面向电力业务的无线专用网络演进方向*

2018-12-28

信息通信技术与政策 2018年11期

崔媛媛中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

1 引言

LTE技术在公众移动通信网络中已成功商用多年。近年来，随着信息化向行业中的深入渗透，行业用户对无线通信技术的需求越来越强烈。例如，政务通信、公安通信、轨道交通车地通信、电力业务通信等，都需要通过无线以及移动通信网络来实现各自行业的通信需求。各行各业对通信网络的功能、性能、安全性、隔离性有不同需求，因此面向不同行业的专业网络应运而生。由于良好的技术成熟性及完备的产业链，LTE成为行业用户建设专用网络的首选技术，其中包括电力行业。

在终端接入网部分，国家电网在已有的光纤网络基础上，计划建设LTE移动网络与光纤网络形成互补应用，充分利用LTE优良的移动性、易安装、覆盖范围广等特点，最大化满足电力业务采集及控制需求，提升配用电等业务的自动化率。目前，电力业务也在不断的向前升级、演进，因此基于LTE的电力无线专用网络（简称电力专网）如何向前演进，是目前值得深入探讨的问题。本文将根据国家电网两条现有技术路径分别研究相应的技术演进路线。

2 电力专网技术现状

根据国家对无线电频率的使用规划，电力行业可以使用的无线频率资源有230MHz频段和1800MHz频段两部分。基于这两个频段，国家电网公司基于LTE技术分别制定了LTE 230/NG-G 230和LTE1800两套技术标准。

2.1 LTE 230技术

由于230MHz频段具有离散特性，即由连续及非连续的25kHz组成的使用频段。因此，现有的LTE空口技术需要进行较大的改动才能适用。普天及华为公司分别基于现有的LTE及NB-IoT技术制定了LTE 230及NG-G 230技术标准，由于NG-G 230标准还处于制定过程中，因此本文主要分析LTE 230的技术特征及演进路线。

LTE230系统使用离散载波聚合技术，通过修改LTE空口帧结构、射频处理等功能，实现230MHz频段多个25kHz的聚合使用。LTE230在物理层及MAC层有较大的改动，其物理层采用2kHz子载波间隔、25ms的帧结构，控制信道及业务信道等都重新进行设计。MAC层方面，其调度算法、逻辑信道等也有相应的改动。LTE230主要面向电力物联网业务进行设计，利用了230MHz频段的电磁波穿透能力和绕射能力强，受天气影响小，信号传播距离远的优势，利用数量较少的基站实现大范围的覆盖，从而节省建设和维护成本。但LTE230在时延、小数据传输效率、功耗方面还存在较大的优化改进空间。

2.2 LTE1800技术

我国1785～1805MHz频段已分配给垂直行业使用，国家电网在此频段主要采用3GPPLTE及其优化技术。具体来说，在宽带数据接入部分，主要基于3GPP LTE R9为基础版本进行射频改进，使其适用于1800MHz射频规定，同时根据电力业务特点，如业务安全隔离等要求，对现有LTE技术进行了优化改进。在语音及多媒体部分，其采用VoIP及基于LTE技术的宽带集群通信（简称B-TrunC）技术。

LTE 1800整体协议结构依据3GPPR9版本进行改进，其工作频带采用Band 59，工作带宽为3/5/10/15MHz。为了满足电网业务隔离需求，其空口采用了业务信道隔离方案，不同管理大区的业务通过专用空口业务资源进行隔离，同时根据其承载的电力业务需求，重新明确了3GPPQoS与电力业务的映射关系。整体来说，LTE1800主要基于满足宽带数据业务需求的3GPPR9版本进行改进的，虽然能够满足目前电力配用电业务的传输要求，但是其在小数据传输、终端接入数量、低功耗等物联网业务方面优化还有所欠缺。

2.3 电力LTE无线专网预计部署情况

LTE230和LTE1800技术各有特点，LTE230优势集中体现在整合230MHz频段的离散频点资源，并能提供远距离覆盖，适用于地广人稀地区的数据采集类业务。LTE1800具备传输速率高、传输时延小的特点，适用于在城区或热点地区的对数据传输时延要求较高的业务，如精准负控。各地电网公司根据本地区实际频段申请情况以及业务需求，视情况部署LTE230或LTE1800网络。

3 基于LTE230的电力专网未来技术演进方向

3.1 演进路线1：窄带物联网演进路线

LTE 230目前主要通过RRC连接优化、功率集中发射、IP包压缩等方面来提升其覆盖距离，以支持电网的配用电业务，但在功耗、小数据包传输、传输时延、传输可靠性等物联网业务关注的方面还有较大的优化空间，因此可通过引入NB-IoT中物联网优化技术，如PSM及eDRX等来提升LTE 230对电力业务的承载效率，使LTE230向窄带物联网方向演进。

通过分析NB-IoT及eMTC中对于物联网的优化技术，可以在覆盖、功耗、设备成本、传输可靠性及数据传输效率5个方面对现有的LTE 230技术进行优化、演进，将LTE 230MHz打造成国网精品物联网网络，承载配用电等窄带业务。

（1）覆盖增强及传输可靠性优化技术

●重复传输机制

重复传输机制指发送端重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式，提高解调性能，增强覆盖。在NB-IoT标准中规定，所有的物理信道均可重复发送，理论可获得9～12个dB增益（8～256次重传）。目前，LTE230还是普通LTE的重传机制，未来可以对时延不敏感的电力业务采用重复传输机制，来提升系统的传输可靠性及覆盖能力。

●多天线技术

目前，LTE230系统采用单天线工作模式，且发射功率较小，只有6W。230MHz波长较大，因此未来可考虑以在基站侧采用极化双天线模式，一方面通过发射分集提升覆盖边缘终端的接收可靠性，从而扩大系统覆盖范围；另一方面可以有效地增加基站的发射功率，从而提升系统覆盖能力。

（2）降低终端功耗

●RRC连接挂起

LTE230为了满足电力业务终端始终在线的要求，其RRC连接不释放，因此功耗会进一步的提升。如图1所示，当系统采用DRX 160ms时，随着RRC连接保持时间越长，终端功耗也随之增加，尤其在发包间隔时间越长的情况下，如在发包时间间隔为120s时，RRC释放时间为100s时，终端功耗为7.5mW；当RRC释放时间为1s时，终端功耗为0.8mW左右。因此，LTE230系统需要引入新的功耗节省机制。可以考虑引入NBIoT的RRCsuspend状态，降低系统维持RRC连接带来的功耗增加。

●空闲状态下PSM（功率节能模式）

PSM功率节省模式如图2所示。目前，LTE230尚未对功耗进行较好的优化，NB-IoT及eMTC的功耗节省模式PSM暂未在LTE230启用。空闲状态下PSM的技术原理非常简单，即在IDLE态下再新增加一个新的状态PSM（IDLE的子状态）。在该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态（但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN建立）。此功能在3GPP的R12被引入，相关协议规范在3GPP24.301-5.3.11 Power Saving Mode和3GPP23.682-4.5.4UEPower Saving Mode中有规定。

图1 RRC释放时间和功耗对比图

图2 PSM功率节省模式

●eDRX（增强的非连续接收）

eDRX作为3GPPR13中新增的功能，主要思想即为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。传统的2.56s的寻呼间隔对IoT终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目的。终端和核心网通过attach和TAU流程来协商eDRX的长度（Up to2.92h）。由于用电信息采集一般周期以天为单位，因此LTE 230可以考虑引入eDRX技术，减少终端功耗。

（3）优化传输效率

由于电力业务许多都是小数据包业务，因此需要对系统的数据传输方案进行优化，可以考虑引入NBIoT系统CP和UP两种优化传输方案。CP方案通过在NAS信令传递数据，UP方案引入RRCSuspend/Resume流程，均能实现空口信令交互减少，增加系统传输效率。

3.2 演进路线2：宽带互联网演进路线

电力行业未来极有可能在230MHz频段获得8MHz左右的频率资源，这样LTE 230未来不仅可以承担物联网业务，还可以承载宽带业务，这就需要其在多天线M IMO、高阶调制等方面进行优化，向宽带方向演进。

目前，LTE 230系统主要是面向电网配用电业务来设计的，总体主要是面向物联网业务，对于宽带业务的支持情况并不是很好，如LTE 230系统主要采用单发单收天线，未采用大规模天线技术，同时调制编码方式也只采用到64QAM，对于先进的128QAM、256QAM等都未使用。由于LTE 230整体可用带宽受限，因此在向宽带方向演进中，主要分为两个阶段。

第一阶段：LTE 230宽带能力增强

通过采用双极化体现、高阶调制编码方式来提高系统的吞吐量和传输效率。

●双极化天线技术

LTE230目前只采用了单发单收模式，考虑230MHz频段天线较大，不利于多天线的应用，未来可以考通通过双极化天线技术来增加LTE230的多天线M IMO的支持能力。双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20～30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。

●提升业务调制编码阶数

目前，LTE230采用自适应调制与编码简称为AMC（AdaptiveModulationand Coding），其是一种基于物理层的链路自适应技术。AMC技术的基本原理是在发送功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，确保链路的传输质量。当信道条件较好时，选择较大的调制方式，如引入128QAM和256QAM。未来在使用AMC的过程中，根据不同的电力业务选择不同的AMC匹配机制，对于传输吞吐量要求较高的业务，提升业务调制编码阶数，提高数据传输吞吐量。

第二阶段：许可频谱辅助接入（LAA&eLAA）技术增强

目前，国网公司可以申请到的许可频谱比较有限，且频谱租借费用较高。根据目前的电网业务，频率远远不足，因此需要考虑采用非授权频段来进行频谱的补充，但需要保障电网业务的传输QoS。因此，可以考虑采用许可频谱辅助接入技术（LAA&eLAA）进行增强。主要方案是将免许可频段作为LTE设备的辅小区（Secondary Cell，Scell）频谱资源使用，即免许可频段作为附属载波的形式与LTE许可频谱载波进行载波聚合方式组网，称为许可频谱辅助接入（Licensed Assisted Access，LAA）。这种方式可以充分利用LTE网络架构和已有的技术优势，并借助许可频谱载波保证传输质量。

4 基于LTE1800的电力专网未来技术演进方向

4.1 宽带互联网技术演进方向

尽管1.8GHz拥有20MHz的带宽，根据《关于采用竞争性方式开展1800MHz频段无线接入系统频率使用许可试点工作的通知》要求，目前在部分省市1800MHz频段无线接入系统频率使用许可范围暂定为1790～1800MHz。从各省获得的频谱来分析，目前LTE 1800系统所能利用的带宽一般为5MHz或10MHz。考虑到未来在此频段拓展频谱的可能性不足，且电力业务对传输速率的要求会逐渐增加，因此可以考虑在此频段利用多天线及高阶调制等方式来提升传输速率，未来通过与非授权频段的配合实现进一步的系统传输速率的提升。

●3D-M IMO天线技术

3D-M IMO不仅是现有TD-LTE的增强技术，更是未来5G实现容量和频谱效率提升的核心技术。3DM IMO通过采用二维天线阵列和先进的信号处理算法，可以实现精确的三维波束成形，实现更好的干扰抑制和空间多用户复用的能力，是提升系统容量和传输效率的有效手段。

传统的2D-M IMO天线端口数较少，导致波束较宽，并且只能在水平维度调整波束方向，无法将垂直维的能量集中于终端。而3D-M IMO一般采用大规模的二维天线阵列，不仅天线端口数较多，而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向，形成更窄、更精确的指向性波束，从而极大地提升终端接收信号能量并增强小区覆盖。

传统的2D-M IMO仅能在水平维度区分用户也导致其同时、同频可服务的用户数受限。3D-M IMO可充分利用垂直和水平维的天线自由度，同时、同频服务更多的用户，极大地提升系统容量，还可通过多个小区垂直维波束方向的协调，达到降低小区间干扰的目的。

●高阶调制

为进一步提高系统容量及频谱效率，在相同带宽下提升传输速率，可采用更高阶的调制方案：16QAM调制中，每个符号可承载4bit信息；64QAM调制中，每个符号可承载6bit信息；256QAM调制中，每个符号可承载8bit信息。

理论上，启用上行64QAM可带来50%的峰值增益，而启用下行256QAM可带来33%的峰值增益。高阶调制技术仅当网络质量较高时才能启动，网络质量越高调制增益也越大。因此对于高阶调制方案技术的部署，考虑到终端渗透率较低，且该技术对网络质量的要求极高，可选择优先在电力业务的A类区域部署。

●中继功能

中继（Relay）是指通过“解码—转发”方式来实现发信端与收信端之间通信的一种工作方式。Relay作为一种跳转系统，能够为远离发信端的收信节点提供对时延不敏感的数据服务。使用中继技术，在基站与移动台之间增加了一个或多个中继节点（Relay Node），对无线信号进行一次或者多次的转发，即将一个基站到终端的链路分割为基站到中继节点和中继节点到终端两个链路，从而将一个质量较差的链路替换为两个质量较好的链路，以获得更高的频谱效率及更好的覆盖。

4.2 窄带物联网技术演进方向

由于3GPP已经在物联网方面开展演进技术NBIoT及eMTC的标准化工作，国家电网的LTE1800总体延续或参考3GPP的相关标准，并需要根据自己的业务需求及特征在这两个演进技术分别进行优化增强，将未来4G+及5G技术引入到标准中。

●免调度技术

在uRLLC（超高可靠低时延）场景中，免调度接入能免去整个接入流程，是实现超低时延接入的一个重要方向。其中，对于周期的uRLLC业务，传统的基于半静态周期性资源预留的正交接入方式（SPS）可以视为是一种高效的免动态调度、低时延接入方式。与业务发生周期匹配的周期预留资源既可以保证高效的资源利用率；而各用户独占资源，没有用户间干扰，性能相对又有保证。此种技术适合电网中对时延要求较高的业务，如精准负控业务等。

●基于PLMN的空口隔离

为实现精准负控类业务的安全性，可采用基于PLMN的空口隔离技术，即系统为安全性要求不同的业务分配不同的PLMN，空口对不同的PLMN分配不同的时隙和频率资源，实现对空口资源的物理隔离。同一频段内按时隙和频率分隔，不同业务按照不同的PLMN进行专用空口时隙和频率资源的调度分配，能达到专线承载根据业务对空口资源进行物理隔离。

5 LTE230与LTE1800融合组网演进路线

目前，5G已经将高低频融合组网作为研究方向，整体思路为低频实现覆盖，高频提升容量。对于电力行业来说，目前拥有230MHz和1800MHz两个频段，考虑高低两个频段不同的传播特性，两者在自由空间的损耗差别较大，覆盖距离相差约1.5倍左右。同时，由于目前230MHz频段公司拥有带宽较小（1MHz），虽然未来可申请更多更宽的频段，但考虑230MHz前期已分配给行业用户，全国各地使用情况不同，在全国有些地方可使用230MHz的带宽也可能较小。而在1800MHz频段，有些网省公司已经申请到5～10MHz的频段，甚至更多，如江苏省。综合考虑以上因素，可考虑LTE230与LTE1800高低频融合组网演进路线。

LTE230与LTE1800协调进行有机融合高低频搭配，通过引入5G网络切片技术，实现按需构建不同逻辑网络。后期LTE1800升级支持eMTC后，对关键控制类业务形成双方备份，能提高业务可靠性。

第一阶段：实现LTE230<E1800融合组网

在空口方面，考虑230MHz和1800MHz频段不同，且230MHz频段为离散频段，两个系统所采用的空口协议也有所差别，因此要实现基站的融合难度较大。目前来看，能实现共站址，但天线、RRU、BBU等资源都采用各自的，无法实现融合。在网络层面，两者核心网差别不大，因此可采用同一核心网进行接入管理。因此，第一阶段要实现以下目标：

●简化维护、降低投资：同一核心网，同一网管。

●业务分类接入：双模终端可根据业务选择不同网络接入。

●统一安全：实现安全机制同一，安全防护水平统一。

第二阶段：实现同一基础网络架构，多种不同逻辑网络（5G）

由于未来两个技术将沿着各自的演进路径分别进行技术优化，同时随着5G的发展，网络切片等技术逐步成熟。在第二阶段，将实现两个系统更加深入的融合，在共核心网的基础上引入网络虚拟化技术及切片技术，实现满足业务需求的多逻辑网络；在空口方面，引入智能接入控制与管理技术，解决多接入技术的无线资源管理。实现两种无线资源联合调度，业务根据传播环境及网络负载情况进行实时分流，保障业务的实时性和可靠性。