衷宇清1，王  敏1，孫  穎1，王  浩1，陳永濤1，謝  凱2，余曉東2

　　（1. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620；2. 普天信息技術(shù)有限公司，北京 100080）

　　摘  要： TD-LTE無(wú)線寬帶通信技術(shù)已在電力行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，用于承載配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的計(jì)量、配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)，該技術(shù)在工程實(shí)施過(guò)程中時(shí)常遇到諸如地下室、樓宇死角等區(qū)域信號(hào)難以覆蓋的問(wèn)題，導(dǎo)致這些區(qū)域里電房的計(jì)量、配電終端無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。本文介紹了一種工作在開(kāi)放頻段的無(wú)線中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，相關(guān)產(chǎn)品已批量應(yīng)用到TD-LTE230無(wú)線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)中，有效解決了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)盲區(qū)難以覆蓋的問(wèn)題，該方案通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)測(cè)算也具有可推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞： TD-LTE；無(wú)線中繼系統(tǒng)；信號(hào)盲區(qū)；計(jì)量自動(dòng)化；配電自動(dòng)化

0 引言

　　第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE是國(guó)際主流開(kāi)發(fā)的通信系統(tǒng)，TD-LTE230電力無(wú)線通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“LTE230”）是以第四代移動(dòng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合電力已有的230 MHz頻譜資源為電力系統(tǒng)提供高性能的無(wú)線通信專網(wǎng)解決方案，滿足堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的通信和信息化發(fā)展需求。該系統(tǒng)在廣州花都區(qū)大規(guī)模應(yīng)用過(guò)程中，常遇到居民小區(qū)、大型寫字樓或者商場(chǎng)內(nèi)部的地下室、樓宇死角等信號(hào)盲區(qū)無(wú)法覆蓋的難題。

　　目前，對(duì)于信號(hào)盲區(qū)多采用終端天線拉遠(yuǎn)或者終端拉遠(yuǎn)方式進(jìn)行解決，但方案存在拉遠(yuǎn)距離近、施工量大、物業(yè)協(xié)調(diào)困難等問(wèn)題。在這種情況下，本文提出一種基于開(kāi)放頻段的無(wú)線中繼系統(tǒng)解決方案。

1 無(wú)線中繼系統(tǒng)解決方案

　　1.1 LTE230系統(tǒng)介紹

　　LTE230系統(tǒng)是針對(duì)電力行業(yè)無(wú)線通信應(yīng)用需求，基于OFDM、自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)重傳等LTE核心技術(shù)，使用電力行業(yè)在230MHz頻段已有授權(quán)頻譜資源研發(fā)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，支持包括用電信息采集、配電自動(dòng)化、視頻傳輸?shù)入娏I(yè)務(wù)，并能根據(jù)電力用戶需求不斷進(jìn)行改進(jìn)與定制。該系統(tǒng)具有廣覆蓋、海量用戶、高可靠性、高速率傳輸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性強(qiáng)、頻譜適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。LTE230網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　1.2 無(wú)線中繼系統(tǒng)介紹

　　無(wú)線中繼系統(tǒng)工作在開(kāi)放頻段，基于ZigBee無(wú)線技術(shù)，具備自組網(wǎng)能力，支持多跳傳輸。該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)是能與遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腖TE230終端通信模塊配套使用，解決LTE230電力無(wú)線專網(wǎng)在大面積覆蓋時(shí)遇到的地下室、樓宇死角等信號(hào)覆蓋差的問(wèn)題。無(wú)線中繼系統(tǒng)與LTE230系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖2所示。

　　無(wú)線中繼系統(tǒng)與LTE230系統(tǒng)的組網(wǎng)方案具有以下特點(diǎn)：

　　（1）視距1 200 m；

　?。?）Mesh網(wǎng)絡(luò)；

　?。?）開(kāi)放頻段，抗干擾能力強(qiáng)；

　?。?）支持多跳。

　　1.2.1  總體設(shè)計(jì)

　?。?）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

　　無(wú)線中繼系統(tǒng)支持自組網(wǎng)，支持mesh網(wǎng)絡(luò)，任意節(jié)點(diǎn)都可以互相通信，支持多跳傳輸，最終通過(guò)AP連接外網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu)

　　無(wú)線中繼系統(tǒng)采用四層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為物理層(PHY)、媒介訪問(wèn)控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APP)。如圖4所示。

　　1.2.2  系統(tǒng)組成

　　整個(gè)無(wú)線中繼系統(tǒng)由接入點(diǎn)（AP）、終端節(jié)點(diǎn)（ED）兩部分組成，內(nèi)含嵌入式模塊，其中AP負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離LTE230信號(hào)與無(wú)線中繼系統(tǒng)近距離信號(hào)的轉(zhuǎn)換；ED負(fù)責(zé)與電力行業(yè)終端（計(jì)量自動(dòng)化、配電自動(dòng)化終端）進(jìn)行對(duì)接。

　?。?）接入點(diǎn)（AP）

　　接入點(diǎn)AP負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離LTE230信號(hào)與無(wú)線中繼系統(tǒng)近距離信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)支持LTE230網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線中繼系統(tǒng)近距離通信網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)備符合IP65防護(hù)等級(jí)支持室外安裝。該設(shè)備主要安裝在建筑物外或樓體間的入口等LTE230信號(hào)較好的區(qū)域，用于接收LTE230的信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為無(wú)線中繼系統(tǒng)信號(hào)，與地下室內(nèi)的其他無(wú)線中繼系統(tǒng)設(shè)備通信。

　　（2）終端節(jié)點(diǎn)（ED）

　　終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)最后與電力終端進(jìn)行對(duì)接，將電力終端信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線中繼系統(tǒng)信號(hào)，該終端體積小，功耗低，便于安裝，支持串口傳輸，采用24 V供電方式。

　?。?）電源系統(tǒng)

　　從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來(lái)看，無(wú)線中繼系統(tǒng)在多數(shù)情況下，需要安裝在居民樓、大型樓宇等地點(diǎn)，需要與第三方物業(yè)進(jìn)行協(xié)調(diào)獲準(zhǔn)后方可進(jìn)行安裝。特別是取電問(wèn)題是方案是否可行的關(guān)鍵。

　　接入點(diǎn)AP采用220 V交流供電加備用鋰電池的方式。220 V交流電通過(guò)地下室或樓體間內(nèi)的應(yīng)急供電系統(tǒng)或者樓梯間照明系統(tǒng)進(jìn)行供電。

　　考慮到樓道內(nèi)部供電可靠性不高，設(shè)備內(nèi)部增加了鋰電池供電模塊，當(dāng)外部電源穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)正常工作，同時(shí)鋰電池進(jìn)行充電，當(dāng)外部電源故障后，鋰電池進(jìn)行供電，可維持系統(tǒng)正常運(yùn)行4~5天。接入點(diǎn)AP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　1.2.3  技術(shù)指標(biāo)

　　無(wú)線中繼系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2  無(wú)線中繼系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用情況

　　2.1  地下室覆蓋測(cè)試

　　2.1.1  現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

　　某小區(qū)電房在地下車庫(kù)，從電房到車庫(kù)入口非直視路徑距離約30多米，雖然在LTE230基站覆蓋范圍內(nèi)，但是由于距離地面較遠(yuǎn)，LTE230信號(hào)無(wú)法覆蓋。

　　2.1.2  系統(tǒng)安裝

　　地下室離地面距離較遠(yuǎn)，但中間沒(méi)有多道墻體和門體阻隔，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)試，采用一個(gè)接入點(diǎn)AP就可將LTE230信號(hào)延伸覆蓋至電房。無(wú)線中繼系統(tǒng)接入點(diǎn)AP安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

　　2.1.3  系統(tǒng)調(diào)試

　　首先，測(cè)試地下車庫(kù)入口處230信號(hào)強(qiáng)度，RSRP為-95 dBm，SNR大于10 dB，滿足LTE230的安裝要求。

　　將模擬無(wú)線中繼系統(tǒng)信號(hào)源安放于電房配變監(jiān)測(cè)終端內(nèi)，攜帶便攜無(wú)線中繼系統(tǒng)模塊測(cè)試下一個(gè)接收點(diǎn)，對(duì)誤塊率進(jìn)行測(cè)試。誤塊率低于1%的最遠(yuǎn)點(diǎn)就是下一個(gè)安裝點(diǎn)。安裝點(diǎn)主要選擇在有供電，且便于解決的地方，避免對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞，同時(shí)注意安裝的美觀性。

　　確定安裝點(diǎn)后，進(jìn)行設(shè)備的安裝，安裝完成后對(duì)天線的位置進(jìn)行調(diào)整。使用專用的無(wú)線中繼系統(tǒng)模擬信號(hào)源和監(jiān)控終端對(duì)每一個(gè)終端的轉(zhuǎn)發(fā)包和反饋包進(jìn)行監(jiān)控和匹配，如果存在丟包或反饋不正常的情況則對(duì)天線安放位置進(jìn)行微調(diào)，直到數(shù)據(jù)傳輸正常為止。

　　最后，搭建模擬主站，進(jìn)行LTE230 + 無(wú)線中繼系統(tǒng)的全鏈路測(cè)試。從模擬主站發(fā)包進(jìn)行還回測(cè)試，每包20 B，模擬主站進(jìn)行接收并統(tǒng)計(jì)丟包率，發(fā)送1 000包，收到994包,測(cè)得丟包率小于1%。

　　2.2  測(cè)試結(jié)果

　　2.2.1  室內(nèi)同層最遠(yuǎn)距離測(cè)試

　　測(cè)試地下室環(huán)境下無(wú)線中繼系統(tǒng)模塊一跳的覆蓋距離，測(cè)試條件預(yù)置位：發(fā)射功率為50 mW，空口速率設(shè)置為19.2 kb/s，帶寬設(shè)置為200 kHz，頻偏設(shè)置為60 kHz，視距77 m左右。測(cè)試方案如圖7所示。測(cè)試結(jié)果如表2。

　　2.2.2  室內(nèi)隔層傳輸能力測(cè)試

　　隔層條件下，發(fā)送點(diǎn)位于某大廈B1層，接收點(diǎn)位于大廈3層，測(cè)試方案如圖8所示。測(cè)試結(jié)果如表3。

　　2.2.3  室內(nèi)隔層斜穿傳輸能力測(cè)試

　　隔層條件下（斜穿穿透方向），發(fā)送點(diǎn)位于大廈1層西南角，接收點(diǎn)位于B1層?xùn)|北角（距離40 m）。室內(nèi)隔層斜穿傳輸能力如圖9所示。測(cè)試結(jié)果如表4。

　　2.2.4  穿門測(cè)試

　　發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)分別位于鐵門兩側(cè)，穿門損耗為20 dBm，穿門測(cè)試方案如圖10所示。

　　2.2.5   測(cè)試結(jié)果

　　在丟包率小于2%的情況下測(cè)試結(jié)果如表5。

　?。?）通過(guò)無(wú)線中繼系統(tǒng)無(wú)線轉(zhuǎn)接，僅通過(guò)一跳將LTE230終端從地下室轉(zhuǎn)地面門口處，信號(hào)強(qiáng)度從-125 dBm提升到-103 dBm實(shí)現(xiàn)了地下室測(cè)試效果；

　?。?）無(wú)線中繼系統(tǒng)信號(hào)穿透能力、繞射能力強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定，丟包率低；

　?。?）接入點(diǎn)AP，利用樓梯口的應(yīng)急燈進(jìn)行取電，順利解決了安裝取電的問(wèn)題，

　?。?）接口聯(lián)通順暢，安裝簡(jiǎn)潔。

　　2.2.6  系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

　　基于開(kāi)放頻段的無(wú)線中繼系統(tǒng)通信方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）采用受保護(hù)頻段，干擾相對(duì)較少；

　?。?）采用無(wú)線中繼方式，避免了拉線等施工難題，對(duì)物業(yè)破壞小，物業(yè)協(xié)調(diào)簡(jiǎn)單；

　?。?）支持220 V市電，并備有應(yīng)急鋰電池，電源供應(yīng)穩(wěn)定可靠，容災(zāi)性強(qiáng)；

　?。?）無(wú)線傳輸支持HARQ等重傳機(jī)制，保證系統(tǒng)傳輸質(zhì)量。

3  結(jié)論

　　無(wú)線中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)解決了LTE230無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)信號(hào)盲區(qū)的覆蓋問(wèn)題，多數(shù)情況下，無(wú)線中繼系統(tǒng)僅需要“一跳”即可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的轉(zhuǎn)接，網(wǎng)元增加量少，后續(xù)LTE230網(wǎng)管系統(tǒng)將增加對(duì)無(wú)線中繼系統(tǒng)終端的網(wǎng)絡(luò)管理功能，無(wú)線中繼系統(tǒng)設(shè)備是否故障在網(wǎng)管中心一目了然，大大減小了系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜度。

　　通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試顯示無(wú)線中繼系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠滿足計(jì)量自動(dòng)化、配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的承載需求。作為對(duì)LTE230系統(tǒng)信號(hào)覆蓋重要的補(bǔ)充手段，無(wú)線中繼系統(tǒng)免去布線的復(fù)雜工作量，簡(jiǎn)單易行，經(jīng)濟(jì)效益也較天線拉遠(yuǎn)等方式明顯，可做為配電通信網(wǎng)建設(shè)中信號(hào)的計(jì)量中繼、配電中繼推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

　　[1]3GPP TS 33.401:SAE安全架構(gòu)[R].

　　[2]IETF RFC 4303: IP封裝安全協(xié)議(ESP) [R].

　　[3]3GPP TS 36.323: 演進(jìn)的通用陸地?zé)o線接入(E-UTRA)之PDCP規(guī)范[S].

　　[4]電力行業(yè)信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)定級(jí)工作指導(dǎo)意見(jiàn)[R].電監(jiān)信息[2007]44號(hào), 2007.

　　[5]許力，鄭寶玉. 移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)能路由策略的分析與比較[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004(5):827-832.

　　[6]孟利民，宋文波. 移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議研究[M]. 北京人民郵電出版社，2012.

　　[7]Silicon Laboratories Inc. Si4432 user’s manual[R]. 2009.

　　[8]IEEE std 802.15.4:wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for lowrate wirelesspersonal area networks(WPANs)[S].IEEE, 2006.

　　[9]Silicon Laboratories Inc. EZMACPRO user’s guide[R]. 2009.

　　[10]鄭朝霞，鄒雪城，姜天杰,等. WSN中CSMA/CA協(xié)處理器的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2009,29（1）：132-137.

　　[11]陳陽(yáng), 徐曉光, 陳躍東. 基于嵌入式系統(tǒng)的電能采集終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(03):97-101.

　　[12]蔣立兵.基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2011.

　　[13]STMicroelectronics Inc. STM32F405xx/07xx, STM32F41 5xx/17xx, STM32F42xxx andSTM32F43xxx advanced ARM-based 32-bit MCUsreference_manual[R]. 2008.

　　[14]季力. 基于STM32芯片的電參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2010(3):137-139.