电力无线专网建设与测试

2014-02-03李垠韬袁卫国

沿海企业与科技 2014年5期

李垠韬，袁卫国，宋伟，常沛

电力无线专网建设与测试

李垠韬，袁卫国，宋伟，常沛

电力无线专网从电力业务需求出发，采用TD-LTE标准中载波聚合、OFDMA等关键技术，使用电力专有230MHz无线频段工作。县级电力通信网络属于电力通信网络的末端，其接入终端数量少且分布不集中，使得光纤敷设成本较大，采用建设电力无线专网的方式可作为光纤通信的有效补充，满足电力终端的通信接入。文章介绍县级电力专网的建设和测试情况，并以实际案例给出电力无线专网的建设和测试方法，其中测试分成实验室测试和外场测试两种。

TD-LTE；电力专网；网络测试

一、背景

随着智能电网的快速发展，电力系统的业务数据日益增多，对网络带宽的需求逐步加深，急需新型的电力宽带通信系统提供数据传输通道。与此同时，在通信技术领域，新一代的无线通信技术逐步替代现有无线通信方式已经成为了必然的趋势，与现有的网络相比，第四代无线通信网络TD-LTE无线通信网络拥有更高的网络带宽和更快的传输速率。因此，研究和建设电力TD-LTE无线网络能更好地服务大量电力业务数据的快速传输，提高电力系统的稳定性和智能性。

二、电力无线专网概述

（一）技术特点

电力TD-LTE专网系统以电力实际情况和业务需求出发，采用4GTD-LTE核心通信技术，包括正交频分多址（OFDMA）、载波聚合、干扰协调、全IP组网、端到端两级加密、自适应重传等技术，具有覆盖广、容量大、时延小、安全高、演进性强等特点。

电力TD-LTE专网系统所采用的载波聚合技术，能够将频段离散的窄带频点资源聚合形成宽带资源，提供宽带的数据传输能力。同时，该系统采用OFDM、高阶调制、高效编码等LTE新技术，提高系统频谱效率和系统抗干扰能力，能够充分满足智能电网的发展需求。

（二）频率选择

电力无线专网的可用频段主要包括230MHz、400MHz、1400MHz、1800MHz等，其中 230MHz为国家无线电管理委员会批准使用的电力行业自有频段，包括40个频点，带宽1M的频率资源。本文所述电力专网采用230MHz频段进行组网。

（三）系统架构

230MHz电力TD-LTE专网系统提供电力终端与业务主站间的通信链路，其网络架构如下图所示，包括终端、接入网、核心网和操作维护中心。

图1 网络架构

终端主要用于对电力终端的数据进行无线传输，并将业务主站的控制命令传送到电力终端。

接入网提供终端与核心网之间的无线链路。

核心网主要负责信令控制、数据处理和传输、通信终端的移动性管理、签约数据管理等。

操作维护中心，提供配置管理、故障管理、性能管理、日志等功能，用于提高网络运维效率，最大程度地降低网络运营维护成本。

三、县级网络建设

（一）前期规划

网络建设前期需对网络进行规划，可用典型的链路预算的方法初步计算网络覆盖距离。基站和终端之间的路径损耗采用Okumura-Hata模型计算，该模型给出了城区、郊区、农村等典型环境下的路径损耗计算公式。对于县级电力覆盖区域，采用农村地区的典型信号传播公式：

其中：

L：为路径损耗，单位是dB；

fc：为系统工作频率，单位是MHz，取值230MHz；

hb：为基站有效天线高度，单位是米，取值40米；

hm：为接收天线有效高度，单位是米，取值3米;

d：为传输距离，单位是km；

a（hm）为有效移动天线修正因子，和接收天线高度有关；

图2 路径损耗与传播距离关系

根据Okumura-Hata模型，图2给出了230MHz电力无线专网在县域环境下的最大路径损耗与传播距离关系，可以看出当最大损耗为130dB时，可传播5km。

（二）建设案例

电力无线专网通信系统至少需建设一套核心网设备、一座无线通信基站和一套eOMC网管设备。核心网和网管设备通常安装于电力公司大楼通信机房，基站安装于电力公司楼顶或者变电站楼顶等位置，其八向天面图如图3所示。核心网与基站之间采用电力光缆相连接，基站采用单扇区全向天线。可为家庭用电信息采集、充电桩信息采集、电力设备状态监测等业务提供通信通道。

图3 基站天面方向图

四、网络测试

本测试在实验室网络环境以及无线专网现场环境中进行。在实验室环境下，验证了通信信道质量、业务运行能力、数据传输可靠性以及不同场景下衰减的情况。在无线专网现场环境中测试电力无线专网覆盖极限能力等关键性能指标。综合实验室和现场环境中的测试情况，全面评估了电力无线专网系统的通信能力以及业务承载能力。

（一）室内测试

1.测试环境

测试环境主要由业务主站、核心网EPC、交换机、网管eOMC、接入网eNodeB、通信终端UE和电力业务终端构成，连接关系如图4所示。其中业务主站和EPC之间、交换机和EPC之间、交换机和网管eOMC之间、eNodeB和交换机之间均可采用以太网连接，UE和eNodeB之间采用无线连接，UE和电力业务终端采用符合电力通信规约的有线方式连接，详见图4。

2.传输可靠性测试

测试目的：对已经安装的UE，长时间观察通信误块率（BLER），分析系统传输数据的可靠性。

测试条件：eNodeB、终端、EPC设备工作正常；终端已注册成功。

图4 室内基本测试环境

测试过程：已经安装的3个UE正常运行；每30分钟对每个UE所在的信道进行信道误块率BLER监测，并记录结果；持续一周以上，并记录数据和分析系统传输可靠性。

预期结果：正常情况下，系统传输信道的误块率应低于10%。

测试结果：

表1 传输信道误块率测试结果概率分布表

从数据结果分析，三个UE的传输信道BLER都处于系统允许范围（不大于10%）内，符合业务传输的要求。

3.RRC连接测试

测试目的：验证处于空闲模式下的UE在发起呼叫时，是否可以正常建立RRC连接。

测试条件：eNodeB、EPC、UE等设备可正常通信。

测试过程：UE处于附着状态；UE发起RRC连接建立。

预期结果：信令监测仪上察看消息流程正确；RRC连接成功建立，UE处于RRC_CONNECTED状态。

测试结果见表2。

从表2中可以看出，系统中消息流程正确，当UE向基站发起RRC建立请求后，基站与UE之间的RRC连接成功建立，测试结果符合预期结果。

4.重传次数测试

测试目的：验证最大重传次数的可配置性。

测试条件：eNodeB、EPC、UE等网元可正常通信，另外配备PC机、衰减器、射频线缆。

测试过程：通过eOMC配置HARQ开关为打开，并配置最大传输次数为3；UE发起附着，成功后进行一个数据业务；增加传输链路衰减，使下载数据出现重传，统计数据重传次数；修改HARQ最大传输次数为5，重复步骤前述步骤，统计数据重传次数是否和高层配置的相符合；使用命令关闭HARQ开关，触发重传后，确认没有重传发生。

预期结果：能够正确控制HARQ状态和最大重传次数的配置。

测试结果见表3。

表2 信令监测仪监测消息流程

表3 重传次数统计

从重传次数统计结果可以看出，系统最大重传次数与设定值相同，当重传机制关闭后，重传次数为0，符合预期结果。

5.数据包时延测试

测试目的：测试通信系统数据ping包的时延大小。

测试条件：eNodeB、EPC、UE等网元可正常通信。

测试过程：UE发起附着，并附着成功；从终端UE侧ping服务器，ping 100次；记录每次ping时延，并计算出平均时延；从服务器侧ping终端UE，ping 100次；记录每次ping时延，并计算出平均时延。

表4 上下线时延测试结果

图5 路测打点图

预期结果：平均时延小于300ms。

测试结果见表4。

从测试结果可以看出，上行平均时延为223ms，下行平均时延为205ms，均满足预期结果。

（二）外场测试

1.信号覆盖路测

外场信号覆盖测试使用车载路测系统，围绕规划路线进行信号强度测试。路测系统能够记录车载终端的GPS时间、经纬度以及信号强度，并能将GPS时间、经纬度与终端记录数据进行正确关联，为终端记录数据提供地理位置信息。

某县级电力无线专网路测打点图如图5所示，从信号强度图可以看出，基站附近的信号强度较强，高于-70dBm，离基站较远的无遮挡区域信号强度也较强，局部有建筑遮挡区域的信号较弱，但不影响终端接入系统。

2.业务道路测试

以用电信息采集为测试业务，选择信号强度在[-50dBm，-110dBm]之间的多个定点位置，反复测试用电信息采集数据业务。测试结果表明信号强度在[-50dbm，-105dbm]之间是用电信息采集业务成功率非常高，信号强度在[-100dbm，-110dbm]之间抄表业务偶尔会出现抄表时间延迟而失败的现象。