基于IoT-G 230 MHz電力無線通信關鍵技術分析

趙曉坤，高 潔，郭冰潔，曾 建

(國網四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

電網是國家能源結構發展中十分重要的組成部分，社會經濟發展以及日常生活的方方面面都離不開電網的支撐。隨著電網技術和信息通信技術的快速發展以及中國特色國際領先的能源互聯網企業目標的提出，為電網的發展提供了新的方向。隨著智能電網的興起，電網的發、輸、變、配和用環節都需要全面升級。其中配電網作為智能電網的“最后一公里”，對實現智能電網和能源互聯網戰略目標起著關鍵作用[1-2]。

當前配電網的通信技術主要采用包括光纖、電力線載波、無線公網和無線專網等[3-4]。光纖通信難以適應配電網節點量大、覆蓋面廣、復雜多元的業務特點[1]。電力線載波通信傳輸速率和穩定性差，傳輸通信量低，無法承載部分大流量業務[5]。無線公網通信存在信號覆蓋盲區，時延性高，系統漏洞多，易遭受攻擊，承載能力差，且其運營成本較高，難以滿足智能電網發展的需求[6]。隨著“新能源、新業務”不斷接入電網中，輸電、變電控制向末端拓展，控制點數量成百萬量級，電力無線專網由于是電力業務專用，能夠滿足電力系統的電力業務對通信高質量的需求，提供可靠的帶寬速率、安全隔離和良好的信號覆蓋[7]。

電力無線專網有230 MHz和1800 MHz兩種頻段，分別有適合承載的智能配電網電力業務[6]。其中LTE-1800 MHz系統存在網絡覆蓋小、信號穿透性較差和信號較弱的缺點，且部分地市的相應頻點資源己被其他行業占用，對電力無線專網的建設造成一定阻礙[8]。2018年9月，工信部下發《關于調整223～235 MHz頻段無線數據傳輸系統頻率使用規劃的通知》，明確了230 MHz頻段7 MHz帶寬用于電力等行業無線數據傳輸和能源互聯網應用[9]。同時明確規定工信部發布自電力行業增加230 MHz的帶寬之日起，不再受理電力1800 MHz頻率的申請。

因此，下面選擇對IoT-G 230 MHz電力無線通信關鍵技術進行分析，分別從IoT-G 230 MHz關鍵性能指標與國家電網公司(以下簡稱國網)核心業務的匹配度、IoT-G 230 MHz電力無線通信關鍵技術以及IoT-G 230 MHz電力無線通信技術的未來發展部署進行分析，為促進IoT-G 230 MHz電力無線通信技術的發展提供參考。

1 IoT-G 230 MHz關鍵性能指標與國網核心業務需求匹配度

國網核心業務中基礎業務的需求分析如表1所示，基礎業務主要針對日常中有關生產類業務。從表中可以得出國網基礎業務對速率需求為10～100 kb/s；時延需求為小于50 ms；容量需求為數千至數萬每平方千米，有低功耗需求；安全需求為高；網絡需求為廣域連續覆蓋。

表1 國網基礎業務需求分析

國網核心業務中擴展業務的需求分析如表2所示，擴展業務主要針對日常中有關信息化類業務。從表中可以得出：國網擴展業務對速率需求為2～4096 kb/s；時延需求為幾百毫秒至秒級；容量需求為幾十至上百每平方千米；安全需求為中高；網絡需求為局域為主。

表2 國網擴展業務需求分析

IoT-G 230 MHz關鍵性能指標如圖1所示。對比表1和表2對國網核心業務的需求分析，IoT-G 230 MHz支持7 M全帶寬需求，采用10 ms短幀結構以及低時延免調度算法，支持20 ms最低空口時延，支持4.5G D2D 100 dB深度覆蓋，可達20%覆蓋領先以及0.15 W最低靜態功耗。綜上， IoT-G 230 MHz關鍵性能指標完全滿足國網核心業務需求。

圖1 IoT-G 230 MHz關鍵性能指標

2 IoT-G 230 MHz電力無線通信關鍵技術分析

IoT-G 230 MHz通信技術基于第三代合作伙伴計劃的4.5G技術，面向物聯網應用場景，適配電網業務和頻譜特點，定義了標準3.75 kHz子載波間隔，有效利用窄帶和離散頻譜，符合電力無線通信接入要求，包括配電自動化“三遙”和控制類等低時延、高可靠業務[10]。IoT-G 230 MHz電力無線通信系統通過4.5G技術重耕230 MHz頻譜，并支持向5G平滑演進，滿足未來新興業務需求。

IoT-G 230 MHz電力無線通信系統除了采用標準TD-LTE的OFDMA、多進多出、小區間干擾抑制、自適應調制與編碼、混合自動重傳請求(hybrid automatic repeat request，HARQ)、功率控制等多種技術外，還根據電力業務和頻譜特點引入離散載波聚合、低時延、控制信道效率提升、跳頻抗干擾等關鍵技術。

2.1 IoT-G 230 MHz離散載波聚合技術

IoT-G 230 MHz離散載波聚合技術將經過信道編碼和交織后的信息比特均分為多個子塊，每個子塊分配至一個載波上發送，從而通過增加承載業務數據的載波數提升單位時間內發送的數據量，顯著提高傳輸速率。接收側只需將多個載波上的接收信號解調得到的多個軟比特信息子塊級聯為一個完整的碼塊，然后經過解交織和信道譯碼，即可獲得完整的業務數據包。相比于長期演進技術(long term evolution，LTE)系統復雜的層二載波聚合技術，IoT-G 230 MHz采用的物理層離散載波聚合技術顯著降低了發送端和接收端的處理復雜度，匹配230 MHz頻段窄帶載波聚合的特點，有助于提高設備可支持的聚合載波數目。IoT-G 230 MHz離散載波聚合技術如圖2所示。

圖2 離散載波聚合技術

2.2 低時延技術

IoT-G 230 MHz電力無線通信系統通過幀結構設計、無調度傳輸、快速反饋模式等關鍵技術，滿足毫秒級控制業務的低時延需求。

1)幀結構設計

IoT-G 230 MHz電力無線通信系統空中接口物理層幀長設計為10 ms，使得業務數據等待可承載其傳輸的下行資源的時延不超過10 ms，等待時延和傳播時延之和不超過15 ms。即使考慮業務數據因信道小尺度衰落較嚴重而重傳一次，整體通信時延也不超過30 ms，可以滿足毫秒級控制類業務的時延要求。IoT-G 230 MHz短幀結構設計如圖3所示。

圖3 短幀結構設計

2)無調度傳輸

當業務數據傳輸需通過物理下行控制信道進行調度時，業務數據在空中接口的整體傳輸時延包含傳輸資源等待時延、下行控制信息傳輸時延、下行控制信息處理時延、業務數據傳輸時延以及業務數據接收狀態反饋時延5個部分。傳輸資源等待時延最惡劣情況可接近10 ms。為滿足毫秒級控制類業務低時延要求，需盡可能節省其余四項時延。為此，IoT-G 230 MHz電力無線通信系統引入了免調度傳輸技術，如圖4所示。

圖4 免調度算法技術

無調度傳輸技術中，業務數據傳輸無需經過物理下行控制信道調度，基站或終端可根據網絡配置的時頻資源直接將業務數據信號發送至空中。基于該技術，可節省下行控制信息傳輸時延和下行控制信息處理時延，使空中接口整體傳輸時延減少10 ms以上，為滿足毫秒級控制類業務低時延要求提供保障。

3)快速反饋技術

為減少業務數據接收狀態反饋時延，IoT-G 230 MHz電力無線通信系統還支持快速反饋技術。當業務數據傳輸配置為快速反饋技術時，業務數據及其反饋信息均承載于截短的時頻資源塊傳輸，從而在業務數據及其反饋信息之間預留足夠的處理時延，使接收端可在當前幀即可反饋業務數據是否正確接收，而無需等待至下一幀反饋。快速反饋技術顯著減少了業務數據接收狀態反饋時延，進一步保障毫秒級控制類業務低時延要求得到滿足，如圖5所示。

圖5 低時延快速反饋技術

2.3 控制信道效率提升技術

下行方面，根據LTE和NB-IoT系統的實際網絡部署經驗，當網絡中存在大量突發性小包傳輸業務時，由于每一次上行或下行業務數據或信令的傳輸均需通過物理下行控制信道調度，物理下行控制信道的容量通常成為系統容量瓶頸。若上行業務數據或信令傳輸的HARQ反饋信息也都通過物理下行控制信道傳遞給終端，則會進一步占據已非常緊缺的物理下行控制信道資源。為緩解物理下行控制信道的容量問題，可引入LTE采用的物理混合自動重傳指示信道，對于每次上行業務數據或信令傳輸只需反饋1 bit信息，以替代用物理下行控制信道進行反饋所攜帶的數十比特信息，從而顯著提升HARQ反饋信息的傳輸效率，節省物理下行控制信道資源。

上行方面，為應對用電信息采集業務海量終端接入，IoT-G 230 MHz電力無線通信系統的物理上行控制信道支持多用戶間碼分復用，使多個用戶對下行業務數據或信令傳輸的HARQ反饋信息可采用相同的時頻資源發送至基站，從而成倍提升物理上行控制信道的傳輸效率，節省上行傳輸資源。

2.4 跳頻抗干擾技術

230 MHz頻段為多個行業共同使用，因此，IoT-G 230 MHz電力無線通信系統的空中接口設計需具備抑制異系統數傳電臺窄帶干擾的能力，并盡可能降低對異系統數傳電臺的干擾。為此，IoT-G 230 MHz電力無線通信系統采用了跳頻干擾抑制技術，可通過靈活的調度方式對異系統干擾進行規避。

跳頻是指收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規律進行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。通過跳頻技術，可有效降低異系統對IoT-G 230 MHz電力無線通信系統的干擾，同時也可有效降低對異系統的干擾。此外，跳頻還可獲取頻率分集增益，提升覆蓋性能，抑制慢變深衰落信道對終端性能的影響。IoT-G 230 MHz電力無線通信系統的上行和下行均支持信道間跳頻技術。

此外，對于射頻帶寬受限的低成本窄帶終端，IoT-G 230 MHz電力無線通信系統還支持分組跳頻技術，使得終端在使用載波聚合時，成員載波成組進行跳頻，保證了跳頻后成員載波之間的間距不超過終端射頻帶寬，從而使低成本終端也可采用跳頻和載波聚合相結合的方式傳輸業務數據，同時滿足IoT-G 230 MHz電力無線通信系統對傳輸速率和傳輸可靠性的要求。

綜上所述，單載波跳頻以25 kHz載波為最小單位跳頻，提升單載波業務(如配電自動化、用電信息采集)抗干擾能力。分組載波跳頻將多個25 kHz載波綁定為一組，以載波組為最小單位，在系統指定的載波集合內跳頻。

3 IoT-G 230 MHz優勢及其應用部署

3.1 IoT-G 230 MHz優勢

基于第2節對IoT-G 230 MHz電力無線通信關鍵技術的分析，總結出IoT-G 230 MHz九大優勢，分別是全帶寬、低延時、抗干擾、覆蓋強、低功耗、多樣性、易演進、全融合、IPv6。

1)全帶寬。離散載波靈活選擇和聚合，223～226 MHz、229～233 MHz帶寬內280個離散載波靈活選擇，滿足多樣的電力業務要求。

2)低時延。采用10 ms幀長結構以及無調度算法，可達到空中接口20 ms超低延時，滿足控制類業務時延需求。

3)抗干擾。跳頻的通信方式，控制信道備份，其有7 M帶寬的跳頻范圍，且分組跳頻支持窄帶聚合，同時控制信道備份提高其可靠性。

4)覆蓋強。2T2R數據信道時域重復，最大耦合線損155 dB+。

5)低功耗。簡化協議棧，終端模組靜態功耗小，支持電表和故障指示器。

6)多樣性。采用業務切片技術，資源隔離實現控制類、采集類業務隔離和不同需求。

7)易演進。采用類LTE與NB-IoT協議棧，復用LTE/NB-IoT產業鏈，具有更開放的生態能力。

8)全融合。基于宏站LTE分支開發，架構上支持同廠家230 MHz和1800 MHz網絡融合，保護投資，簡化運維。

9)IPv6。支持IPv4/v6雙棧，滿足未來海量終端部署需求。

3.2 IoT-G 230 MHz應用情況

目前，IoT-G 230 MHz技術在無人值守變電站、配電自動化、電力園區以及輸電線路視頻監控等方面已取得突出成績。

無人值守變電站的應用如圖6所示，其可實現單基站覆蓋全變電站(典型變電站：200 m×200 m)；50 ms切換時延，0丟包；單基站可同時調度128用戶；具有基于LTE的調度機制和抗干擾等特性。

圖6 無人值守變電站應用

配電主站通過信息交互總線與上一級調度自動化系統、配電GIS系統、生產管理系統、營銷管理信息系統實現信息交互。配電自動化終端采用IoT-G 230 MHz接入配電自動化主站和子站。配電終端包括饋線終端(FTU)、站所終端(DTU)、配變終端(TTU)。

目前配電自動化已完成A+、A和B類區域覆蓋，配電三遙站點2455個，二遙站點198個，三遙站點覆蓋率100%。如圖7所示，使用IoT-G 230 MHz電力無線專網高效回傳，實現各類終端站點集成交付運維。其中接入回傳特點有：專用頻段，任意地形無需布線；視通/非視通任意組網；支持360°全向部署密集接入；時分多址(time division multiple access，TDMA)抗干擾，IP67，工作溫度為-40 ℃～+70 ℃、10 kV防雷、 99.99%高可靠；極簡配置，即插即用，集中監控、免現場運維；接口豐富RJ45/RS232/RS485/RS422。

圖7 配電自動化接入應用

3.3 IoT-G 230 MHz未來發展部署

集群業務是未來發展的一個重要方向，集群業務包括了語音集群業務、集群數據業務以及集群補充業務，表3詳細介紹了集群業務的類型及其功能。

表3 集群業務類型及其功能

根據表3的介紹，為支持組播呼叫/全播呼叫，空中接口應支持組播/廣播功能，以滿足傳輸時延要求，并顯著提升資源利用率；應急通信可能存在部分區域的基站由于災害等因素無法正常工作的場景，此時需支持終端間直連通信(direct mode operation，DMO)；應急通信需支持通過終端中繼的方式擴展覆蓋至基站難以覆蓋的區域；跨小區的移動性，支持低時延切換等。

4 結 論

智能電網是國家能源發展戰略中十分重要的一部分，智能電網的發展離不開通信技術的支持。無線專網在電網中由于是電力業務專用，能夠滿足電力系統的電力業務對通信高質量的需求，提供可靠的帶寬速率、安全隔離和良好的信號覆蓋。IoT-G 230 MHz電力已成為智能電網發展中的關鍵無線通信技術。通過對國網關鍵核心業務與IoT-G 230 MHz關鍵性能指標的匹配性以及IoT-G 230 MHz電力無線通信關鍵技術的分析，總結了IoT-G 230 MHz的九大優勢，并對其未來發展部署進行了展望，為促進IoT-G 230 MHz電力無線通信技術的發展提供建議。