广覆盖LTE 230系统在电力配用电应用中的研究与实践

2014-02-28周建勇田志峰陈宝仁

电信科学 2014年3期

周建勇，田志峰，李艳，陈宝仁

（1.深圳供电局有限公司深圳518000；2.广东省电力设计研究院广州510663）

1 电力无线通信网发展现状

智能电网配用电业务终端点多覆盖面广且分布分散，光纤通信方式虽然具备业务传输能力强的优势，但部署施工难度大、成本高，无法满足对海量配用电终端的全覆盖[1]。随着无线宽带通信技术的迅速发展，作为电力有线光纤通信的补充手段，无线通信对电力配用电侧业务的支持能力已经得到了较大的提高[2]，越来越多的电力通信业务考虑使用无线通信进行承载。

目前，配用电网多采用租用电信运营商提供的GPRS、CDMA公网或1.4 GHz/1.8 GHz专网作为数据传输的无线通信手段[3]。这些通信网络相比于230 MHz频段，工作频段较高、信号绕射能力较弱、传播距离受到限制、系统覆盖半径较小，而电力配用电业务分布范围广，业务终端数量大，单站的覆盖能力和系统容量直接决定建网和运维成本。

2 LTE230无线专网系统覆盖能力

LTE 230系统是针对物联网应用的无线通信需求，基于OFDM、自适应编码调制、自适应重传等LTE核心技术[5]，采用全IP网络架构设计，使用各行业在230 MHz频段已有离散频谱资源，创新研发，为行业客户深度定制[6]的具有自主知识产权的无线宽带通信系统。LTE 230系统具有覆盖广、容量大、频谱效率高、频谱适应性强、安全性高、可靠性好、部署扩展平滑等特点[7]。

智能电网配用电业务终端分布范围广且分散，采用广覆盖基站可减少同等面积下的基站数量。LTE 230系统以其工作在230 MHz低频段的天然覆盖远优势，采用更加高效的发射机技术和高灵敏度的接收机技术，大大提升了系统的覆盖能力，可实现大范围高质量的无线覆盖。下面将基于精确的链路预算，分析LTE 230系统在密集城区、郊区、农村3种场景下的理论覆盖能力，同时给出工作在不同频段的通信系统在农村环境下的覆盖能力对比。

2.1 仿真模型

对LTE 230系统覆盖能力的仿真采用的是Okumuram-Hata模型[8]。该模型根据实测数据建立，提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于150～1 920 MHz频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。不同传播环境下，Okumuram-Hata模型基本传输损耗计算为：

其中，fc为工作频率（MHz），ht为基站发射的有效天线高度（m），hr为终端接收的有效天线高度（m），d为覆盖距离（km），C为环境补偿因子，其值为：

LTE 230系统工作在230 MHz频段，仿真过程中考虑了该频段频谱呈25 kHz窄带离散梳状分布的特点，并选取了密集城区、郊区、农村3种典型环境作为仿真对象，分别考虑了不同环境下的干扰余量、解调门限、阴影衰落等影响，对LTE 230系统的覆盖能力进行了较为准确的评估。具体的链路预算见表1。

2.2 单基站覆盖半径

本文基于第2.1节的链路预算，采用Okumuram-Hata模型，分别对LTE 230系统在密集城区、郊区和农村环境下进行仿真。在基站天线挂高45 m时，得到了3种环境下不同调制方式的系统覆盖能力，见表2。可以看出，LTE 230系统的最远覆盖半径在密集城区达到4 km，在郊区环境达到9 km，农村环境达到29 km，充分验证了系统的广域覆盖能力。

本文除了对LTE 230系统的覆盖能力进行详细分析外，又在同等条件下，选取农村环境，分别对230 MHz、400 MHz、1 400 MHz、1 800 MHz、2 400 MHz频段的覆盖能力进行仿真测试，结果如图1所示。可以看到，230 MHz频段的覆盖半径约为2 400 MHz频段的5.5倍，低频段的广覆盖优势尤为显著。

由此可见，工作频段的选择对于通信系统的覆盖能力影响重大，LTE 230系统工作在230 MHz低频段，在发射功率相同的情况下，可以获得几倍于高频段的覆盖能力，加之覆盖面积与覆盖半径的平方关系，LTE 230系统单基站可以实现近3 000 km2的覆盖（在农村环境下），而采用2 400 MHz频段系统覆盖相同面积则需要近30个基站。

①混凝土拌制。观上水库塑性混凝土防渗墙主要技术指标：密度大于2.1 t/m3；初凝时间不小于8小时；终凝时间不大于48小时；抗压强度等级C5；渗透系数小于 A×10-8cm/s；抗压弹模小于1.5 MPa；坍落度20～24 cm；扩散度 34～40 cm。

覆盖能力不仅是无线通信系统的重要指标，更直接影响到网络成本。这里的成本不仅包括硬件成本，同时包括站址的租金、工程安装、供电、人员维护成本。基站数量的增加不仅带来建站及维护成本的提高，更提升了网络规划、网络优化的复杂度，增加了基站边缘弱覆盖、盲区出现的概率，提高了通信网无缝覆盖的难度，使终端切换变得频繁，电力通信的稳定性和可靠性随之降低。

因此，采用具备广覆盖能力的通信系统是电力通信的首选，LTE 230系统的优势也由此显现。深圳市供电局结合电力配用电领域的业务通信需求，在福田区建立了LTE 230试验网，下面将详细介绍深圳试验网的具体情况。

表1 LTE 230系统链路预算

表2 LTE 230系统覆盖半径

图1 不同频段无线通信系统的覆盖能力（农村环境，135 dB路损）

3 深圳电力LTE 230试验网情况

深圳供电局在福田区建设了LTE 230试验网，通过实际的建网测试分析，验证了LTE 230系统在密集城区的覆盖能力。测试结果表明，LTE 230系统在密集城区的覆盖能力可达4 km以上，与理论值基本相符，在部分覆盖良好的区域甚至可达10 km。

3.1 网络拓扑结构

整个网络拓扑结构如图2所示，由1套核心网设备、1套eOMC网管设备、2套基站和若干个配套通信终端构成。

两套基站均位于深圳市福田区，同属密集城区环境，根据实际测试结果，LTE 230系统在密集城区的覆盖理论值均可达到4 km以上，在部分覆盖良好的区域甚至达到了10 km，这使得LTE 230系统的广覆盖能力得到充分验证。具体的覆盖测试结果及分析如第3.2节和第3.3节所述。

3.2 RSRP覆盖测试结果

新洲站位于深圳市COCOPARK购物中心，中航站位于深圳市华强北商业中心，二者同属高密度城区环境，对无线信号的传输极具挑战性。新洲站点的参考信号接收功率（RSRP）测试结果如图3所示，RSRP信号强度区间分布情况见表3，新航站点的测试结果类似，受篇幅所限，此处不再赘述。

图2 深圳电力LTE 230无线专网拓扑

图3 新洲站RSRP覆盖测试效果

表3 新洲站RSRP信号强度区间分布情况

3.3 SNR覆盖测试结果

信噪比（SNR）覆盖测试结果如图4所示，SNR不同区间强度分布情况见表4。

3.4 覆盖测试结果

RSRP主要用来衡量接收信号的能量大小，SNR值主要用来衡量接收信号的质量如何，覆盖成功与否由RSRP和SNR值共同决定。参考信号目标RSRP设为－110 dBm，目标SNR设为5 dB，当且仅当RSRP大于－110 dBm、SNR大于5 dB时，小区覆盖成功；否则，覆盖失败。从测试结果看，新洲站RSRP大于－110 dBm，SNR大于5 dB的区域超过95%，中航站超过85%，达到预期覆盖效果。实测结果与密集城区覆盖能力的理论值4 km相符，在部分覆盖良好的区域更达到了10 km以上，充分验证了LTE 230系统的广域覆盖能力。

4 结束语

LTE 230系统专注于电力配用电业务的无线通信需求，以其广覆盖低成本优势广泛应用于电力配用电网。本文基于Okumuram-Hata模型，采用精确的链路预算，从理论上得到了LTE 230系统在密集区城区、郊区、农村3种环境下的覆盖能力，同时与其他频段的通信系统进行了覆盖能力的对比分析，建立了低频段具有广域覆盖能力的理论基础。深圳电力基于LTE 230系统，在福田区建立了LTE 230试验网，在理论分析的基础上，充分验证了系统在密集城区的广覆盖能力，最大覆盖半径可达10 km以上。理论与实际的密切结合体现了LTE 230电力无线专网的实际可行性，深圳电力LTE 230试验网的成功投入运行，为深圳全市乃至南方电网的电力通信网建设提供了良好的借鉴和示范。