TD—LTE电力专网230MHz与1.8GHz的研究
2016-01-24蔡根张健明杨大成
蔡根++张健明++杨大成
摘要：本文介绍了TD-LTE电力专网在230MHz和1.8GHz两个频段的覆盖能力和网络承载能力的研究。TD-LTE是一种成熟的4G通信技术，在国内外已经实现了大规模商用。随着智能电网对通信要求的不断提高，组建TD-LTE电力专网也成为当下热门的研究课题。本文首先介绍了电力专网的特点，然后对比研究了230MHz和1.8GHz两个频段的TD-LTE网络覆盖能力和业务承载能力。最后使用UNET仿真规划软件对广州市电力专网进行仿真规划，结合仿真结果对比了两种频段电力专网的优劣。
关键词：TD-LTE；电力专网；230MHz；1.8GHz
中图分类号：TP929
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.12.020
本文著录格式：蔡根，张健明，杨大成.TD-LTE电力专网230MHz与1.8GHz的研究[J].软件，2015，36（12）：83-88
0 引言
目前国内TD-LTE电力无线专网丰要采用230MHz和1.8GHz两个频段进行组网，其中1.8GHzTD-LTE运行在1786-1805MHz频段内，占用的带宽为5MHz，符合国际3GPP组织的4G标准。LTE230是中国普天针对中国特有的频谱划分研制的私有技术协议，使用了223.025-235.OOOMHz频段，该系统运行在国家无线电管理局原先分给电力行业数传电台使用的在230MHz频段40个离散频点，每个频段占用带宽25KHz。这两种电力专网技术都是在中国特有的频谱分配背景下诞牛的，在国内缺少针对这两种技术的对比研究，国外基本上没有这方面的研究。本文丰要对比分析两种组网方案的覆盖能力和业务承载能力，并利用UNET仿真软件进行仿真说明。
1 电力专网简介
电力专网是用于电力监控系统、电力通信及数据网络的专有通信网络。电力专网的要求丰要包括：通信网络稳定、通信权限分级、集群调度功能。
1.1 典型电力场景
城市区域内的工业及居民用户用电的llOkV及以下饿配电网称为城市配电网。城市配电网一般沿城市市政道路沿线呈网状分布，配用电终端分布密集，受季节和日常影响大。需要进行通信传输的上行数据量大，且传输类型复杂。在单机站范围内，上行链路负荷大，成为限制覆盖范围的丰要因素。
在密集城区，单基站范围内用电情况基本相同，基站中心和边缘处数据传输量差异不大，因此需要有较高的边缘覆盖质量，单基站覆盖范围相对最小。在一般城区，城区中心处用电集中，边缘处相对分散，因此单基站若选在用电集中处对边缘覆盖质量要求可降低。郊区用电特点呈零星分布，单基站范围内数据传输量相对最小，传输质量要求相对均衡，因此单基站覆盖范围相对最大。
1.2 电力专网业务
电力专网的丰要业务包括配电通信业务、用电通信业务、视频监控业务和电力电缆业务。
配电牛产业务在电力系统中丰要负责配电设备的遥信、遥控和遥测功能，而用电业务主要负责用电信息采集和负荷管理。配电自动化涉及到的配电设备种类包括柱上开关、开关站、环网柜、箱式变电站和柱上变压器等，每种配电设备上的业务按照其种类义可以分为四大类：遥信、遥测、遥控和电度量。
用电业务丰要是采集电网的用电情况数据，根据业务类型的不同，对应的业务数据量也不同，丰要有以下五种：实时数据采集、召测、下行控制指令、参数设置和事件上传。电力用户用电信息采集丰要包括定时自动采集信息、人工召测信息、丰动上报信息、远方控制信息以及参数设置信息。
视频监控业务是对电网中重要位置进行监控。
电力电缆监测丰要是采用专用设备终端对电缆的状态信息进行收集和上传，终端的相关参数丰要有周期上传的数据帧、上传周期、突发告警数据帧和突发告警概率。
2 230MHz和1.8GHz的对比
2.1 频段特点
230MHz频段丰要用于数据传输，共12MHz带宽，其中电力系统拥有全国范围内40个频点共IMHz的频带资源，属于电力专有的频点资源，在带宽内无干扰，相邻频率的干扰源较少，相邻频谱的使用率低。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。与高频段相比，其信号传播距离远，绕射能力强；更加高效的终端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。
1.8GHz频段是我国用于各行业专网组建的频段，目前由运营商、政府、机场、港口、交通运输等多个行业共同使用，在多行业共存时存在较大的干扰。同时跟其他制式如GSMl.8GHz、FDD系统存在邻频干扰，在使用时带外干扰较大且干扰源分布广泛。需要预留出5MHz的保户带宽。1.8GHz属于高频段，传播损耗较大，覆盖能力弱，受到天气、地形等因素影响较大。
2.2 传播模型
230MHz频段选用的传播模型为SPM模型，SPM模型建立在COST231.HATA模型基础上，数学表达式为：
其中，ht为基站高度，Ldiff为衍射损耗，Kl表示与频率相关的因子，默认值为12.4： K2表示距离衰减因子，默认值为44.9；K3表示基站发射天线高度相关因子，默认值为5.83；K4表示与衍射计算相关的因子，默认值为0.4；K4表示与发射天线有效高度和距离相关的因子，默认值为-6.55；K6表示移动终端高度相关因子，默认值为0；K6表示地貌相关因子，默认值为1；d表示收发间的距离。
1.8GHz选用的传播模型为COST231-Hata模型，COST231-Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率在1500-2000MHz之间，适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，发射有效天线高度在30-200m之间，接收有效天线高度在1-10m之间。COST23l-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：
在COST231-Hata模型上根据路测数据对CM此项参数使用最小二乘法进行校止使之成为半经验模型，即为我们使用的校止后模型，它能更准确得出各城市的链路损耗。
2.3 覆盖能力
TD-LTE系统网络覆盖能力受到多种因素的影响，丰要有目标速率、用户RB资源分配、调制编码方式、天线类型、系统帧结构等。在进行网络规划时，需要考虑小区的最大上下行覆盖距离是否满足要求。同时根据电网终端的分布情况，将通信场景分为城区、郊区和农村三种场景，分别对这三种场景下的传播模型进行校正，利用校正后的传播模型分别对两种频段进行链路损耗的计算，从而得到两种频段下各制式各场景的小区覆盖半径。
TD-LTE的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM三种，对应的最低CQI等级分别为4、8、13，等效SINR分别为-0.88dB、6.432dB和15.8ldB。进行单机站覆盖能力计算前基站和移动台参数设置如表1所示。
进行链路预算时选用的传播模型为SPM模型，数学表达式为：
其中，ht为基站高度，Ldiff为衍射损耗，K1-K6为各项需要进行校正的参数。利用上述公式分别对城区、郊区和农村的230MHz和1.8GHz的传播模型进行校正，然后计算得到上行链路损耗结果和小区基站覆盖范围如表2和表3所示。
从上表的对比可以看出，在相同参数设置下，不同场景的230MHz系统单机站覆盖范围都大于1.8GHz系统。不同场景下，城区的覆盖范围最小，农村覆盖范围最大。
3 广州市电力专网规划方案对比
3.1 规划目标
3.1.1 覆盖目标
电力专网的区别在于指标的要求，对吞吐率没有优先要求，对覆盖率和可靠性有较高要求。参考TD-LTE规模试验网中的指标要求，结合无线电力专网实际情况，研究确定覆盖规划中需要考察的指标，至少应包括以下指标：
无线接通率：基本目标>95%；挑战目标>97%。
掉线率：基本目标<4%；挑战目标<2%。
覆盖区内无线可通率：要求在TD-LTE网无线覆盖区90%位置内，99%的时间移动台可接入网络。
块差错率目标值（BLER Target）：电力专网中的业务以数据业务为丰，数据业务为l0%。
同时在线用户数：需要优先考虑的指标
小区边缘吞吐量：考虑到电力专网终端对流量要求并不严苛，只要能够保证最差情况满足最低要求即可。
3.1.2 容量目标
质量目标丰要是针对用户的业务感知，能否提供用户良好的业务感知能够很好的反映网络建设的质量从用户面说，业务丰要分为话音业务和数据业务，话音业务的质量可从连续、传输和保持3个方面来衡量；而数据业务的质量目前通常采用吞吐量和时延来衡量。在业务质量中，与无线网络业务质量密切相关的指标有接入成功率、忙时拥塞率、接入时延、误块率、切换成功率、掉话率等。
3.2 规划软件介绍
在进行规划仿真是使用UNet规划仿真软件，该软件丰要仿真功能分为覆盖预测和容量仿真两个部分。包含的功能支持模块有：地理信息系统，提供电子地图导入，存储基站、终端位置信息等功能；天线传模系统，实现天线参数设置和传播模型校正等功能；网元子系统，负责在仿真计算过程中初始化参数配置；用户界面子系统，负责实现用户对软件使用的界面管理功能；业务子系统，负责仿真业务的设置和用户分布地图的牛成。
使用UNet网络规划仿真工具对广州市丰要城区范围进行电力专网规划对比分析，分别进行覆盖预测和容量仿真的仿真。使用UNet仿真规划的流程如下：
（l）导入电子地图，初始化参数设置，包括基站参数、移动端参数、传模参数和业务参数。
（2）按照规划有求进行布站，根据密集城区、城区和郊区的不同分别以不同的距离进行布站，并设置相应的基站参数。
（3）进行覆盖预测的仿真，并根据仿真结果对基站数量和位置进行调整，直到达到覆盖指标要求。
（4）根据配用电业务用户的比例建立不同的业务地图，设置容量仿真参数进行仿真。
（5）根据仿真结果调整配用电业务用户比例和仿真参数，直到容量仿真结果满足规划要求。
3.3 仿真参数说明
3.3.1 终端介绍
在规划仿真中，仿真终端UE是配用电采集器，采集器通过采集电表脉冲、rs232或rs485等通讯方式采集用电终端和配电终端的电力业务数据，然后通过TD-LTE 230专网将电力业务数据上传到丰站系统。
仿真丰要实现了配电丰站对用电终端和配电终端的业务数据采集，采集六类电力用户的数据：A类是大型专变用户，B类是中小型专变用户，C类是三相一般工商业用户，D类是单相一般工商业用户，E类是居民用户，F类是公变考核计量点。以及配电网现场的各种配电开关监控终端FTU、配电变压器监测终端TTU、开关站和公用及用户配电所的监控终端等。
采集器是用于采集多个或单个电能表的用电信息，并可与集中器交换数据的设备，采集器依据其功能可以分为基本型采集器和简易型采集器。基本型采集器抄收和暂存电表数据，并根据集中器的命令存储的数据上传给集中器，简易型采集器直接转发集中器与电能表间的命令和数据。
配电终端一般包括配电开关监控终端FTU、配电变压器监测终端TTU、开关站和公用及用户配电所的监控终端DTU，FTU：装设在lOkV断路器、负荷开关的开关监控装置。丰要作用是采集各开关所在线路的电气参数，并将信息向上级系统传输；监视线路运行工况，及时上报线路故障，并执行丰站遥控命令。DTU：安装在常规开闭站（所）、环网柜、小型变电站等处的数据采集与监控终端。丰要作用是完成开关设备的位置信号、有功、电压等数据的采集与计算，并执行丰站遥控命令。TTU：装设在配电变压器旁边，监测变压器运行工况的终端。主要作用是采集并处理配电变压器低压侧的各种参数，并将参数向上级系统传输，监视变压器运行工况，及时上报变压器故障，还具有就地和远方无功补偿和有载调压的功能。RTU：自动化系统的基本单元，它丰要用于配电系统变压器、分段器等装置的监视及控制，并与丰站系统通信，提供配电系统运行、管理所需的数据，执行丰站发出的指令。
3.3.2 覆盖预测
覆盖预测过程首先应能由单基站覆盖分析得到覆盖半径，再根据不同的基站扇区配置，进一步计算得出覆盖面积，得到对一个覆盖区域所需要的基站数，从而对覆盖区域进行合理布站。覆盖预测参数设置如下表所示。
3.3.3 容量仿真
在容量仿真中，结合了电网采集业务数据量和采集器所支持的终端数量，采集业务丰要分为两类，一类是对用电终端数据的采集，另一类是对配电终端数据的采集，其中由于用电终端和配电终端义分为多种，仿真中按照现网中终端比例获取用电和配电终端的业务量的均值进行仿真。移动终端分别为用电采集器和配电采集器。配用电业务仿真参数设置如下表所示。
在容量仿真系统中，采用蒙特卡洛仿真方式，每次快照并不接入所有用户，通过设置激活因子来调整仿真中每次快照的实际接入终端数，激活因子定义为仿真中被服务的用户和总的支持用户数之比，上行传输的配用电数据业务激活因子计算如下所示。
3.4 仿真结果分析
按照上述流程和参数设置进行仿真规划，覆盖预测仿真结果对比如下。
如图1所示为广‘州市电力专网230MHz和1.8GHz的RS RSRP覆盖仿真结果。地图中红色圈内区域为密集城区，黑色国内为山区，蓝色圈内为一般城区。其中RSRP大于-llOdBm的区域对应图中绿色区域，RSRP大于-115dBm的区域对应黄色区域，均为满足覆盖要求的区域，红色部分为不满足覆盖要求的区域，去除掉山区不计算，总的RS RSRP覆盖有效区域达到了95%。
如图2所示为广州市电力专网230MHz和1.8GHz的RS SINR覆盖仿真结果。地图中红色圈内区域为密集城区，黑色国内为山区，蓝色国内为一般城区。230MHz布站31个，1.8GHz布站138个。其中SINR大于4dBm的区域对应图中绿色区域，RSRP大于0的区域对应黄色区域，均为满足覆盖要求的区域，红色部分为不满足覆盖要求的区域，去除掉山区不计算，总的RS SINR覆盖有效区域达到了99%。
结合RSRP和SINR的覆盖结果可以看出，两种频段的布站均达到了覆盖规划的要求。由于230MHz的单基站覆盖范围更广，在相同同区域内进行布站是，230MHz的基站数远小于1.8GHz系统，特别是在密集城区内，1.8GHz受到的干扰更大，单机站覆盖范围更小，需要的基站数更多。
在覆盖预测布站结果的基础上进行容量仿真，测试规划区域内不同配用电业务情况下的承载能力，仿真结果如下。如图3所示为配用电业务共存时的容量仿真用户分布结果图，其中绿色的点为成功接入的用户，红色的点为接入失败的用户。
表6和表7分别为230Mhz和1.8GHz容量仿真结果统计。从容量仿真结果可以看出，在相同区域内，由于1.8GHz频段拥有更多的可用RB数，激活因子比230MHz系统小，单机站可以承载的终端数要多于230MHz，由于覆盖范围更小，所需1.8GHz基站数远多于230MHz，在规划区域内能承载的采集终端数量也远多于230MHz。对比纯配电、纯用电和配用电三种业务用户的仿真结果可以看出不同业务用户的分布情况符合他们的速率需求。
4 结论
本文对TD-LTE电力专网在230MHz和1.8GHz频段的覆盖能力和配用电采集业务的承载能力进行了分析和仿真。可以看出，在进行电力专网规划时，相同区域布站时所需的230MHz基站数远小于1.8GHz，相应的规划建网成本更低。但由于1.8GHz系统具有更宽的带宽，更多的是基站数，所以能够承载的配用电业务采集终端更多。在进行规划选择时，需要结合规划区域大小和电网业务速率需求来选择两种频段方案。
