衷宇清1，孫 穎1，王 浩1，陳永濤1，林璇霓1，蔡繼濤1，余曉東2，謝 凱2
?。?. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州；2. 普天信息技術有限公司，北京 100080）
摘 要： LTE230系統(tǒng)經過多年的網絡建設運營，技術與應用結合日趨成熟，具備大規(guī)模組網基礎。提出無線專網技術在配網業(yè)務大規(guī)模組網所需的必要條件，并以此對我國首個LTE230系統(tǒng)大規(guī)模實驗網的建設、測試情況進行評估，為LTE230系統(tǒng)在配電網網絡通信領域大規(guī)模組網提供參考。
0 引言
LTE230系統(tǒng)是工作于230 MHz頻段的寬帶接入系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有覆蓋廣、容量大、成本低、頻譜效率高、安全性強等特點，相比光纖、載波、無線公網等傳統(tǒng)配用電通信方式具有顯著的技術優(yōu)勢，能夠解決配電通信網光纖部署施工難的問題，實現(xiàn)城區(qū)配電通信網的連續(xù)覆蓋，滿足計量自動化、配電自動化業(yè)務需求。
隨著230 MHz頻段的開放，行業(yè)用戶可以在230 MHz頻段申請5 MHz或更寬頻段使用，LTE230無線系統(tǒng)不僅能夠支持更大規(guī)模的數(shù)據(jù)業(yè)務，還可以支持語音和視頻等高實時、高帶寬業(yè)務。頻譜資源的擴充和應用場景的多樣化，提升了LTE230系統(tǒng)的使用價值，也促進LTE230網絡向小型實驗網向大規(guī)模組網方向的轉變。
近期在廣州市花都區(qū)建設的LTE230系統(tǒng)大規(guī)模實驗網采用LTE230系統(tǒng)覆蓋花都區(qū)500平方公里的區(qū)域，接入3 020個配網計量自動化和配網自動化終端。隨著本項目LTE230網絡建設的不斷完善和應用經驗的積累，對LTE230系統(tǒng)在大規(guī)模應用場景下的頻譜適應性、業(yè)務傳輸可靠性、系統(tǒng)安全性和終端接口適應性等方面進行分析和評估，為LTE230系統(tǒng)電力配用電通信網絡的大規(guī)模組網決策提供參考。
1 LTE230系統(tǒng)介紹
TD-LTE230系統(tǒng)是工作在230 MHz頻段上，利用OFDM、頻譜聚合、頻譜感知等當代先進的無線通信技術，針對電力系統(tǒng)需求進行大量定制的一套無線接入系統(tǒng)。該系統(tǒng)將230 MHz頻段上的離散頻點聚合使用，能夠支持多種業(yè)務模型。LTE230采用全IP網絡構建，組網靈活。圖1為LTE230網絡內的架構。LTE230系統(tǒng)由終端、接入網、核心網和操作維護中心組成。終端連接配電、用電信息采集等設備，負責將設備數(shù)據(jù)發(fā)送至接入網。接入網一方面進行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面，對終端的行為進行控制。核心網作為LTE230系統(tǒng)網絡對外IP網絡的網關，將接入網的數(shù)據(jù)發(fā)送到電力系統(tǒng)主站。
2 LTE230系統(tǒng)大規(guī)模應用能力評估
參考無線公網建設經驗，從頻譜的適應性、覆蓋環(huán)境的適應性、業(yè)務傳輸可靠性、終端接口的適應性和系統(tǒng)安全性等方面評估LTE230系統(tǒng)大規(guī)模應用能力。
頻譜的適應性指的是無線接入系統(tǒng)的頻譜資源是否容易獲得。頻譜資源是限制無線系統(tǒng)能否大規(guī)模應用的最重要的限制條件。無線系統(tǒng)的頻譜資源需要國家無線頻譜政策的保證。作為稀缺的公共資源，頻譜資源國際通行的分配方法是通過拍賣競價的方式。例如印度在2015年3月拍賣了900 MHz和1 800 MHz頻譜的使用權，拍賣價格總和為179億美元。競價拍賣的方式使得頻譜資源的用戶承擔巨額頻譜費用，因此許多無線網絡技術采用公共無線頻段，公共頻段雖然是免費的，但是公共頻段自身缺點，如發(fā)射功率受限、覆蓋范圍有限、干擾嚴重等因素限制了采用公共無線頻段的無線接入技術在行業(yè)應用的中。
覆蓋環(huán)境的適應性是指無線系統(tǒng)是否能夠很好地覆蓋業(yè)務區(qū)域。隨著無線網絡規(guī)模的擴大，多樣化的覆蓋場景對網絡覆蓋提出更高的要求，因此覆蓋環(huán)境適應性是限制無線系統(tǒng)能否大規(guī)模應用的重要限制條件。一個無線系統(tǒng)覆蓋適應性強，不但可以減小網絡建設實施難度，以較小的網絡建設成本覆蓋業(yè)務區(qū)域，并且可以保證業(yè)務傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。一般來講，覆蓋環(huán)境的適應性與無線信號的衰減速度、繞射能力和輔助覆蓋設備有關。
業(yè)務傳輸可靠性也是無線系統(tǒng)大規(guī)模應用的關鍵因素。隨著網絡規(guī)模的擴大，終端設備數(shù)量的增加，以及業(yè)務量的增加，系統(tǒng)如何應對無線信號本身的衰落和相互干擾，成為考驗無線系統(tǒng)可靠性設計的關鍵難點。
終端產品適應性也是影響網絡大規(guī)模應用的因素。無線系統(tǒng)網絡規(guī)模的增大，意味著大量不同業(yè)務和廠家產品的接入。無線系統(tǒng)終端設備應具備標準接口適配來自于不同業(yè)務和廠家的產品。
無線網絡隨處可接入的特性使得無線網絡極易受到安全攻擊。隨著網絡規(guī)模的擴大，其受到安全攻擊的可能性增加。因此無線系統(tǒng)的安全性是限制無線系統(tǒng)大規(guī)模應用的因素之一。
下面基于本實驗網的實踐和測試情況，針對以上限制無線系統(tǒng)大規(guī)模應用的因素，對LTE230系統(tǒng)的大規(guī)模應用能力進行評估。
2.1 頻譜適應性
LTE230系統(tǒng)工作在230 MHz頻段，頻段范圍223.025~225.0 MHz。國家無委規(guī)定將230 MHz頻段作為遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務使用的頻段[1]。目前這個頻段主要被分配給能源、軍隊、氣象、地震、水利、地礦、輕工、建設等行業(yè)使用；其中40個授權頻點（25 kHz）分配用于電力負荷監(jiān)控[1]。隨著我國智能電網的發(fā)展，現(xiàn)有授權帶寬已經不能滿足行業(yè)專網對頻譜帶寬的需求。而230 MHz頻段在其他行業(yè)使用得還不充分,大部分頻點處于閑置狀態(tài)。為此國家無委鼓勵有頻譜需求的行業(yè)用戶根據(jù)自身業(yè)務需求申請空閑頻點使用。
LTE230系統(tǒng)選擇230 MHz頻段作為工作頻段，保證了用戶可以較低成本得到該頻段的使用權。LTE230系統(tǒng)對230 MHz的頻譜的適用性體現(xiàn)在如下兩點：
?。?）LTE230的頻譜是離散的頻點，成梳狀交錯分布。LTE230系統(tǒng)采用了頻譜聚合的技術可以將離散而交錯分布的頻點聚合，傳輸寬帶業(yè)務，擴展了230 MHz頻段的業(yè)務應用。
（2）230 MHz頻段存在數(shù)傳電臺的干擾。LTE230系統(tǒng)采用頻譜感知技術[2]感知技術感知干擾，并進行動態(tài)干擾規(guī)避。
圖2是本項目進行的頻譜感知的測試結果截圖。測試的過程為：先在226頻點發(fā)送下行數(shù)據(jù)，隨后在226頻點產生干擾信號，觀察傳輸流量變化和記錄系統(tǒng)工作頻點的變化。在終端處觀察數(shù)據(jù)流量，可以發(fā)現(xiàn)，當干擾開啟時，下行流量驟然下降，隨后回升至正常水平，中間的間隔小于1 s。同時，根據(jù)終端參數(shù)記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)終端工作的頻點發(fā)生變化，從226頻點跳轉至204。測試數(shù)據(jù)表明，LTE230系統(tǒng)成功采用頻譜感知技術啟動了干擾規(guī)避。
頻譜聚合技術、頻譜感知和干擾規(guī)避技術的采用使得LTE230系統(tǒng)非常適合在230 MHz頻段工作。同時230 MHz頻段的低成本特性也適合電力行業(yè)大規(guī)模使用。
2.2 覆蓋環(huán)境適應性
2.2.1 廣域覆蓋
LTE230系統(tǒng)的最大特點是覆蓋范圍廣。根據(jù)參考文獻[3]，無線電波的頻率越低，其傳播損耗（包括直射和繞射的損耗）越低。LTE230系統(tǒng)工作在230 MHz，覆蓋范圍廣。系統(tǒng)覆蓋范半徑在密集城區(qū)可達3 km，在農村可達30 km。由于LTE230系統(tǒng)在覆蓋上的優(yōu)勢，本項目基站站址的選擇變得非常簡單：所有的基站是建設在變電所、供電局等電力系統(tǒng)自有物業(yè)中。電力自有物業(yè)的密集度可以滿足LTE230系統(tǒng)覆蓋半徑的要求，并且具備光纖回傳設施。選擇電力自有物業(yè)建設基站免除了站點租用、鋪設光纖和物業(yè)溝通的大量工作，極大地降低了組網成本，加快了組網建設速度。
LTE230系統(tǒng)在本項目覆蓋的情況如表1所示。
本項目覆蓋地區(qū)為典型城鎮(zhèn)環(huán)境，既有樓宇密集的住宅小區(qū)，又有低矮的小樓。本文采用10個基站覆蓋近500 km2的區(qū)域，平均覆蓋半徑為5.6 km。圖3為本項目項目路測信號場強顯示。表2為本項目路測場強的統(tǒng)計。數(shù)據(jù)表明LTE230信號覆蓋良好，陰影區(qū)域小于3%。
本項目覆蓋測試結果顯示，230 MHz頻段因為其良好的繞射性能和很低的傳播損耗，非常適合用于覆蓋城區(qū)等復雜環(huán)境，覆蓋面積大，覆蓋陰影少，極大地降低了網絡建設成本。
2.2.2 補盲覆蓋
對于室內或地下室等環(huán)境的覆蓋，主要采用了無線中繼的輔助覆蓋方案。LTE230系統(tǒng)的無線中繼設備包括中繼終端設備ED和中繼接入設備AP。ED和AP之間通信采用470 MHz公共頻段，可以自組網，支持mesh組網和多跳路由。由于LTE230無線中繼方案避免了拉線等施工難題，設備安裝簡單，對物業(yè)破壞小，物業(yè)協(xié)調簡單，因此在本項目中使用廣泛。圖4為無線中繼系統(tǒng)多跳示意圖。
根據(jù)本項目的使用經驗，LTE230無線中繼系統(tǒng)的覆蓋范圍在建筑內同一層可以達到70 m，如果相差一層，則通信范圍為40 m。如果垂直安裝，可以穿透4層樓板。在大多數(shù)情況下，只需一跳就可以將信號傳輸?shù)绞彝狻?/p>
綜合室外和室內的覆蓋經驗，筆者認為LTE230系統(tǒng)可以提供完備的成熟解決方案，適合在城市環(huán)境進行大規(guī)模組網建設。
2.3 業(yè)務傳輸可靠性
LTE230系統(tǒng)采用HARQ，Turbo碼等技術減小信道衰落對傳輸?shù)挠绊?，采用頻譜感知、干擾規(guī)避等技術對抗230 MHz頻段的干擾。在硬件設計中采用了諸如降額設計、容錯設計等高可靠性設計技術，并對設備進行了大量環(huán)境穩(wěn)定性測試，保證了LTE230系統(tǒng)業(yè)務傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
本項目中，針對業(yè)務傳輸?shù)目煽啃裕瑢TE230系統(tǒng)做了傳輸穩(wěn)定性測試，業(yè)務接通率測試和抄表成功率測試。
穩(wěn)定性測試：使用環(huán)回工具持續(xù)對某終端發(fā)送數(shù)據(jù)包（每間隔10 s發(fā)送1個包），記錄收發(fā)包是否一致，測試持續(xù)7×24 h以上，并記錄數(shù)據(jù)收發(fā)情況和無線信道的穩(wěn)定性。測試結果統(tǒng)計，主站共發(fā)送60 621個數(shù)據(jù)包，終端收到60 619個數(shù)據(jù)包，1周環(huán)回業(yè)務保持正常，丟包率為0.003%。LTE230無線信道穩(wěn)定，數(shù)據(jù)收發(fā)正常。
業(yè)務接通率測試：對不同地點的終端重復進行斷電、上電操作，讓終端重復接入LTE230系統(tǒng)，統(tǒng)計成功接入次數(shù)。本文選取離基站距離分別為近點、遠點和中點的終端進行業(yè)務接通率測試。測試結果如表3所示。
LTE230系統(tǒng)穩(wěn)定，即使在小區(qū)邊緣，接入成功率為100%。
抄表成功率測試：對小區(qū)內集中器終端進行50次抄表測試，測試結果，抄表成功率100%。
業(yè)務穩(wěn)定性測試表明，LTE230系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性都達到應用要求標準，可以有效支持配電業(yè)務的通信需求。
2.4 終端接口標準化
LTE230系統(tǒng)終端需要連接現(xiàn)有行業(yè)設備。在本項目中，終端對接的設備包括，配變監(jiān)測終端設備，低壓集抄終端設備，負荷管理終端設備等。設備的接口協(xié)議遵從南方電網規(guī)定的企業(yè)標準。由于設備品牌、生產廠家、生產年代不同，設備接口協(xié)議時序，接口管腳順序等處略有不同，并且終端設備品牌眾多，因此終端對接的工作十分繁雜。
LTE230 系統(tǒng)終端接口的對接工作包括終端載板接口管腳位置變更和軟件協(xié)議適配兩個部分。軟件內建設備數(shù)據(jù)庫，隨著對接設備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)庫規(guī)模不斷增大，目前已經包含近80個設備數(shù)據(jù)。因此LTE230系統(tǒng)終端已經可以對接大多數(shù)在用配變、集抄和負控設備。
2.5 系統(tǒng)安全
LTE230系統(tǒng)采用第四代移動通信技術TD-LTE的安全邏輯模型。包括5個安全域。LTE230安全邏輯結構如圖5所示。
五類安全域首先是網絡接入安全，LTE230系統(tǒng)提供無線鏈路安全，用戶身份和網絡的雙向認證，用戶身份保護、加密密鑰分發(fā)、用戶數(shù)據(jù)和信令的加密和完整性保護等。其次是核心網網絡系統(tǒng)安全，LTE230提供基站和核心網的雙向鑒權和數(shù)據(jù)加密。第三類是用戶安全，LTE230系統(tǒng)提供終端安全實體，保護用戶數(shù)據(jù)加密和認證安全。第四類是應用安全，LTE230支持用戶在應用層進行的任何形式的安全交互、實體身份認證、應用數(shù)據(jù)重放攻擊檢測等安全功能。第五類是安全特性可見性與可配置能力：用戶獲得安全性是否開啟、服務是否需要安全服務等。這五類安全域有效地保障了LTE230系統(tǒng)安全。
3 結論
LTE230系統(tǒng)經過多年網絡的建設和運營，技術和應用日趨成熟，尤其是通過廣州市花都項目大規(guī)模組網的考驗，在頻譜的適應性，覆蓋環(huán)境的適應性，終端接口的適應性，以及安全性上都有具備了大規(guī)模組網的能力。
參考文獻
[1]中國無線電管理委員會. 關于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務頻段規(guī)劃的通知（國無管[1991]5號）[Z]. 1991.
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[3]郭梯云，鄔國揚，張闕盛. 移動通信[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社，1996.