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(shù)有限公司，北京 100080）

　　摘  要： LTE230系統(tǒng)經(jīng)過多年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營，技術(shù)與應(yīng)用結(jié)合日趨成熟，具備大規(guī)模組網(wǎng)基礎(chǔ)。提出無線專網(wǎng)技術(shù)在配網(wǎng)業(yè)務(wù)大規(guī)模組網(wǎng)所需的必要條件，并以此對(duì)我國首個(gè)LTE230系統(tǒng)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的建設(shè)、測(cè)試情況進(jìn)行評(píng)估，為LTE230系統(tǒng)在配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域大規(guī)模組網(wǎng)提供參考。

　　關(guān)鍵詞： 技術(shù)成熟度；LTE；無線組網(wǎng)；頻譜感知；傳播模型

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(qiáng)等特點(diǎn)，相比光纖、載波、無線公網(wǎng)等傳統(tǒng)配用電通信方式具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠解決配電通信網(wǎng)光纖部署施工難的問題，實(shí)現(xiàn)城區(qū)配電通信網(wǎng)的連續(xù)覆蓋，滿足計(jì)量自動(dòng)化、配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)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(qǐng)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(wù)，還可以支持語音和視頻等高實(shí)時(shí)、高帶寬業(yè)務(wù)。頻譜資源的擴(kuò)充和應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，提升了LTE230系統(tǒng)的使用價(jià)值，也促進(jìn)LTE230網(wǎng)絡(luò)向小型實(shí)驗(yàn)網(wǎng)向大規(guī)模組網(wǎng)方向的轉(zhuǎn)變。

　　近期在廣州市花都區(qū)建設(shè)的LTE230系統(tǒng)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)網(wǎng)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(gè)配網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化和配網(wǎng)自動(dòng)化終端。隨著本項(xiàng)目LTE230網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷完善和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)LTE230系統(tǒng)在大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景下的頻譜適應(yīng)性、業(yè)務(wù)傳輸可靠性、系統(tǒng)安全性和終端接口適應(yīng)性等方面進(jìn)行分析和評(píng)估，為LTE230系統(tǒng)電力配用電通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模組網(wǎng)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(dāng)代先進(jìn)的無線通信技術(shù)，針對(duì)電力系統(tǒng)需求進(jìn)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(diǎn)聚合使用，能夠支持多種業(yè)務(wù)模型。LTE230采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，組網(wǎng)靈活。圖1為LTE230網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的架構(gòu)。LTE230系統(tǒng)由終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和操作維護(hù)中心組成。終端連接配電、用電信息采集等設(shè)備，負(fù)責(zé)將設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送至接入網(wǎng)。接入網(wǎng)一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面，對(duì)終端的行為進(jìn)行控制。核心網(wǎng)作為LTE230系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，將接入網(wǎng)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(yīng)用能力評(píng)估

　　參考無線公網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，從頻譜的適應(yīng)性、覆蓋環(huán)境的適應(yīng)性、業(yè)務(wù)傳輸可靠性、終端接口的適應(yīng)性和系統(tǒng)安全性等方面評(píng)估LTE230系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用能力。

　　頻譜的適應(yīng)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(yīng)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(jià)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(quán)，拍賣價(jià)格總和為179億美元。競價(jià)拍賣的方式使得頻譜資源的用戶承擔(dān)巨額頻譜費(fèi)用，因此許多無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用公共無線頻段，公共頻段雖然是免費(fèi)的，但是公共頻段自身缺點(diǎn)，如發(fā)射功率受限、覆蓋范圍有限、干擾嚴(yán)重等因素限制了采用公共無線頻段的無線接入技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的中。

　　覆蓋環(huán)境的適應(yīng)性是指無線系統(tǒng)是否能夠很好地覆蓋業(yè)務(wù)區(qū)域。隨著無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，多樣化的覆蓋場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出更高的要求，因此覆蓋環(huán)境適應(yīng)性是限制無線系統(tǒng)能否大規(guī)模應(yīng)用的重要限制條件。一個(gè)無線系統(tǒng)覆蓋適應(yīng)性強(qiáng)，不但可以減小網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實(shí)施難度，以較小的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本覆蓋業(yè)務(wù)區(qū)域，并且可以保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。一般來講，覆蓋環(huán)境的適應(yīng)性與無線信號(hào)的衰減速度、繞射能力和輔助覆蓋設(shè)備有關(guān)。

　　業(yè)務(wù)傳輸可靠性也是無線系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，終端設(shè)備數(shù)量的增加，以及業(yè)務(wù)量的增加，系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)無線信號(hào)本身的衰落和相互干擾，成為考驗(yàn)無線系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難點(diǎn)。

　　終端產(chǎn)品適應(yīng)性也是影響網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的因素。無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，意味著大量不同業(yè)務(wù)和廠家產(chǎn)品的接入。無線系統(tǒng)終端設(shè)備應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)接口適配來自于不同業(yè)務(wù)和廠家的產(chǎn)品。

　　無線網(wǎng)絡(luò)隨處可接入的特性使得無線網(wǎng)絡(luò)極易受到安全攻擊。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)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(yīng)用的因素之一。

　　下面基于本實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的實(shí)踐和測(cè)試情況，針對(duì)以上限制無線系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的因素，對(duì)LTE230系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用能力進(jìn)行評(píng)估。

2.1 頻譜適應(yīng)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(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段[1]。目前這個(gè)頻段主要被分配給能源、軍隊(duì)、氣象、地震、水利、地礦、輕工、建設(shè)等行業(yè)使用；其中40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)（25 kHz）分配用于電力負(fù)荷監(jiān)控[1]。隨著我國智能電網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)有授權(quán)帶寬已經(jīng)不能滿足行業(yè)專網(wǎng)對(duì)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(diǎn)處于閑置狀態(tài)。為此國家無委鼓勵(lì)有頻譜需求的行業(yè)用戶根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求申請(qǐng)空閑頻點(diǎn)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(quán)。LTE230系統(tǒng)對(duì)230 MHz的頻譜的適用性體現(xiàn)在如下兩點(diǎn)：

　?。?）LTE230的頻譜是離散的頻點(diǎn)，成梳狀交錯(cuò)分布。LTE230系統(tǒng)采用了頻譜聚合的技術(shù)可以將離散而交錯(cuò)分布的頻點(diǎn)聚合，傳輸寬帶業(yè)務(wù)，擴(kuò)展了230 MHz頻段的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

　?。?）230 MHz頻段存在數(shù)傳電臺(tái)的干擾。LTE230系統(tǒng)采用頻譜感知技術(shù)[2]感知技術(shù)感知干擾，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)干擾規(guī)避。

　　圖2是本項(xiàng)目進(jìn)行的頻譜感知的測(cè)試結(jié)果截圖。測(cè)試的過程為：先在226頻點(diǎn)發(fā)送下行數(shù)據(jù)，隨后在226頻點(diǎn)產(chǎn)生干擾信號(hào)，觀察傳輸流量變化和記錄系統(tǒng)工作頻點(diǎn)的變化。在終端處觀察數(shù)據(jù)流量，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干擾開啟時(shí)，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(shí)，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(diǎn)發(fā)生變化，從226頻點(diǎn)跳轉(zhuǎn)至204。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，LTE230系統(tǒng)成功采用頻譜感知技術(shù)啟動(dòng)了干擾規(guī)避。

　　頻譜聚合技術(shù)、頻譜感知和干擾規(guī)避技術(shù)的采用使得LTE230系統(tǒng)非常適合在230 MHz頻段工作。同時(shí)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(yīng)性

　　2.2.1  廣域覆蓋

　　LTE230系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是覆蓋范圍廣。根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(dá)3 km，在農(nóng)村可達(dá)30 km。由于LTE230系統(tǒng)在覆蓋上的優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目基站站址的選擇變得非常簡單：所有的基站是建設(shè)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(shè)施。選擇電力自有物業(yè)建設(shè)基站免除了站點(diǎn)租用、鋪設(shè)光纖和物業(yè)溝通的大量工作，極大地降低了組網(wǎng)成本，加快了組網(wǎng)建設(shè)速度。

　　LTE230系統(tǒng)在本項(xiàng)目覆蓋的情況如表1所示。

　　本項(xiàng)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(gè)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(xiàng)目項(xiàng)目路測(cè)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)顯示。表2為本項(xiàng)目路測(cè)場(chǎng)強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)表明LTE230信號(hào)覆蓋良好，陰影區(qū)域小于3%。

　　本項(xiàng)目覆蓋測(cè)試結(jié)果顯示，230 MHz頻段因?yàn)槠淞己玫睦@射性能和很低的傳播損耗，非常適合用于覆蓋城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境，覆蓋面積大，覆蓋陰影少，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

　　2.2.2 補(bǔ)盲覆蓋

　　對(duì)于室內(nèi)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(shè)備包括中繼終端設(shè)備ED和中繼接入設(shè)備AP。ED和AP之間通信采用470 MHz公共頻段，可以自組網(wǎng)，支持mesh組網(wǎng)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(shè)備安裝簡單，對(duì)物業(yè)破壞小，物業(yè)協(xié)調(diào)簡單，因此在本項(xiàng)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(xiàng)目的使用經(jīng)驗(yàn)，LTE230無線中繼系統(tǒng)的覆蓋范圍在建筑內(nèi)同一層可以達(dá)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(hào)傳輸?shù)绞彝狻?/p>

　　綜合室外和室內(nèi)的覆蓋經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)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(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)。

　　2.3 業(yè)務(wù)傳輸可靠性

　　LTE230系統(tǒng)采用HARQ，Turbo碼等技術(shù)減小信道衰落對(duì)傳輸?shù)挠绊?，采用頻譜感知、干擾規(guī)避等技術(shù)對(duì)抗230 MHz頻段的干擾。在硬件設(shè)計(jì)中采用了諸如降額設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了大量環(huán)境穩(wěn)定性測(cè)試，保證了LTE230系統(tǒng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

　　本項(xiàng)目中，針對(duì)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?，?duì)LTE230系統(tǒng)做了傳輸穩(wěn)定性測(cè)試，業(yè)務(wù)接通率測(cè)試和抄表成功率測(cè)試。

　　穩(wěn)定性測(cè)試：使用環(huán)回工具持續(xù)對(duì)某終端發(fā)送數(shù)據(jù)包（每間隔10 s發(fā)送1個(gè)包），記錄收發(fā)包是否一致，測(cè)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(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，主站共發(fā)送60 621個(gè)數(shù)據(jù)包，終端收到60 619個(gè)數(shù)據(jù)包，1周環(huán)回業(yè)務(wù)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(wù)接通率測(cè)試：對(duì)不同地點(diǎn)的終端重復(fù)進(jìn)行斷電、上電操作，讓終端重復(fù)接入LTE230系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)成功接入次數(shù)。本文選取離基站距離分別為近點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)和中點(diǎn)的終端進(jìn)行業(yè)務(wù)接通率測(cè)試。測(cè)試結(jié)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(cè)試：對(duì)小區(qū)內(nèi)集中器終端進(jìn)行50次抄表測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，抄表成功率100%。

　　業(yè)務(wù)穩(wěn)定性測(cè)試表明，LTE230系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性都達(dá)到應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)，可以有效支持配電業(yè)務(wù)的通信需求。

　　2.4 終端接口標(biāo)準(zhǔn)化

　　LTE230系統(tǒng)終端需要連接現(xiàn)有行業(yè)設(shè)備。在本項(xiàng)目中，終端對(duì)接的設(shè)備包括，配變監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，低壓集抄終端設(shè)備，負(fù)荷管理終端設(shè)備等。設(shè)備的接口協(xié)議遵從南方電網(wǎng)規(guī)定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于設(shè)備品牌、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)年代不同，設(shè)備接口協(xié)議時(shí)序，接口管腳順序等處略有不同，并且終端設(shè)備品牌眾多，因此終端對(duì)接的工作十分繁雜。

　　LTE230 系統(tǒng)終端接口的對(duì)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(gè)部分。軟件內(nèi)建設(shè)備數(shù)據(jù)庫，隨著對(duì)接設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)庫規(guī)模不斷增大，目前已經(jīng)包含近80個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)。因此LTE230系統(tǒng)終端已經(jīng)可以對(duì)接大多數(shù)在用配變、集抄和負(fù)控設(shè)備。

　　2.5 系統(tǒng)安全

　　LTE230系統(tǒng)采用第四代移動(dòng)通信技術(shù)TD-LTE的安全邏輯模型。包括5個(gè)安全域。LTE230安全邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　五類安全域首先是網(wǎng)絡(luò)接入安全，LTE230系統(tǒng)提供無線鏈路安全，用戶身份和網(wǎng)絡(luò)的雙向認(rèn)證，用戶身份保護(hù)、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(hù)等。其次是核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全，LTE230提供基站和核心網(wǎng)的雙向鑒權(quán)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(shí)體，保護(hù)用戶數(shù)據(jù)加密和認(rèn)證安全。第四類是應(yīng)用安全，LTE230支持用戶在應(yīng)用層進(jìn)行的任何形式的安全交互、實(shí)體身份認(rèn)證、應(yīng)用數(shù)據(jù)重放攻擊檢測(cè)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(wù)是否需要安全服務(wù)等。這五類安全域有效地保障了LTE230系統(tǒng)安全。

3 結(jié)論

　　LTE230系統(tǒng)經(jīng)過多年網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營，技術(shù)和應(yīng)用日趨成熟，尤其是通過廣州市花都項(xiàng)目大規(guī)模組網(wǎng)的考驗(yàn)，在頻譜的適應(yīng)性，覆蓋環(huán)境的適應(yīng)性，終端接口的適應(yīng)性，以及安全性上都有具備了大規(guī)模組網(wǎng)的能力。

參考文獻(xiàn)

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