DTMB系統的ACIR見表10。

表10 不同保護帶寬下，I型和II型無線抄表系統干擾DTMB系統的ACIR計算結果

4.4.2 通過射線追蹤仿真法得到LPS和LQ值

基于路損仿真工具Visualyse Professional，通過對典型室內場景建模，使用射線追蹤方法，得到室內損耗LPS和穿墻損耗LQ。由于不同保護帶寬下，I型和Ⅱ型無線抄表系統的工作頻點相差不大，對路徑損耗仿真結果影響很小。因此，在仿真過程中，設無線抄表系統的工作頻點為479 MHz。

（1）場景建模

根據圖1應用場景，對無線抄表系統配電室和室內場景建模，如圖6所示。其中，配電室位于樓宇樓層中央位置，配電室三面為鋼筋混凝土材質，一面為金屬材質。配電室長2 m、寬1 m，墻體材料為混凝土。屏蔽箱長0.8 m、寬0.4 m，箱體材料為金屬和玻璃。建筑材料仿真設置見表 11。

Ⅰ型無線抄表設備、Ⅱ型無線抄表設備和DTMB廣播電視系統的相關參數見表1和表5。室內無線抄表系統干擾DTMB系統場景建模如圖7所示。圖7中，無線抄表系統天線位于電表內，電表位于屏蔽箱內，屏蔽箱位于配電室中。在距離發射天線2 m處設置36個接收天線，用射線追蹤法獲得接收功率，通過對接收功率取統計平均值，并根據路損定義[6]，獲得LQ。在距離發射天線13 m處，設置81個室外接收天線，通過和獲得LQ相同的方法得到LPS。

圖6 無線抄表設備室內場景建模

表11 建筑材料仿真設置

（2）仿真結果分析

如圖7所示，采用射線追蹤法仿真獲得的發射天線至室內2 m處平均損耗為30．71 dB，發射天線至樓宇外墻外圍的平均損耗為62．01 dB。因此，第4．2節中，LPS=62．01 dB，LQ=30．71 dB。

圖7 無線抄表設備干擾DTMB系統場景建模

4．4 ．3 鄰道干擾共存條件

將表1和表5中相關射頻參數、本節得到的Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表設備的ACIR、LPS和LQ數值帶入式（4）和式（5），得到不同保護帶寬下，Ⅰ型無線抄表系統和DTMB系統之間的安全隔離見表12，Ⅱ型無線抄表系統和DTMB系統之間的安全隔離見表13。

表12 不同保護帶寬下，DTMB系統和I型無線抄表系統之間的鄰道干擾分析結果

表13 不同保護帶寬下，DTMB系統和II型無線抄表系統之間的鄰道干擾分析結果

由表12可知，在保護帶寬≤2 MHz時，I型無線抄表系統不能和DTMB系統接收端實現室內共存。由表13可知，當保護帶寬＜200 kHz時，Ⅱ型無線抄表系統不能和DTMB系統接收端實現室內共存。

由第4．2節可知，當保護帶寬≥2．5 MHz時，Ⅰ型無線抄表系統對DTMB系統的干擾屬于帶外干擾，當保護帶寬≥250 kHz時，II型無線抄表系統對DTMB系統的干擾屬于帶外干擾。根據表6帶外干擾計算結果可知，Ⅰ型和Ⅱ型無線抄表系統不會對DTMB系統造成有害的帶外干擾。

4.5 小結

根據第4．1節～4．4節可知：所述3種無線抄表系統均可和鄰頻FDD LTE、CDMA450、列調系統實現無條件共存；通過為現有無線抄表系統、Ⅰ型無線抄表系統和Ⅱ型無線抄表系統分別設置500 kHz、2．5 MHz和250 kHz的保護帶寬，所述3種無線抄表系統可以和DTMB系統接收端實現共存。

5 射頻規范修改建議

根據第2節～4節的研究結論，這里給出參考文獻[1]射頻規范的修改建議如下：

·適當放寬民用無線電計量儀表的工作帶寬限制，建議無線電計量儀表的工作帶寬增加至1 MHz，以滿足日益增長的工業互聯網應用對數據速率的需求；

· 建議在無線計量儀表應用中引入新的窄帶設備類型，建議將100 kHz帶寬的無線電計量儀表的發射功率限制增至2 W，以滿足電力行業在部署無線抄表系統時的覆蓋范圍需求；

· 建議在無線計量儀表工作頻率規范中引入保護帶寬限制，工作帶寬為100 kHz的無線電計量儀表應和DTMB系統保證至少250 kHz的保護帶寬，工作帶寬為200 kHz的無線電計量儀表應和DTMB系統保證至少 500 kHz的保護帶寬，工作帶寬為1 MHz的無線電計量儀表應和DTMB系統保證至少 2．5 MHz的保護帶寬。

6 結束語

現行射頻規范限制下，民用無線計量儀表的工作帶寬和發射功率限值無法滿足新形勢下的數據速率和覆蓋范圍需求。針對該問題，根據國家電網提供的1種現行部署和2種預部署無線抄表設備的射頻參數，通過確定性計算和射線追蹤仿真的方法研究所述3種無線抄表系統和鄰頻7種無線通信設備之間的干擾共存問題，得到相應的共存條件，并給出現有射頻規范的修改意見。

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Interference coexistence between wireless meter reading system in 470～510 MHz band and adjacent systems

XU Ruichen,FANG Ji,DU Hao,WANG Xiaobo
The State Radio Monitoring Center Testing Center,Beijing 100041,China

Current RF specification restrains the wireless meter reading system (WMRS)working in 470～510 MHz band．It is incapable of meeting new communication speed and coverage requirements of power network．Under the premise of ensuring that prior used communication systems in adjacent band work without interference,how to modify the related RF specification to improve communication ability of WMRS is one of the problems to be solved at present．Firstly,the domestic frequency spectrum allocation in 450～566 MHz band was analyzed．Then,based on RF parameters of 3 kinds of WMRS from State Grid and deterministic computation and ray tracing simulation method,the interference coexistence between the WMRS and adjacent communication systems,which including broadcast television system,CDMA450 system,railway train dispatching system and FDD-LTE system was studied．At last,some suggestions for revision of relevant RF specifications were obtained．

470～510 MHz,wireless meter reading system,RF requirement,interference coexistence,modification suggestion

TN929．5

A

10．11959/j．issn．1000-0801．2017009

許瑞琛（1984-），男，博士，國家無線電監測中心檢測中心工程師，主要研究方向為頻譜檢測理論、干擾共存理論、公網及專網系統級仿真方法。

房驥（1984-），男，博士，國家無線電監測中心檢測中心工程師，主要研究方向為頻譜檢測理論、軟件無線電。

杜昊（1985-），男，國家無線電監測中心檢測中心工程師，主要研究方向為頻譜規劃和射頻測試理論。

王小波（1982-），男，博士，國家無線電監測中心檢測中心高級工程師，主要研究方向為無線電射頻理論和V2X理論。

2016-10-25；

2016-12-14

國家科技重大專項基金資助項目（No．2013ZX03001015-003）

Foundation Item:The National Science and Technology Major Project of China(No．2013ZX03001015-003)