智能電網TD?LTE網絡模式研究

王庭鈞 馬慶峰 劉雪冰 徐磊

摘 要： 針對傳統的電網TD?LTE網絡模式一直存在網絡通信不穩定、效果差的問題，對智能電網TD?LTE網絡模式重新進行分析研究。在給出TD?LTE網絡結構圖的基礎上，分析其固有問題原因，并通過分析TD?LTE網絡OFDMA技術模式和MIMO技術模式，實現智能電網TD?LTE網絡模式的優化。實驗以電網TD?LTE網絡覆蓋情況為對比進行驗證，結果表明，采用改進電網TD?LTE網絡模式時，QPSK覆蓋半徑約是64QAM的3.8倍，16QAM的覆蓋半徑約是64QAM的2.55倍；既是在不同區域使用，其覆蓋半徑受環境影響概率較小，具有一定的優勢。

關鍵詞： 智能電網； TD?LTE網絡； 網絡模式優化； 覆蓋半徑； MIMO技術； OFDMA技術

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0093?04

Abstract： As the traditional TD?LTE network mode of the power grid has long?term existing problems of unstability and poor effect in network communication， the TD?LTE network mode of the smart grid is reanalyzed and studied. On the basis of presenting the structure diagram of the TD?LTE network， the reasons of its inherent problems are analyzed. The TD?LTE network mode optimization of the smart grid is realized by analyzing the OFDMA technology mode and MIMO technology mode of the TD?LTE network. A verification experiment was carried out by means of coverage status comparison for TD?LTE network of the power grid. The results show that， when the improved TD?LTE network mode of the power grid is used， the coverage radius of QPSK is about 3.8 times that of 64QAM， the coverage radius of 16QAM is about 2.55 times that of 64QAM， and there exists small probability that the coverage radius can be affected by the environment， which has a certain advantage.

Keywords： smart grid； TD?LTE network； network mode optimization； coverage radius； MIMO technology； OFDMA technology

0 引 言

在互聯網終端迅速發展的背景下，人們關于手機終端上網速度變慢的呼聲日益高漲，現有的網絡速度也在持續改進中，但對現在越來越龐大的上網群體而言，使用網絡時網絡響應卡頓，為此改善TD?LTE上網速度的研究將被提上日程。TD?LTE（Time Division Long Term Evolution）是當前使用最為廣泛的移動通信技術，具有分時長期演進的特點。與3G技術相比，用戶的上網速度由原來的2.0 MB/s提高至120 MB/s，并且在延時、高峰期網速等方面改善效果顯著，使用戶的使用感提高，實現了各種終端之間的隨時對接。

在移動互聯時代，TD?LTE作為我國主導的主流技術，集成了適用于寬帶移動通信傳輸的眾多先進技術，TDD技術靈活地改變傳輸信息上下行間的間隙，完善兩行之間的間隙比例，減少傳輸信息上下行業務比例出現偏差的情況，在最大程度上做到高效利用傳輸頻率資源。在實際環境中，信道傳播形式多變且繁雜，使用智能天線會造成導頻資源的流失，現有方法是通過結合網絡資源，充分了解多種傳輸模式的性能來解決流失問題，這種方式能夠讓各個傳輸模式間達到自適應狀態，將TD?LTE網絡性能發揮到最好，因此引進不同的多天線傳輸模式來改進電網TD?LTE網絡模式，從而提高電網TD?LTE網絡的覆蓋面積，降低了受環境影響的概率。

1 TD?LTE網絡體系分析及問題研究

1.1 TD?LTE網絡體系分析

將TD?LTE網絡的功能體系劃分為演進型的陸地無線接入網（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E?UTRAN）、用戶設備（User Equipment，UE）和演進型分組核心網（Evolved Packet Core，EPC），其中E?UTRAN用于管理無線通信。TD?LTE無線通信網絡的體系結構圖如圖1所示。

1.2 智能電網TD?LTE網絡模式固有問題分析

電網屬于城市不可或缺的設備，但分布環境不統一，在生態環境與建設成本可持續發展的要求下，選擇了在地形特殊的地區修筑電網線路，如人口密集的繁華城區、人口稀少的城市郊區等。正因如此電網所處的復雜地形地貌和人口分布情況，會導致電網TD?LTE網絡的覆蓋難度倍加。

在我國復雜地理環境下，對電網TD?LTE網絡規劃及覆蓋問題列出不同的解決方案。無線信號的發送方法、距離和覆蓋范圍大小皆收到所處環境類型不同的影響。

2 TD?LTE網絡模式分析

由于TD?LTE網絡對頻譜資源的需求較少，頻譜資源利用比FDD?LTE要高，所以可以有效利用離散頻率資源。雖然目前的電網自身頻率資源有限，但是可以構建特有的TD?LTE網絡模式，專用于電網領域。

TD?LTE是TDD版本的LTE的技術，即OFDM（正交頻分復用）技術，其不同的頻段下智能電網TD?LTE網絡模式均有變化，當在A頻段時，多被3G網絡占用，TD?LTE網絡已經無法再利用了；而在TD?LTE網絡模式建設過程中，也有D頻段和F頻段的使用，其中D頻段主要用于室外網絡的使用，E頻段主要用于室內網絡的建設；F頻段多為3G網絡的頻段，現也可以作為TD?LTE網絡頻段使用，增加TD?LTE網絡模式種類，添加TD?LTE網絡模式需要增加保護頻帶，同時頻譜資源利用率需要增加，降低干擾。原有頻段的TD?LTE網絡模式已無法滿足現有電網需求，綜合分析來看，最適宜電網的TD?LTE網絡模式有 TD?LTE網絡OFDM技術模式和TD?LTE網絡MIMO技術模式。

這兩種模式在使用過程中，LTE到TD之間的切換是否成功直接影響TD?LTE網絡模式的使用，其切換流程如圖2所示。在轉換過程中，UE向eNodeB發送Measurement Report，則eNodeB會將得到的Mobility From EUTRA Command 消息通知返回給UE，eNodeB經過一系列操作達到B點，并將UE CONTEXTRELEASE COMMAND經由B點發出。當eNodeB向自身傳送Harcover Decide后，達到A點，將A點的HANDOVER REEDURED和HANDOVER COMMAND命令向NME切換，同時統計出執行連接次數；經過命令的反復傳達，基站收到來自NME的終端初始上下文釋放消息，此時說明UE已經成功接入到網絡。

2.1 TD?LTE網絡OFDMA技術模式分析

TD?LTE網絡在電網使用時引入了FDMA方式中的OFDMA的調制技術，與普通的方式比具有明顯優勢：其帶寬擴展性較強，抗頻率選擇性衰落能力增加，可實現低復雜度的接收機。接收機結構為發射機的逆過程，OFDMA的發射機結構如圖3所示。

電網TD?LTE網絡模式多采用OFDM方式將高速率數據符號經過串并轉換調制成M路并行子載波。增大每一路子載波的符號持續時間，并使得每一路子載波的符號持續時間大于信道的時延擴展。

除了利用OFDM調制本身的特性消除ISI之外，為了能夠完全消除ISI，選擇的CP長度要遠大于所支持的信道沖擊響應的最大時延。

2.2 TD?LTE網絡MIMO技術模式分析

采用MIMO技術的TD?LTE網絡，在進行通信時MIMO技術支持下行天線數是2×2，也就是兩條天線發送和兩條天線接收，下行天線支持兩條發送天線和一條接收天線的組合。TD?LTE網絡中的多天線技術主要包括層映射、預編碼、分散發射等。電網中TD?LTE網絡的發送方式是根據8種天線傳輸模式的信道情況進行選擇的，規定的8種天線傳輸模式如表1所示。

2.3 智能電網TD?LTE網絡模式優化分析

優化過程有以下幾步：全網優化完成后質量評估值收集；優化前后網絡性能指標變化對比；優化網絡后速率評估報告；全網網絡優化評估報告。無線網絡優化的流程如圖4所示。

3 實驗結果分析

3.1 參數設置

為了驗證改進TD?LTE網絡模式的有效性，采用仿真軟件模擬各階段得出的網絡配置和參數在實際網絡運行中的情況。通過仿真可以驗證網絡模式是否能夠滿足建網區網絡的覆蓋要求。仿真驗證過程中，采用230 MHz帶寬，站型配置為S111，載波帶寬20 MHz，室內分布系統載波帶寬為20 MHz，特殊場景采用2個10 MHz頻點異頻組網。

3.2 不同模式覆蓋效果分析

TD?LTE網絡主要調制方式為QPSK，16QAM，64QAM，其編碼效率、解調門限和覆蓋距離有差異。其中傳輸速率：64QAM>16QAM>QPSK，解調門限：64QAM>16QAM>QPSK；覆蓋距離：64QAM<16QAM

通過不同場景傳播模型的鏈路預算，得到覆蓋半徑，來對比TD?LTE網絡的230 MHz約為1 800 MHz頻段半徑的3倍，因此230 MHz TD?LTE 網絡模式覆蓋能力較廣。對于同一種頻段的TD?LTE網絡模式而言，下面從調制方式、應用場景、業務方面做對比分析，如表2所示。

從調制方式來看，230 MHz TD?LTE網絡模式其信道可以依據信道條件自動采用不同的調制方式和碼率，調制階數越高，碼率越大，230 MHz TD?LTE網絡模式下吞吐量越大，解調門限高，響應的整個覆蓋距離會越小。以QPSK，16QAM，64QAM三種調制方式為例，64QAM的調制階數最高，所以覆蓋半徑最小，QPSK的覆蓋半徑約為64QAM的3.8倍，16QAM的覆蓋半徑約為64QAM的2.55倍。

從不同場景來看，城區由于建筑群較密集，信號傳播的鏈路損耗較大，而郊區和農村則比較開闊，稍有障礙物，230 MHz TD?LTE網絡模式運行較好，可以做到覆蓋范圍廣，原因是使用了自適應高階調制，且工作頻段低、解調性能好，當遇到信道質量較優、傳播環境較好的情形，可以實現遠距離覆蓋。

4 結 論

綜上所述，不同TD?LTE網絡模式具有各自的優點。第一，由于采用不同的編碼調制方式，尤其是如64QAM這種高階調制，可以很好地提高數據傳輸速率；第二，采用載波聚合技術將零散的頻點資源整合并加以利用，提高了頻譜資源利用率。