基于5.8 GHz LTE-U的變電站通信業務接入技術

孫 晨，朱從亮，張佳琪，袁建濤

(1. 浙江華云信息科技有限公司, 浙江 杭州 310012；2. 浙江大學，浙江 杭州 310057)

變電站是智能堅強電網的核心環節，擔負著所在區域的供電任務。由于變電站具有數量多，地域分布廣且地處人煙稀少區域等特點，給電網的日常維護管理帶來了諸多不便。隨著科學技術地不斷發展，變電站的智能化水平得以提高。大數據、云計算、人工智能等先進技術的蓬勃發展將使“機器代人”的場景成為現實。目前，變電站新增了智能機器人巡檢、移動智能終端、智能傳感器等多種業務，這些技術的引入可以使變電站及時發現危險隱患，減輕日常巡視人員的工作量，保障安全生產，有效提高變電站智能化水平，實現運檢業務協同和運檢設備數據貫通，支撐變電站更安全、更智能、更高效地運行。

變電站中移動智能終端、智能傳感器、智能機器人巡檢等多種生產業務都需要接入，但有線通信方式施工安裝復雜、成本高且維護工作量大，無法對移動終端進行有效地接入，需要采用無線多業務通信接入設備來解決多種生產業務的通信接入問題，規劃采用本地無線組網，進行數據匯聚，并通過安全可靠的傳輸通道，接入信息內網。

為了給生產智能化、自動化水平的提升提供通信支撐，變電站應該具有大帶寬、高可靠和低時延的信息傳輸技術，以達到電網多樣化的實時采集、監控和處理要求。但傳統方法通過接入Wi-Fi網絡進行信息傳輸，Wi-Fi網絡采用基于分布式控制功能(Distributed Coordination Function,簡稱 DCF)的介質訪問控制(Media Access Control, 簡稱MAC)層協議，而DCF是一種基于沖突避免的載波偵聽多路訪問技術(CSMA/CA)的分布式接入機制。它通過制定沖突避免機制來盡量減小沖突碰撞發生的概率，以提高系統的吞吐量并降低時延。它具有簡單但容易被占用的特點，很難為智能變電站提供高質量的服務。相比于Wi-Fi，長期演進(Long Term Evolution,簡稱LTE)的MAC協議則是集中控制式的，它采用免競爭的協議，具有高效且貪婪的特點，可以對頻譜資源進行更高效地調度和管理，進而實現多種性能的增益，提高頻譜利用率。

本文提出一種基于5.8 GHz LTE-U技術的變電站通信業務接入技術。這項技術針對以上行數據傳輸為主的電力物聯網特殊行業應用研究定制化的5.8 GHz LTE-U一體化基站的通信傳輸協議。它具有快速信道接入機制和終端掉線自動重連機制，以及時建立無線鏈路，以匹配傳感器采集、低壓集抄與負控技術，實現電網設備故障預警快速響應。本技術可以滿足電網視頻、無人巡檢機器人、溫濕度傳感器和在線監測裝置等大帶寬、高可靠和低時延傳輸等要求。

1 免許可頻段LTE技術

隨著對高速、高質量通信的需求日益增長，無線蜂窩網絡技術面臨著巨大的挑戰。面對頻譜資源日益短缺的現實，工業界和學術界提出了兩種方案應對挑戰。第一種方案是通過提高授權頻段的頻譜利用率緩解授權頻段資源緊缺的問題。目前主要方案有：更加密集地部署小基站(Small cell Base Station,簡稱 SBS)[1]，采取這樣的方法可以提升空間復用率；通過采用多點協作(Coordinated Multi-Point,簡稱CoMP)[2]、載波聚合(Carrier Aggregation, 簡稱CA)[3]等技術在時間復用率方面作出努力；安裝大規模多輸入多輸出天線(massive MIMO)[4]以提升信道容量。除此之外，全雙工(Full-Duplex, 簡稱FD)模式[5]、終端直通(Device-to-Device, 簡稱D2D)模式[6]也用于提升傳輸速率，增加頻譜復用率。但是，授權頻段資源仍然十分稀缺，但這些方法只能在一定程度上提升系統容量和信道傳輸速率，不是長久之計。

因此，學術界和工業界另辟蹊徑，開始將視線聚集到免許可頻段上。免許可頻段是指在滿足一定技術要求的情況下，無需管理部門許可便可直接使用的頻譜資源。它具有帶寬寬、頻段使用自由等優點，但由于信號傳播損耗較大，一般免許可頻段設備用于覆蓋范圍較小、發射功率較低的室內，進行短距離無線傳輸。基于免許可頻段具有的特點，高通、愛立信等公司于2013年提出了免許可頻段LTE技術[7-8]，即將LTE部署在免許可頻段上，從而在擴大蜂窩網絡的系統容量同時，又可以節約購買頻譜資源的成本。目前，LTE-U技術主要有基于載波感知自適應傳輸(Carrier Sensing Adaptive Transmission, 簡稱CSAT)的占空比(Duty-cycle Muting, 簡稱DCM)技術和基于碰撞退避的先聽后說(Listen-Before-Talk, 簡稱LBT)機制。

DCM在一些非LBT地區使用，其中CSAT機制是DCM算法中最典型的原理，它僅需對現存的LTE協議做小部分改動，對比需要對LTE協議進行大范圍修改的LBT機制來說，這是一個明顯的優勢。基于CSAT的DCM方法模型如圖1所示。DCM機制在時域上將免許可頻段劃分為多個周期，又將每個周期劃分為開(ON)和關(OFF)兩個狀態，通過開(ON)和關(OFF)進行傳輸狀態的轉換。其中，LTE-U在開(ON)狀態期間進行傳輸，而Wi-Fi用戶在關(OFF)期間傳輸數據[9]。系統中的這種開(ON)/關(OFF)傳輸可以通過LTE協議中現存的離散接收(Discontinuous Reception, 簡稱DRX)和離散傳輸(Discontinuous Transmission, 簡稱DTX)實現。

為了避免LTE-U系統對Wi-Fi網絡造成過多干擾，歐洲國家、日本等在LTE-U系統中引入了LBT接入機制，它與Wi-Fi中的分布式控制功能DCF協議有很多相似之處[10]。

基于碰撞退避的LBT方法模型如圖2所示。在LBT中，LTE-U在免許可頻段上傳輸數據之前需要進行信道評估(Clear Channel Access, 簡稱CCA)，以偵聽目標信道是否未被其他系統占用[11]。當在CCA階段偵聽發現目標信道上沒有正在進行的傳輸時，LTE-U用戶才能在目標信道上進行有限時長的傳輸，這個已經預定好的有限傳輸時間稱為信道占用時間(Channel Occupancy Time,簡稱 COT)。若目標信道為非空閑狀態，則選擇放棄接入或者退避一段時間。在每個COT結束后，需要繼續傳輸數據的LTE-U設備繼續進行CCA偵聽以獲得下一個接入信道的機會。

2 關鍵技術

2.1 載波選擇技術

5.8 GHz免許可頻段通常帶寬都較大，傳統Wi-Fi系統中每個節點通過偵聽各個候選載波的干擾，再結合自身業務需求，選擇合適的載波進行數據傳輸，這樣距離較近的不同節點會盡可能選澤不同載波，可以降低共道干擾概率。而5.8 GHz LTEU系統在原來載波偵聽基礎上增加基于干擾偵聽的選擇機制以及引入更快速載波選擇和更快速載波切換，以便適合免許可頻段大帶寬的場景，降低多系統共道干擾的概率，提升終端用戶的體驗。

2.2 適配LBT算法關鍵技術

遵從LBT法規是實現基本公平共存的方式，在歐洲等有LBT要求的地域，LBT法規必須遵從。針對歐洲ETSI的兩種LBT規范，基于固定幀的方式，可直接基于現有的TDD結構，將上行子幀設置為空閑時段，專門進行幀聽，這種方式簡單，復用現有TDD幀結構；缺點是偵聽機會較少，和Wi-Fi共道競爭效果差，且碰撞概率較高，不適合同步系統。

針對基于負載的LBE方式，為兼容TD-LTE子幀邊界，只要不在發送就在偵聽，當偵聽到信道可用而不是1 ms子幀開頭，通過padding比特先搶占信道，避免其他系統插入，這樣保持TD-LTE系統的幀結構和同步傳輸的特征，減少終端用戶的盲檢測，最大化信道使用效率。后者偵聽機會較多，和Wi-Fi共道競爭公平；碰撞概率小；缺點是需要padding比特，會有資源浪費。LBT機制下，會給上行傳輸帶來麻煩，而上行傳輸是TDD機制必須考慮的。中國等國家未明確規定LBT需求，因此在遵從法規的情況下，5.8 GHz基站擬采用免LBT方式接入信道，以保證業務的QoS。

2.3 動態TDD配置關鍵技術

該關鍵技術使一體化支持多種子幀結構配置，以適應多樣化的電網需求。區別于蜂窩網絡中通信以下載業務為主，電網中傳感器采集、低壓集抄與負控等以上行數據傳輸為主，動態TDD配置關鍵技術可配置上行子幀數大于下行子幀數，以在保證系統正常運行的前提下增強上行數據傳輸能力。

2.4 小區搜索和自動駐留關鍵技術

若終端用戶要接入到5.8 GHz LTEU小區，必須首先進行小區搜索，包括一系列同步過程。經過這些階段，終端用戶可以獲得一些關鍵系統參數。

小區搜索的完成也即完成了用戶駐留。該關鍵技術要分析5.8 GHz法規的管制要求并制定射頻指標，針對電網特定應用場景，研究基于共存的空口設計和組網優化技術。考慮獨立組網中用戶駐留問題和QoS保證問題，研究用戶開機自動駐留和斷鏈自動重建技術。

2.5 資源定位關鍵技術

傳統LTE系統中根據系統幀號計算確定后續傳輸的時頻資源位置的方法，系統幀號從基站開機時開始逐幀遞增；而免授權頻段，一體化基站可能在不同時刻使用不同的載波頻段。資源定位關鍵技術使終端用戶和基站保持一致，用戶完成同步過程，可及時和基站完成數據的收發操作。

2.6 接納控制關鍵技術

為保證已經接入5.8 GHz基站設備的終端用戶的服務質量，接入控制功能可以準許或拒絕新的終端用戶的接入。

基站設備可以根據系統資源利用率進行接納判決，考慮5.8 GHz無線資源的整體利用情況、QoS需求、優先級水平和已建立終端用戶的QoS需求，計算出系統中既有業務的資源占用情況，然后根據系統目前的資源利用率和請求建立終端用戶的QoS需求計算出所需資源，進行接入判決決策。

2.7 干擾協調增強關鍵技術

在5.8 GHz免授權頻段可能會出現多系統共存場景，在此場景下考慮提升接入概率和資源利用率的優化方案，建立空/時頻譜資源模型，通過強化學習追蹤頻譜資源的動態變化，對頻譜資源可用性進行預測，綜合實時感知結果與預測結果進行自適應接入控制。5.8 GHz一體化基站可采用類似Wi-Fi系統的RTS/CTS及NAV方式來發送信道預留消息以增強信道利用率，保證一體化基站系統性能。

2.8 自適應MIMO模式選擇關鍵技術

多天線MIMO傳輸模式由各MIMO方式組合而成，包含分集、復用和波束賦形等多種方式。自適應MIMO模式選擇可根據用戶特性等進行模式內和模式間切換。

模式切換主要從用戶能力等級、移動速度、用戶業務量、信道相關性等方面綜合考慮。其中，用戶能力等級、用戶業務量均是基站已知參數，信道相關性可以通過指示反饋獲知。同時還應綜合考慮資源分配約束、反饋資源限制、探測參考信號資源限制、下行控制資源限制等方面。模式內切換通過下行控制信令指示，使基站根據終端用戶上報/反饋的信道質量信息或者網絡的干擾狀態等信息對傳輸模式內的MIMO方式進行調整。

3 變電站通信業務接入測試

本此試點工程為國網浙江省電力公司安裝一套基于5.8 GHz LTE-U技術的無線通信設備，實現對變電站室內外進行4 GHz LTE網絡覆蓋，通過LTE-U無線網絡接入，實現多業務通信接入設備來解決多種生產業務的通信接入問題，為生產運行智能化、自動化水平提升提供通信支撐。

本次測試的主要目的是驗證5.8 GHz LTE無線通信設備對各類接入業務的接入能力及5.8 GHz LTE無線通信設備與現有電力生產業務系統(智能巡檢機器人)對接的對接機制及可靠性、兼容性、互通性等，同時實現通過分布式安全接入平臺實現數據與內外通信。場強測試拓撲圖見圖3。

3.1 無線信號場強測試

測試無線LTE網絡在變電站的信號覆蓋情況。利用頻譜在覆蓋范圍內選取多個測試進行場強、抗干擾測試。

3.2 數據傳輸帶寬測試

測試無線5.8 GHz LTE設備的數據通信功能，數據傳輸帶寬測試的拓撲圖如圖4所示。網速測試軟件為IPOP V4.1和IPerf2.02,延時測試軟件為Qcheck 3.0。具體的測試步驟如下。

(1)測試測試電腦1和2上的 iperf-2.02in新建一個名稱為“download”命令為iperf -c XXX.XXX.XXX.XXX(測試對端電腦IP地址) -f m -i 1 -t 1000 -b 15m的bat文件，新建一個名稱為“upload”命令為iperf -s -f m -i 1的bat文件。

(2)測試LTE上行帶寬時，測試電腦1運行iperf.exe文件，在運行downlaod.bat文件；在測試電腦2運行iperf.exe文件，在運行uplaod.bat文件；同時運行IPO4.1.exe文件在“網卡流量”菜單中查看上行帶寬。

(3)測試LTE下行帶寬時，測試電腦2運行iperf.exe文件，在運行downlaod.bat文件；在測試電腦1運行iperf.exe文件，在運行uplaod.bat文件；同時運行IPO4.1.exe文件在“網卡流量”菜單中查看上行帶寬。

(4)打開Qcheck 3.0測試軟件，配置測試點源IP和目的IP。在“Options”中單擊選中“Response Time”按鈕，測試次數設置為3，數據包大小設置為10 000 bytes，然后單擊Run按鈕運行測試，記錄測試結果。

(5)在變電站內隨機選定有代表性的8個點進行測試。

3.3 高清攝像頭測試

高清攝像頭測試拓撲圖如圖5所示。具體的測試步驟可以分為以下三步。

(1)高清攝像頭連接到CPE2上。

(2)視頻演示電腦通過IE登陸到高清攝像頭上，預覽高清攝像頭視頻。

(3)測試人員手持攝像頭在變電站內隨機走動，查看攝像頭視頻是否清晰。

3.4 巡檢機器人接入測試

基于5.8 GHz LTE-U技術的智能機器人巡檢接入測試的拓撲圖如圖6所示。具體可以分為以下三個步驟。

(1)打開巡檢機器人后臺程序，查看機器人跟后臺間通信是否正常。

(2)如7圖所示，查看機器人圖像傳輸是否正常，轉動機器人云臺查看控制機器人是否正常。

(3)設置機器人巡檢路線，查看機器人巡檢是否正常(見圖8)。

4 測試結果

區域信號覆蓋測試的測試結果如圖9所示，通過測試房間內的場強來對區域的覆蓋情況進行測試。圖9(a)為一樓機器人房間測試結果，圖9(b)為二樓房間測試截圖，圖9(c)為電纜層測試截圖，圖9(d)為主變房間測試。通過圖9中的測試結果表明，提出的基于5.8 GHz LTE-U技術的變電站通信業務接入技術的區域信號覆蓋符合技術要求。

通過帶寬測試的結果可以看出，本系統具有很高的帶寬，符合設計要求。

通過基站測試切換使用可知，基于5.8 GHz LTE-U設備傳送的高清視頻清晰流暢，沒有出現延時和卡頓情況。

機器人測試結果表明，在設計覆蓋范圍內，機器人可以做正常巡檢，并且機器人的通信正常，無中斷、丟包現象。

這些測試結果說明變電站室內信號覆蓋、信號時延、上行帶寬、基站間切換、機器人及IED業務接入等各項指標均滿足設計要求。

5 結語

為有效提高變電站智能化水平，實現運檢業務協同和運檢設備數據貫通，支撐變電站更安全、更智能、更高效地運行，本文提出了一種基于5.8 GHz LTE-U 的變電站通信業務接入技術。該技術可以滿足電網視頻、無人巡檢機器人、溫濕度傳感器等大帶寬、高可靠和低時延傳輸要求。此外，它還具有快速信道接入機制和終端掉線自動重連機制，可以實現電網設備故障預警的快速響應。實際測量結果表明，基于5.8 GHz LTE-U 的變電站通信業務接入技術各項測量數據全部達標，可以為實現智能電網應用提供強有力的支撐。