智能电网TD?LTE网络模式研究

2018-10-24王庭钧马庆峰刘雪冰徐磊

现代电子技术 2018年20期

王庭钧马庆峰刘雪冰徐磊

摘要：针对传统的电网TD?LTE网络模式一直存在网络通信不稳定、效果差的问题，对智能电网TD?LTE网络模式重新进行分析研究。在给出TD?LTE网络结构图的基础上，分析其固有问题原因，并通过分析TD?LTE网络OFDMA技术模式和MIMO技术模式，实现智能电网TD?LTE网络模式的优化。实验以电网TD?LTE网络覆盖情况为对比进行验证，结果表明，采用改进电网TD?LTE网络模式时，QPSK覆盖半径约是64QAM的3.8倍，16QAM的覆盖半径约是64QAM的2.55倍；既是在不同区域使用，其覆盖半径受环境影响概率较小，具有一定的优势。

关键词：智能电网； TD?LTE网络；网络模式优化；覆盖半径； MIMO技术； OFDMA技术

中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）20?0093?04

Abstract： As the traditional TD?LTE network mode of the power grid has long?term existing problems of unstability and poor effect in network communication， the TD?LTE network mode of the smart grid is reanalyzed and studied. On the basis of presenting the structure diagram of the TD?LTE network， the reasons of its inherent problems are analyzed. The TD?LTE network mode optimization of the smart grid is realized by analyzing the OFDMA technology mode and MIMO technology mode of the TD?LTE network. A verification experiment was carried out by means of coverage status comparison for TD?LTE network of the power grid. The results show that， when the improved TD?LTE network mode of the power grid is used， the coverage radius of QPSK is about 3.8 times that of 64QAM， the coverage radius of 16QAM is about 2.55 times that of 64QAM， and there exists small probability that the coverage radius can be affected by the environment， which has a certain advantage.

Keywords： smart grid； TD?LTE network； network mode optimization； coverage radius； MIMO technology； OFDMA technology

0 引言

在互联网终端迅速发展的背景下，人们关于手机终端上网速度变慢的呼声日益高涨，现有的网络速度也在持续改进中，但对现在越来越庞大的上网群体而言，使用网络时网络响应卡顿，为此改善TD?LTE上网速度的研究将被提上日程。TD?LTE（Time Division Long Term Evolution）是当前使用最为广泛的移动通信技术，具有分时长期演进的特点。与3G技术相比，用户的上网速度由原来的2.0 MB/s提高至120 MB/s，并且在延时、高峰期网速等方面改善效果显著，使用户的使用感提高，实现了各种终端之间的随时对接。

在移动互联时代，TD?LTE作为我国主导的主流技术，集成了适用于宽带移动通信传输的众多先进技术，TDD技术灵活地改变传输信息上下行间的间隙，完善两行之间的间隙比例，减少传输信息上下行业务比例出现偏差的情况，在最大程度上做到高效利用传输频率资源。在实际环境中，信道传播形式多变且繁杂，使用智能天线会造成导频资源的流失，现有方法是通过结合网络资源，充分了解多种传输模式的性能来解决流失问题，这种方式能够让各个传输模式间达到自适应状态，将TD?LTE网络性能发挥到最好，因此引进不同的多天线传输模式来改进电网TD?LTE网络模式，从而提高电网TD?LTE网络的覆盖面积，降低了受环境影响的概率。

1 TD?LTE网络体系分析及问题研究

1.1 TD?LTE网络体系分析

将TD?LTE网络的功能体系划分为演进型的陆地无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E?UTRAN）、用户设备（User Equipment，UE）和演进型分组核心网（Evolved Packet Core，EPC），其中E?UTRAN用于管理无线通信。TD?LTE无线通信网络的体系结构图如图1所示。

1.2 智能电网TD?LTE网络模式固有问题分析

电网属于城市不可或缺的设备，但分布环境不统一，在生态环境与建设成本可持续发展的要求下，选择了在地形特殊的地区修筑电网线路，如人口密集的繁华城区、人口稀少的城市郊区等。正因如此电网所处的复杂地形地貌和人口分布情况，会导致电网TD?LTE网络的覆盖难度倍加。

在我国复杂地理环境下，对电网TD?LTE网络规划及覆盖问题列出不同的解决方案。无线信号的发送方法、距离和覆盖范围大小皆收到所处环境类型不同的影响。

2 TD?LTE网络模式分析

由于TD?LTE网络对频谱资源的需求较少，频谱资源利用比FDD?LTE要高，所以可以有效利用离散频率资源。虽然目前的电网自身频率资源有限，但是可以构建特有的TD?LTE网络模式，专用于电网领域。

TD?LTE是TDD版本的LTE的技术，即OFDM（正交频分复用）技术，其不同的频段下智能电网TD?LTE网络模式均有变化，当在A频段时，多被3G网络占用，TD?LTE网络已经无法再利用了；而在TD?LTE网络模式建设过程中，也有D频段和F频段的使用，其中D频段主要用于室外网络的使用，E频段主要用于室内网络的建设；F频段多为3G网络的频段，现也可以作为TD?LTE网络频段使用，增加TD?LTE网络模式种类，添加TD?LTE网络模式需要增加保护频带，同时频谱资源利用率需要增加，降低干扰。原有频段的TD?LTE网络模式已无法满足现有电网需求，综合分析来看，最适宜电网的TD?LTE网络模式有 TD?LTE网络OFDM技术模式和TD?LTE网络MIMO技术模式。

这两种模式在使用过程中，LTE到TD之间的切换是否成功直接影响TD?LTE网络模式的使用，其切换流程如图2所示。在转换过程中，UE向eNodeB发送Measurement Report，则eNodeB会将得到的Mobility From EUTRA Command 消息通知返回给UE，eNodeB经过一系列操作达到B点，并将UE CONTEXTRELEASE COMMAND经由B点发出。当eNodeB向自身传送Harcover Decide后，达到A点，将A点的HANDOVER REEDURED和HANDOVER COMMAND命令向NME切换，同时统计出执行连接次数；经过命令的反复传达，基站收到来自NME的终端初始上下文释放消息，此时说明UE已经成功接入到网络。

2.1 TD?LTE网络OFDMA技术模式分析

TD?LTE网络在电网使用时引入了FDMA方式中的OFDMA的调制技术，与普通的方式比具有明显优势：其带宽扩展性较强，抗频率选择性衰落能力增加，可实现低复杂度的接收机。接收机结构为发射机的逆过程，OFDMA的发射机结构如图3所示。

电网TD?LTE网络模式多采用OFDM方式将高速率数据符号经过串并转换调制成M路并行子载波。增大每一路子载波的符号持续时间，并使得每一路子载波的符号持续时间大于信道的时延扩展。

除了利用OFDM调制本身的特性消除ISI之外，为了能够完全消除ISI，选择的CP长度要远大于所支持的信道冲击响应的最大时延。

2.2 TD?LTE网络MIMO技术模式分析

采用MIMO技术的TD?LTE网络，在进行通信时MIMO技术支持下行天线数是2×2，也就是两条天线发送和两条天线接收，下行天线支持两条发送天线和一条接收天线的组合。TD?LTE网络中的多天线技术主要包括层映射、预编码、分散发射等。电网中TD?LTE网络的发送方式是根据8种天线传输模式的信道情况进行选择的，规定的8种天线传输模式如表1所示。

2.3 智能电网TD?LTE网络模式优化分析

优化过程有以下几步：全网优化完成后质量评估值收集；优化前后网络性能指标变化对比；优化网络后速率评估报告；全网网络优化评估报告。无线网络优化的流程如图4所示。

3 实验结果分析

3.1 参数设置

为了验证改进TD?LTE网络模式的有效性，采用仿真软件模拟各阶段得出的网络配置和参数在实际网络运行中的情况。通过仿真可以验证网络模式是否能够满足建网区网络的覆盖要求。仿真验证过程中，采用230 MHz带宽，站型配置为S111，载波带宽20 MHz，室内分布系统载波带宽为20 MHz，特殊场景采用2个10 MHz频点异频组网。

3.2 不同模式覆盖效果分析

TD?LTE网络主要调制方式为QPSK，16QAM，64QAM，其编码效率、解调门限和覆盖距离有差异。其中传输速率：64QAM>16QAM>QPSK，解调门限：64QAM>16QAM>QPSK；覆盖距离：64QAM<16QAM

通过不同场景传播模型的链路预算，得到覆盖半径，来对比TD?LTE网络的230 MHz约为1 800 MHz频段半径的3倍，因此230 MHz TD?LTE 网络模式覆盖能力较广。对于同一种频段的TD?LTE网络模式而言，下面从调制方式、应用场景、业务方面做对比分析，如表2所示。

从调制方式来看，230 MHz TD?LTE网络模式其信道可以依据信道条件自动采用不同的调制方式和码率，调制阶数越高，码率越大，230 MHz TD?LTE网络模式下吞吐量越大，解调门限高，响应的整个覆盖距离会越小。以QPSK，16QAM，64QAM三种调制方式为例，64QAM的调制阶数最高，所以覆盖半径最小，QPSK的覆盖半径约为64QAM的3.8倍，16QAM的覆盖半径约为64QAM的2.55倍。

从不同场景来看，城区由于建筑群较密集，信号传播的链路损耗较大，而郊区和农村则比较开阔，稍有障碍物，230 MHz TD?LTE网络模式运行较好，可以做到覆盖范围广，原因是使用了自适应高阶调制，且工作频段低、解调性能好，当遇到信道质量较优、传播环境较好的情形，可以实现远距离覆盖。