基于5.8 GHz LTE-U的变电站通信业务接入技术

孙 晨，朱从亮，张佳琪，袁建涛

(1. 浙江华云信息科技有限公司, 浙江 杭州 310012；2. 浙江大学，浙江 杭州 310057)

变电站是智能坚强电网的核心环节，担负着所在区域的供电任务。由于变电站具有数量多，地域分布广且地处人烟稀少区域等特点，给电网的日常维护管理带来了诸多不便。随着科学技术地不断发展，变电站的智能化水平得以提高。大数据、云计算、人工智能等先进技术的蓬勃发展将使“机器代人”的场景成为现实。目前，变电站新增了智能机器人巡检、移动智能终端、智能传感器等多种业务，这些技术的引入可以使变电站及时发现危险隐患，减轻日常巡视人员的工作量，保障安全生产，有效提高变电站智能化水平，实现运检业务协同和运检设备数据贯通，支撑变电站更安全、更智能、更高效地运行。

变电站中移动智能终端、智能传感器、智能机器人巡检等多种生产业务都需要接入，但有线通信方式施工安装复杂、成本高且维护工作量大，无法对移动终端进行有效地接入，需要采用无线多业务通信接入设备来解决多种生产业务的通信接入问题，规划采用本地无线组网，进行数据汇聚，并通过安全可靠的传输通道，接入信息内网。

为了给生产智能化、自动化水平的提升提供通信支撑，变电站应该具有大带宽、高可靠和低时延的信息传输技术，以达到电网多样化的实时采集、监控和处理要求。但传统方法通过接入Wi-Fi网络进行信息传输，Wi-Fi网络采用基于分布式控制功能(Distributed Coordination Function,简称 DCF)的介质访问控制(Media Access Control, 简称MAC)层协议，而DCF是一种基于冲突避免的载波侦听多路访问技术(CSMA/CA)的分布式接入机制。它通过制定冲突避免机制来尽量减小冲突碰撞发生的概率，以提高系统的吞吐量并降低时延。它具有简单但容易被占用的特点，很难为智能变电站提供高质量的服务。相比于Wi-Fi，长期演进(Long Term Evolution,简称LTE)的MAC协议则是集中控制式的，它采用免竞争的协议，具有高效且贪婪的特点，可以对频谱资源进行更高效地调度和管理，进而实现多种性能的增益，提高频谱利用率。

本文提出一种基于5.8 GHz LTE-U技术的变电站通信业务接入技术。这项技术针对以上行数据传输为主的电力物联网特殊行业应用研究定制化的5.8 GHz LTE-U一体化基站的通信传输协议。它具有快速信道接入机制和终端掉线自动重连机制，以及时建立无线链路，以匹配传感器采集、低压集抄与负控技术，实现电网设备故障预警快速响应。本技术可以满足电网视频、无人巡检机器人、温湿度传感器和在线监测装置等大带宽、高可靠和低时延传输等要求。

1 免许可频段LTE技术

随着对高速、高质量通信的需求日益增长，无线蜂窝网络技术面临着巨大的挑战。面对频谱资源日益短缺的现实，工业界和学术界提出了两种方案应对挑战。第一种方案是通过提高授权频段的频谱利用率缓解授权频段资源紧缺的问题。目前主要方案有：更加密集地部署小基站(Small cell Base Station,简称 SBS)[1]，采取这样的方法可以提升空间复用率；通过采用多点协作(Coordinated Multi-Point,简称CoMP)[2]、载波聚合(Carrier Aggregation, 简称CA)[3]等技术在时间复用率方面作出努力；安装大规模多输入多输出天线(massive MIMO)[4]以提升信道容量。除此之外，全双工(Full-Duplex, 简称FD)模式[5]、终端直通(Device-to-Device, 简称D2D)模式[6]也用于提升传输速率，增加频谱复用率。但是，授权频段资源仍然十分稀缺，但这些方法只能在一定程度上提升系统容量和信道传输速率，不是长久之计。

因此，学术界和工业界另辟蹊径，开始将视线聚集到免许可频段上。免许可频段是指在满足一定技术要求的情况下，无需管理部门许可便可直接使用的频谱资源。它具有带宽宽、频段使用自由等优点，但由于信号传播损耗较大，一般免许可频段设备用于覆盖范围较小、发射功率较低的室内，进行短距离无线传输。基于免许可频段具有的特点，高通、爱立信等公司于2013年提出了免许可频段LTE技术[7-8]，即将LTE部署在免许可频段上，从而在扩大蜂窝网络的系统容量同时，又可以节约购买频谱资源的成本。目前，LTE-U技术主要有基于载波感知自适应传输(Carrier Sensing Adaptive Transmission, 简称CSAT)的占空比(Duty-cycle Muting, 简称DCM)技术和基于碰撞退避的先听后说(Listen-Before-Talk, 简称LBT)机制。

DCM在一些非LBT地区使用，其中CSAT机制是DCM算法中最典型的原理，它仅需对现存的LTE协议做小部分改动，对比需要对LTE协议进行大范围修改的LBT机制来说，这是一个明显的优势。基于CSAT的DCM方法模型如图1所示。DCM机制在时域上将免许可频段划分为多个周期，又将每个周期划分为开(ON)和关(OFF)两个状态，通过开(ON)和关(OFF)进行传输状态的转换。其中，LTE-U在开(ON)状态期间进行传输，而Wi-Fi用户在关(OFF)期间传输数据[9]。系统中的这种开(ON)/关(OFF)传输可以通过LTE协议中现存的离散接收(Discontinuous Reception, 简称DRX)和离散传输(Discontinuous Transmission, 简称DTX)实现。

为了避免LTE-U系统对Wi-Fi网络造成过多干扰，欧洲国家、日本等在LTE-U系统中引入了LBT接入机制，它与Wi-Fi中的分布式控制功能DCF协议有很多相似之处[10]。

基于碰撞退避的LBT方法模型如图2所示。在LBT中，LTE-U在免许可频段上传输数据之前需要进行信道评估(Clear Channel Access, 简称CCA)，以侦听目标信道是否未被其他系统占用[11]。当在CCA阶段侦听发现目标信道上没有正在进行的传输时，LTE-U用户才能在目标信道上进行有限时长的传输，这个已经预定好的有限传输时间称为信道占用时间(Channel Occupancy Time,简称 COT)。若目标信道为非空闲状态，则选择放弃接入或者退避一段时间。在每个COT结束后，需要继续传输数据的LTE-U设备继续进行CCA侦听以获得下一个接入信道的机会。

2 关键技术

2.1 载波选择技术

5.8 GHz免许可频段通常带宽都较大，传统Wi-Fi系统中每个节点通过侦听各个候选载波的干扰，再结合自身业务需求，选择合适的载波进行数据传输，这样距离较近的不同节点会尽可能选泽不同载波，可以降低共道干扰概率。而5.8 GHz LTEU系统在原来载波侦听基础上增加基于干扰侦听的选择机制以及引入更快速载波选择和更快速载波切换，以便适合免许可频段大带宽的场景，降低多系统共道干扰的概率，提升终端用户的体验。

2.2 适配LBT算法关键技术

遵从LBT法规是实现基本公平共存的方式，在欧洲等有LBT要求的地域，LBT法规必须遵从。针对欧洲ETSI的两种LBT规范，基于固定帧的方式，可直接基于现有的TDD结构，将上行子帧设置为空闲时段，专门进行帧听，这种方式简单，复用现有TDD帧结构；缺点是侦听机会较少，和Wi-Fi共道竞争效果差，且碰撞概率较高，不适合同步系统。

针对基于负载的LBE方式，为兼容TD-LTE子帧边界，只要不在发送就在侦听，当侦听到信道可用而不是1 ms子帧开头，通过padding比特先抢占信道，避免其他系统插入，这样保持TD-LTE系统的帧结构和同步传输的特征，减少终端用户的盲检测，最大化信道使用效率。后者侦听机会较多，和Wi-Fi共道竞争公平；碰撞概率小；缺点是需要padding比特，会有资源浪费。LBT机制下，会给上行传输带来麻烦，而上行传输是TDD机制必须考虑的。中国等国家未明确规定LBT需求，因此在遵从法规的情况下，5.8 GHz基站拟采用免LBT方式接入信道，以保证业务的QoS。

2.3 动态TDD配置关键技术

该关键技术使一体化支持多种子帧结构配置，以适应多样化的电网需求。区别于蜂窝网络中通信以下载业务为主，电网中传感器采集、低压集抄与负控等以上行数据传输为主，动态TDD配置关键技术可配置上行子帧数大于下行子帧数，以在保证系统正常运行的前提下增强上行数据传输能力。

2.4 小区搜索和自动驻留关键技术

若终端用户要接入到5.8 GHz LTEU小区，必须首先进行小区搜索，包括一系列同步过程。经过这些阶段，终端用户可以获得一些关键系统参数。

小区搜索的完成也即完成了用户驻留。该关键技术要分析5.8 GHz法规的管制要求并制定射频指标，针对电网特定应用场景，研究基于共存的空口设计和组网优化技术。考虑独立组网中用户驻留问题和QoS保证问题，研究用户开机自动驻留和断链自动重建技术。

2.5 资源定位关键技术

传统LTE系统中根据系统帧号计算确定后续传输的时频资源位置的方法，系统帧号从基站开机时开始逐帧递增；而免授权频段，一体化基站可能在不同时刻使用不同的载波频段。资源定位关键技术使终端用户和基站保持一致，用户完成同步过程，可及时和基站完成数据的收发操作。

2.6 接纳控制关键技术

为保证已经接入5.8 GHz基站设备的终端用户的服务质量，接入控制功能可以准许或拒绝新的终端用户的接入。

基站设备可以根据系统资源利用率进行接纳判决，考虑5.8 GHz无线资源的整体利用情况、QoS需求、优先级水平和已建立终端用户的QoS需求，计算出系统中既有业务的资源占用情况，然后根据系统目前的资源利用率和请求建立终端用户的QoS需求计算出所需资源，进行接入判决决策。

2.7 干扰协调增强关键技术

在5.8 GHz免授权频段可能会出现多系统共存场景，在此场景下考虑提升接入概率和资源利用率的优化方案，建立空/时频谱资源模型，通过强化学习追踪频谱资源的动态变化，对频谱资源可用性进行预测，综合实时感知结果与预测结果进行自适应接入控制。5.8 GHz一体化基站可采用类似Wi-Fi系统的RTS/CTS及NAV方式来发送信道预留消息以增强信道利用率，保证一体化基站系统性能。

2.8 自适应MIMO模式选择关键技术

多天线MIMO传输模式由各MIMO方式组合而成，包含分集、复用和波束赋形等多种方式。自适应MIMO模式选择可根据用户特性等进行模式内和模式间切换。

模式切换主要从用户能力等级、移动速度、用户业务量、信道相关性等方面综合考虑。其中，用户能力等级、用户业务量均是基站已知参数，信道相关性可以通过指示反馈获知。同时还应综合考虑资源分配约束、反馈资源限制、探测参考信号资源限制、下行控制资源限制等方面。模式内切换通过下行控制信令指示，使基站根据终端用户上报/反馈的信道质量信息或者网络的干扰状态等信息对传输模式内的MIMO方式进行调整。

3 变电站通信业务接入测试

本此试点工程为国网浙江省电力公司安装一套基于5.8 GHz LTE-U技术的无线通信设备，实现对变电站室内外进行4 GHz LTE网络覆盖，通过LTE-U无线网络接入，实现多业务通信接入设备来解决多种生产业务的通信接入问题，为生产运行智能化、自动化水平提升提供通信支撑。

本次测试的主要目的是验证5.8 GHz LTE无线通信设备对各类接入业务的接入能力及5.8 GHz LTE无线通信设备与现有电力生产业务系统(智能巡检机器人)对接的对接机制及可靠性、兼容性、互通性等，同时实现通过分布式安全接入平台实现数据与内外通信。场强测试拓扑图见图3。

3.1 无线信号场强测试

测试无线LTE网络在变电站的信号覆盖情况。利用频谱在覆盖范围内选取多个测试进行场强、抗干扰测试。

3.2 数据传输带宽测试

测试无线5.8 GHz LTE设备的数据通信功能，数据传输带宽测试的拓扑图如图4所示。网速测试软件为IPOP V4.1和IPerf2.02,延时测试软件为Qcheck 3.0。具体的测试步骤如下。

(1)测试测试电脑1和2上的 iperf-2.02in新建一个名称为“download”命令为iperf -c XXX.XXX.XXX.XXX(测试对端电脑IP地址) -f m -i 1 -t 1000 -b 15m的bat文件，新建一个名称为“upload”命令为iperf -s -f m -i 1的bat文件。

(2)测试LTE上行带宽时，测试电脑1运行iperf.exe文件，在运行downlaod.bat文件；在测试电脑2运行iperf.exe文件，在运行uplaod.bat文件；同时运行IPO4.1.exe文件在“网卡流量”菜单中查看上行带宽。

(3)测试LTE下行带宽时，测试电脑2运行iperf.exe文件，在运行downlaod.bat文件；在测试电脑1运行iperf.exe文件，在运行uplaod.bat文件；同时运行IPO4.1.exe文件在“网卡流量”菜单中查看上行带宽。

(4)打开Qcheck 3.0测试软件，配置测试点源IP和目的IP。在“Options”中单击选中“Response Time”按钮，测试次数设置为3，数据包大小设置为10 000 bytes，然后单击Run按钮运行测试，记录测试结果。

(5)在变电站内随机选定有代表性的8个点进行测试。

3.3 高清摄像头测试

高清摄像头测试拓扑图如图5所示。具体的测试步骤可以分为以下三步。

(1)高清摄像头连接到CPE2上。

(2)视频演示电脑通过IE登陆到高清摄像头上，预览高清摄像头视频。

(3)测试人员手持摄像头在变电站内随机走动，查看摄像头视频是否清晰。

3.4 巡检机器人接入测试

基于5.8 GHz LTE-U技术的智能机器人巡检接入测试的拓扑图如图6所示。具体可以分为以下三个步骤。

(1)打开巡检机器人后台程序，查看机器人跟后台间通信是否正常。

(2)如7图所示，查看机器人图像传输是否正常，转动机器人云台查看控制机器人是否正常。

(3)设置机器人巡检路线，查看机器人巡检是否正常(见图8)。

4 测试结果

区域信号覆盖测试的测试结果如图9所示，通过测试房间内的场强来对区域的覆盖情况进行测试。图9(a)为一楼机器人房间测试结果，图9(b)为二楼房间测试截图，图9(c)为电缆层测试截图，图9(d)为主变房间测试。通过图9中的测试结果表明，提出的基于5.8 GHz LTE-U技术的变电站通信业务接入技术的区域信号覆盖符合技术要求。

通过带宽测试的结果可以看出，本系统具有很高的带宽，符合设计要求。

通过基站测试切换使用可知，基于5.8 GHz LTE-U设备传送的高清视频清晰流畅，没有出现延时和卡顿情况。

机器人测试结果表明，在设计覆盖范围内，机器人可以做正常巡检，并且机器人的通信正常，无中断、丢包现象。

这些测试结果说明变电站室内信号覆盖、信号时延、上行带宽、基站间切换、机器人及IED业务接入等各项指标均满足设计要求。

5 结语

为有效提高变电站智能化水平，实现运检业务协同和运检设备数据贯通，支撑变电站更安全、更智能、更高效地运行，本文提出了一种基于5.8 GHz LTE-U 的变电站通信业务接入技术。该技术可以满足电网视频、无人巡检机器人、温湿度传感器等大带宽、高可靠和低时延传输要求。此外，它还具有快速信道接入机制和终端掉线自动重连机制，可以实现电网设备故障预警的快速响应。实际测量结果表明，基于5.8 GHz LTE-U 的变电站通信业务接入技术各项测量数据全部达标，可以为实现智能电网应用提供强有力的支撑。