电力无线专网网络规划探讨

魏生辉 熊耀伟 王义刚 江西省邮电规划设计院有限公司 南昌市 330002

1 技术选择及业务承载原则

（1）原则上新建无线专网使用230MHz频段，采用LTE-G 230MHz、IoT-G 230MHz技术，技术要求按Q/GDW 11806执行。原有使用1800MHz频段的无线专网扩建项目可采用原有频段，技术要求按Q/GDW 11804执行。拟采用的频段在项目前期阶段须先取得无线电管理机构的频率使用许可，频率使用有效期宜为5年。

（2）无线专网以承载控制类业务为导向，在技术经济比选合理的前提下，控制类业务优先采用无线专网通信方式，同时覆盖区域内增量固定无线采集类业务和活动范围限于覆盖范围内的移动类业务优先采用无线专网承载，存量业务随业务终端的更新改造逐步迁移至无线专网承载。

2 终端业务需求分析

2.1 控制类业务

（1） 配电自动化

配电自动化业务实现对配电网运行的自动化监视与控制，配电自动化主要覆盖开关站、环网单元、柱上开关等配网设备。二遥通信速率不低于2.4kbps，三遥不低于19.2kbps。

（2） 精准负荷控制

精准负荷控制系统是以可中断负荷为具体控制对象的系统保护网络。根据不同控制要求，分为实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和秒级及分钟级控制系统，通信速率要求不低于22.4kbps。

2.2 采集类业务

（1）用电信息采集

用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，用电数据采集业务根据不同用户的通信速率不低于1.05kbps，对于负荷控制指令，传输速率不低于2.5kbps。

（2）输变电状态监测

输变电状态监测业务用于输电和变电设备及线路的温度、气象、现场环境等信息的实时监测。根据相关输变电标准，输变电状态监测业务单个视频接入点的传输速率不低于2Mbps。

（3）视频监控业务

视频监控业务包括变电站视频监控、施工现场视频监控和配电视频监控等，每路普清视频传输速率要求＞2Mbps，每路高清视频传输速率要求＞4Mbps。

2.3 移动类业务

（1）移动作业业务

移动巡视业务包括现场巡视作业、巡视签到和巡视监控等功能。传输速率要求是语音业务8-64kbps,视频业务384kbps-2Mbps 数据业务64kbps-2Mbps 。

（2）电力应急通信

电力应急通信功能是保障突发事件场景和重要保电场景的。通信速率要求是语音传输速率≥22.5kbps，视频传输速率≥512kbps，数据传输速率≥512kbps。

3 终端规划

终端规划按业务类型统计，并需要详细的列表清单，这个是无线专网规划的基础。具体统计表格如下。

表1 各类供电区终端接入数量

4 基站规划

基站规划以终端规划为基础，综合考虑覆盖规划和容量规划，以最终确定电力无线专网基站规划方案。

4.1 覆盖规划

覆盖规划需要考虑传播过程中的各种路径损耗、链路平衡和覆盖影响因素，基于此确定每个基站的理论覆盖面积，进而估算区域内满足覆盖需求的最小基站数量。在此基础上计算出来的基站数量需要再乘以一个调整系数，调整系数主要是考虑到地形地貌、可利用站点分布、冗余保障等因素导致的实际站点数量需要增加。

（1）传播模型

无线信号传播常用的模型有Okumura-Hata模型（适用频段：150～1500MHz）和Cost231-Hata模型（适用频段：1500～2000MHz）。

a.230MHz频段适用Okumura-Hata模型，公式如下：

PL230M(dB)=69.55+26.16*lgf-13.82lgHb+(44.9-6.55*lgHb)*lgd-a(Hm)+C

b.1800MHz适用Cost231-Hata模型，公式如下：

PL1800M(dB)=46.3+33.9*lgf-13.82lgHb+(44.9-6.55*lgHb)*lgd-a(Hm)+C

根据传播模型公式可以计算出基站的覆盖半径，以230MHz为例：

PL230M=69.55+26.16*lgf-13.82lgHb+(44.9-6.55*lgHb)*lgd-a(Hm)+C

其中，d表示基站覆盖半径，从下面的等式计算出d

对于1800MHz，覆盖半径d计算如下：

（2）链路预算

以下行链路为例，无线信号链路预算的模型如下图。

上行链路预算公式：

PinBTS=PoutMS+Gu-Lu-PLu

下行链路预算公式：

PinMS=PoutBTS+Gd-Ld-PLd

参数说明：

PinMS/PoutMS：终端接收/发射功率（单位dBm）

PinBTS/PoutBTS：基站接收/发射功率（单位dBm）

Gu/Gd：上行/下行的各类增益（单位dB），包括天线增益、分集增益等

Lu/Ld：上行/下行的各类损耗和余量（单位dB），包括阴影衰落、穿透损耗、馈线跳线接头损耗、噪声系数、干扰余量等

PLu/PLd：上行/下行的路径传播损耗（单位dB）

PLu=PoutMS+Gu-Lu-PinBTS

PLd=PoutBTS+Gd-Ld-PinMS

在公式1-1和公式1-2中代入PLu和PLd的数值，可以分别计算出基站上行覆盖半径和下行覆盖半径，基站覆盖半径取上行覆盖半径和下行覆盖半径中较小的数值。

（3）覆盖与供电区域关系

覆盖区域按无线传播环境划分为不同的地形地貌，通常分为密集城区、一般城区、郊区、农村，以及山地、水面等特殊地形。

供电区域按饱和负荷密度划分为A+、A、B、C、D、E等类型，由于覆盖场景是按照无线传播环境划分，供电区域是按照饱和负荷密度划分，两者没有直接对应关系，但存在一定的相关性，通常越密集的区域供电负荷密度越大。

（4）覆盖参数取值

230MHz和1800MHz链路预算与覆盖仿真相关的参数取值如下表：

表2 仿真相关的参数取值表（密集城区）

（5）理论覆盖面积

各单位在此次规划阶段按照满足精准负荷控制22.4kbps边缘速率的要求进行规划测算，各区域单站理论覆盖半径及面积参考值如下：

表3 各区域单站理论覆盖半径参考值

覆盖半径是根据链路预算公式、“表2 链路预算与覆盖仿真相关的参数取值表”进行理论计算得到的数值。其中A区域覆盖半径取A+(密集城区)与B(一般城区)仿真结果算数平均值。链路预算考虑了穿透损耗。

覆盖面积是按照定向站点蜂窝结构，面积=1.95R2进行测算，综合考虑自有站点偏离度、区域规整性、单站覆盖冗余3种类型的调整系数。

区域覆盖站点数量=区域规划面积/区域单站理论覆盖面积×调整系数。

4.2 容量规划

（1）单扇区吞吐量

LTE-G 230MHz 和IoT-G 230MHz两种技术规范中给出的7MHz带宽下单扇区峰值吞吐量如下表：

表4 单扇区峰值吞吐量

基于电力业务以上行业务为主及峰值吞吐量按较低的取值。因此，单扇区理论峰值吞吐量取10.3Mbps。

单扇区平均吞吐量与理论峰值吞吐量的比例参考外场测试数据，给出不同区域下的建议值，如下表：

表5 不同区域下的单扇区平均吞吐量

（2）业务需求及业务终端密度

电力无线专网业务类型分为5类基本业务和12类扩展业务，各类业务的带宽需求和并发比例如下表：

表6 不同业务类型的带宽和并发比例

（3）容量规划方法

容量规划需要从几个方面考虑：

单扇区覆盖区域的业务终端总带宽需求是否超过单扇区平均吞吐量。

单扇区接入用户数和并发用户数是否超过主设备接入用户数的能力。

接入用户数和并发用户数是受限于主设备的能力，若不满足，同样属于容量受限，需要进行覆盖收缩或者宏站+微站协同。

容量规划时，以上两点需要同时满足。

容量规划方法

假设某扇区为A+类区域，业务类型和业务终端数量分别为配电自动化三遥345个、用电信息采集（负控）443个、电动汽车桩7个、精准负荷控制16个、分布式电源7个、输配变机器巡检2个、移动IMS语音（高清）12个，计算容量是否受限。

步骤一：计算总带宽需求是否满足

总带宽需求计算如下表（其中并发比例是区间的，取区间上限值）。

表7 总带宽需求计算表

计算得该扇区总带宽需求为2878.11Kbps≈2.81Mbps

已知A+类扇区的平均吞吐量为4.1Mbps，因此该扇区容量满足。

步骤二：计算总接入用户数和总并发用户数

该扇区总接入用户数为832，总并发用户数为507，不超主设备能力，容量满足。以上容量规划是以230MHz为例，1800MHz由于单站覆盖面积比230MHz更小，覆盖区域内的业务总带宽需求更低，容量更不受限。

（4）结论

无线专网目前主要是覆盖受限，容量利用率较低，规划阶段暂时不需要考虑容量受限。

5 核心网、网管规划

为实现生产控制大区与管理信息大区业务物理隔离要求，原则上每个大区分别部署一套核心网、网管设备，根据自身业务特点在省公司或地市公司进行规划部署。

核心网设备可采用pool（池）模式配置。关键单元应冗余配置，网络规模较大区域可考虑本地或异地容灾。核心网部署在地市公司模式的单位，核心网灾备宜按1备N模式部署，灾备核心网设置在省公司，处理能力宜为各地市最大的核心网处理能力，存储所有地市的数据并定期同步。

6 回传网、承载网等规划

回传网主要利用现有SDH/MSTP传输网络作为回传通道，应根据无线专网建设要求优化和补强SDH/MSTP传输网络架构及带宽。

承载网应根据核心网及业务主站系统部署情况，配置相应数通等设备。

根据新增设备安装空间、功耗等需求，结合现有机房环境，配置相应机柜、电源等设备。

7 网管规划

按照部署2套设备网管进行规划。通过在设备网管标准化的北向接口，可以将配网通信系统配置、告警和性能数据集中接入并归一化处理，综合网管系统通过数据分析计算和服务应答，以浏览器的方式为使用人员提供相关人机交互界面和业务应用。

网管系统的物理部署设计遵守现有TMS部署架构。

8 塔桅配套规划

塔桅可采用单管塔、增高架、抱杆、租用铁塔等方式，也可根据实际情况按一定比例确定塔桅建设方式，优先考虑自有物业进行基站部署。

9 总结

本文依次对终端、基站、核心网、承载网、回传网、网管、电源、塔桅配套规划进行了整体且简单的介绍。对基站规划做了详细阐述，基站规划包含覆盖规划和容量规划，对于电力终端业务，目前容量是完全不受限，重点是覆盖规划。目前国网公司继续用有线传输承载业务存在一些困难，后期需要通过无线专网承载控制类业务等，本文可以为国网公司后期无线专网规划提供参考。