230 MHz 电力无线专网网络优化研究

2021-01-25陈小惠杨芳僚刘津聂海涛

湖南电力 2020年6期

陈小惠，杨芳僚，刘津，聂海涛

(1. 国网湖南省电力有限公司信息通信分公司，湖南长沙410004；2. 泛在电力物联网湖南省重点实验室，湖南长沙410004)

0 引言

近年来, 国家电网有限公司大规模开展智能电网与能源互联网建设, 各类电力业务对通信可靠性和安全性的要求不断提高, 对电力无线通信技术[1-3]的应用提出了更高要求。电力无线专网以其组网灵活度高、业务优先级自定义、安全保障机制可管控等方面优点, 成为终端通信接入网重点研究技术方向之一, 并已在全国多个省市进行了试点建设, 其中湖南地区采用IoT-G 230 MHz 电力无线专网技术体制[4], 在长沙、衡阳等7 个地市开展了无线专网建设, 覆盖了建设地区C 类及以上供电区域。作为有线网络的补充, 电力无线专网在配电自动化、用电信息采集和精准负荷控制等多个领域进行了业务接入, 现已成为打通能源互联网终端接入“最后一公里” 的重要手段之一。

电力无线专网存在较大的自建优势, 但与此同时也带来了新的挑战: 一是缺乏电力无线专网规划工具, 在当前电力无线专网领域尚无成熟的规划工具, 在规划设计时通常基于运营商网络规划工具开展[5]。由于网络频段和业务需求等方面存在差异,规划站址和网络参数往往与实际最优配置存在较大偏差。二是电力无线专网测试系统建设不完善, 网络建设初期IoT-G 230 MHz 无线专网终端通信模组未规模商用, 测试系统功能不完善, 此外规划期间扫频时间通常在白天进行, 夜间230 MHz 全频段底噪抬升现象难以发现, 导致基站实际覆盖半径收缩[6]。三是电力无线专网的应用不成熟, 射频以及通信协议各类参数的设置缺乏经验值, 此外, 城镇建设和电力业务需求不断变化, 需要在运行过程中对网络进行迭代优化。从湖南地区的无线专网建设和应用情况看, 规划偏差和射频干扰导致网络出现覆盖性能不佳等问题频繁出现, 有必要通过持续的网络优化以保障网络性能满足业务承载需求。

本文以湖南地区IoT-G 230 MHz 电力无线专网建设工程优化工作为基础, 研究和分析无线专网网络优化应用和方法, 为无线专网进一步提升网络性能提供解决方案。

1 无线专网网络优化目标及流程

1.1 无线专网网络优化目标

无线网络优化是指对已投入运行的网络进行数据采集和分析, 核验网络质量并发现影响网络质量的原因, 通过网络结构、系统参数和硬件配置等调整优化技术手段, 促使网络达到运行更优状态, 并对网络后续维护和续建提出科学建议[7]。结合考虑工业和信息化部230 MHz 频率政策[8]和国家电网有限公司电网业务需求[9], 湖南地区网络优化目标主要以覆盖指标体现。

无线专网网络优化目标见表1, 参考信号接收功率 (Reference Signal Receiving Power, RSRP) 和信干噪比 (Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR) 是无线网络覆盖最常见指标[5]。以国家电网有限公司企业标准[9]中指定小区边缘用户上行接入速率不低于 9.6 kpbs 的目标要求为基准,230 MHz无线专网系统需要在-3 ～3 dB 的信干噪比区间下采用正交相移键控 (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 调制解调方式, 且至少使用4 个25 kHz 子带进行数据承载。结合热噪声功率谱密度为-173.98 dBm/Hz 进行计算, 得到接收机灵敏度为-125.9 dBm, 扣除7 dB 噪声余量和3 dB 干扰余量后理论边缘处RSRP 为-115.9 dBm。

综上, 采用 RSRP 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 作为区域被覆盖的判决条件, 无线专网在A+、A 类供电区域覆盖占比不低于95%, 在B、C 类供电区域内占比不低于90%[10]。

表1 无线专网网络优化目标

1.2 无线专网网络优化流程

为实现无线专网网络优化目标, 首先需要对无线网络性能参数进行数据采集和分析, 获取网络运行的实际情况, 然后使用合理的技术手段对网络进行优化直至目标实现。无线专网网络优化流程如图1 所示, 主要包括前期准备、单站优化、片区优化和全网优化四个阶段。前期准备阶段主要完成位置、网络和系统重要参数等基础资料的收集, 对片区进行划分并确认优化目标。单站调测主要实现单站质量检查, 检查内容包括系统告警、小区可用性、驻波比测试、时钟状态和回传网络状态等基础检查工作, 同时还应测试各小区网络性能, 对各类业务进行拨测, 确认各小区网络接入和时延情况。片区优化和全网优化是从局部区域到整体网络的优化流程, 需要搭建测试系统并设计测试路线,对网络性能数据进行采集, 核查分析并输出优化建议, 通过工程或运维实施迭代调整以达到优化目标。

图1 电力无线专网网络优化流程

2 无线专网网络优化测试系统

路测 (Drive Test, DT) 指通过车载无线测试设备沿特定路线采集数据, 得到较真实的无线网络运行性能指标。路测数据可以反映出无线网络的覆盖质量、业务连通性和速率要求是否满足规划目标或实际业务需求, 从而为后续网络优化提供最为重要的数据依据。目前, 已有对电力无线专网路测系统的相关研究, 文献 [11] 设计了LTE-G 制式的230 MHz 电力无线专网路测系统。由于湖南地区使用IoT-G 制式, 该制式终端通信模组尚未大规模商用, 无成熟客户终端设备 (Customer Premise Equipment, CPE) 进行测试, 本文基于测试终端设备 (Test User Equipment, TUE) 搭建测试系统,测试系统结构如图2 所示。

图2 路测系统

测试系统配置PC 笔记本搭载DT 前台测试软件, 用于数据的集中采集；配置扫频仪和天线, 用于信号扫频数据采集；TUE 主要采集RSRP、SINR和物理小区标识 (Physical Cell Identity,PCI) 等指标和参数, 支持通信时延和速率测试；GPS 置于车顶用于采集定位信息；外接电源配置蓄电池, 采用车载逆变电源, 为测试设备提供交流电源输入。DT 后台分析软件可用车载PC 笔记本或远程计算设备搭载, 采用离线数据分析方式, 对测试数据分析和图像渲染, 形成直观的测试结果图。

3 无线专网网络优化技术措施

电力无线专网与公网运营商网络的主要差异在于频谱资源不同、基站密度不同和协议差异性等。在传统公网运营商网络优化技术基础上, 湖南地区无线专网网络优化充分考虑差异性, 采用主要包括天线方位角调整、天线接发整改、PCI 优化、有效载波物理位图优化和参数一致性核查等技术措施。

3.1 天线方位角调整

天线指向调整主要应用于无线网络过覆盖、弱覆盖、导频污染和覆盖盲区等情况, 技术手段包括天线下倾角和方位角调整[12]。230 MHz 频段覆盖距离远, 天线下倾角调整对应覆盖性能变化大, 易造成覆盖调整混乱, 在230 MHz 无线专网优化中应用较少, 使用更多的是天线方位角调整。天线方位角调整原则为天线指向方位角初始考虑采用0°/120°/240°的天线指向, 以避免长直街道带来的波导效应；方位角调整过程中, 尽量保持扇区间夹角在120°±15°以内, 避免重叠覆盖区偏大或者出现弱覆盖区。天线方位角调整可应用于规避干扰信号, 长沙地区两变电站在天线方位角调整后, 干扰电平分别改善8 dB 和4 dB[6]。

3.2 天线接反调整

无线基站小区编号通常以方位角命名, 一般情况下按照正北方向沿北、东、南、西方向递增, 先后建成的小区可能按照建成先后顺序递增[13], 不能排除实际安装过程中部分站点可能存在天线接反情况, 如长沙地区核查出12 个站点出现天馈接反的情况。IoT-G 230 M 无线专网的天馈接反会出现PCI 模6 冲突引发的导频干扰场景, 导致网络质量降低, 无法满足业务承载需求。该问题可通过单站调测或DT 测试方式排查发现, 发现该情况后需要对天馈接线整改, 按照规划顺序正确接线。

3.3 PCI 优化

PCI 用于区分不同小区, 一方面需要确保在相关小区覆盖范围内没有相同的物理小区标识, 另一方面PCI 作用于小区搜索等过程中, 影响下行参考信号的同步、解调[14]。下行参考信号在频域为每6 个频率偏置, PCI 模6 值相同时会造成下行参考信号的相互干扰, 因此IoT-G 230 MHz 无线专网系统要求PCI 模6 错开。PCI 优化可多轮次开展, 如长沙地区在工程验证阶段进行了两轮调整, PCI 共计调整22 站次。

3.4 有效载波物理位图优化

有效载波物理位图 (Effective Carrier Bitmap,ECB) 是用于参数标识小区下有效载波的物理位图。ECB 中每个比特指示1 个载波的状态, 比特为0 和1 时分别指示表示载波不可用和可用, 共计可指示230 MHz 频段内480 个载波的可用状态。ECB 用于设置小区可使用的子载波集, 实际应用过程中ECB 配置一方面需要避开其他行业已经使用的频点, 除电力行业外, 水利、矿业和军事等领域均存在使用频点, 该类频点不得作为ECB 配置[9]；另一方面需要综合DT 测试的扫频仪扫频数据和无线专网网管的干扰检测控制功能, 测试频点上是否存在强干扰, 对存在强干扰的频点进行更换, 确保每个小区的ECB 配置最优。

3.5 参数一致性核查

全网优化阶段, 对载波资源分配和功率、定时器参数、上行功控参数、随机接入信道参数、上行调度参数、下行调度参数、算法开关等7 类共计23 个参数进行参数一致性核查。该方式主要在网管上执行, 主要解决参数配置错误和优化配置后全网不一致等问题, 确保满足覆盖下网络性能最优。

3.6 其他方式

天线挂高对覆盖性能有着重要影响, 可以对部分建筑或地形遮挡和反射造成覆盖性能差进行改善, 其前提为已建基站实际位置和杆榙满足挂高调整要求。当实际建设条件不满足灵活调整要求时,需要通过工程建设进一步调优, 如通过补盲基站建设等进行覆盖补充, 此外还可以考虑终端多跳级联技术, 通过终端中继方式提升覆盖能力[6]。

4 无线专网网络优化实际应用

湖南地区在建设工程完成后立即开展工程优化工作, 通过一系列无线专网网络优化技术手段, 覆盖占比明显提升, 网络优化前后覆盖指标如图3 所示。长沙、衡阳地区 RSPR 不小于-115 dBm 覆盖占比、RSPR 不小于-105 dBm 覆盖占比、SINR 不小于-3 dB 覆盖占比以及RSPR 不小于-115 dBm 且SINR 不小于-3 dB 覆盖占比指标在优化后都得到了提升。其中, RSPR 不小于-115 dBm 覆盖占比指标提升平均值为4.49%, RSPR 不小于-105 dBm覆盖占比指标提升平均值为3.54%, SINR 不小于-3 dB 覆盖占比指标提升平均值为3.27%, 促成RSPR 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 覆盖占比指标提升平均值为3.82%。针对RSPR 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 覆盖占比指标, 衡阳地区网络优化后已满足指标要求, 长沙地区A类及以上地区指标达到90.57%, 需要进一步建设补盲站点进行覆盖。

除直接提升现网覆盖性能之外, 通过优化工作采集的路测数据, 并结合站点分布情况分析, 进一步梳理推荐了后期补盲基站站点, 并根据覆盖区域和指标情况进行优先级排序, 为后期工程建设的进一步优化提供依据。