基于LTE230濰坊電力無線專網設計與實現

◆劉 晗 馬建生 金志強 張 鹍 徐 力 戴國煌 柳培忠

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基于LTE230濰坊電力無線專網設計與實現

◆劉 晗1馬建生2金志強2張 鹍1徐 力2戴國煌3柳培忠4

(1.國網山東省電力公司 山東 250000；2.國網山東濰坊供電公司 山東 261000； 3.福建先創通信有限公司 福建 362000；4.廈門大學 福建 361000)

本文針對濰坊通信狀況復雜、經費少等現狀，結合智能電網配用電通信需求，通過建設LTE230系統，列舉了LTE230系統的關鍵技術。著重分析它在用戶信息采集中的應用效果，對比傳統的通信網絡，具有良好的覆蓋效果和傳輸能力，為LTE230系統的廣泛應用提供了良好的示范作用。

通信狀況；智能電網；LTE230

0 引言

在現代社會中，配用電的發展與社會和人們的生活息息相關，發展可靠、安全、高效的智能電網是必然趨勢。目前，移動通信網絡系統迅速發展，從傳統的通信業務逐漸向互聯網寬帶業務發展。LTE230系統采用分時長期演進（Time Division Long Term Evolution,TD-LTE）技術，是基于230MHz電力專用頻點的無線寬帶通信系統。該系統運用載波聚合、正交頻分多用、自適應重傳等技術，很好的解決了容量大、傳輸效率和質量等問題，特別是在用戶信息采集系統中，實現了業務數據的上傳、收集和傳輸的可靠性、高效性和安全性。打造了山東濰坊專用的通信電力系統，為建設應用LTE23O系統提供了很好的借鑒模式，促進了當地智能電網的發展和配用電自動化。

1 LTE230系統簡介

LTE230系統基于TD-LTE技術運用在電力系統專有的230MHz頻段，采用載波聚合技術達到離散頻譜資源的充分利用。230MHz頻段頻點離散，電力能源行業擁有40個授權頻點，是授權頻點最多的行業，很好的適應了電力系統的應用需求。

LTE230系統在配用電網和石油等行業已有較成熟的應用，通過建設LTE230系統，加速配用電自動化發展的方向，推進用戶信息采集的建設。LTE230系統架構主要由無線終端UE、無線基站eNodeB、核心網EPC及網管eOMC構成。四個部分功能不同，形成統一整體，在用戶信息采集、視頻監控、配用電自動化等方面有著良好的發揮和作用。

2 無線通信專網的設計與實現

2.1實現需求

（1）通信狀況復雜，濰坊處于南北長188公里，東西寬164公里，市域地勢南高北低，南部是山區丘陵，中部為平原，北部是沿海灘涂。濰坊供電公司是山東電力集團公司直屬的大型供電企業，濰坊電力共有用電信息采集終端249936個（濰坊市區有8萬個用電信息采集終端）、配電自動化終端6029個、負荷控制終端428個、其它677個。以上終端所采用的通信接入網主要是無線公網，少量終端采用230數傳電臺。

（2）經費少，濰坊LTE230科技項目雖獲國網立項，但項目經費太少，無法完成建設一個具有一定網絡規模、一定通信終端容量的無線專網，以便開展電力無線專網系統組網能力、通信終端容量支持能力、業務承載適應性、網絡建設和維護的經濟性、網絡運行的穩定性和安全性的研究。

（3）實踐應用缺乏，LTE230無線系統是國網主導開發的具有自主知識產權，在國網內已建設多個小規模的試驗網，缺少較大規模網絡和終端容量的實際運行驗證。

2.2實現關鍵技術

（1）載波聚合技術，目前系統分配的頻點少而且分散，相較傳統的數傳電臺一次只能有一個頻點進行數據傳輸而言，LTE230系統采用載波聚合技術，當頻譜是離散的窄帶的時候，可以將每個離散的信道看做一個成員載波，將不連續分配的成員載波進行聚合，并統一分配給一個用戶使用，這樣可以產生大于原來窄帶系統幾倍的傳輸帶寬，從而達到寬帶傳輸的效果。

與LTE-A系統不同，LTE230系統載波聚合技術采用數據流在MAC層聚合和數據流在物理層聚合混合方式。子載波數據流在物理層聚合的方式是通過同一個用戶的子載波共用一個傳輸塊，這樣使傳輸塊的有效數據增多，有利于提高頻譜效率。子載波采用數據流在MAC層聚合方式使每個用戶采用獨立的傳輸塊，針對每個用戶單獨進行調制，使不同用戶間HARQ的調度控制得到顯著改善。載波聚合技術的優點在于載波聚合是直接聚合多個成員載波，不需要重新設計物理信道和調制編碼方案。這樣提高了LTE230系統的載波承載數據能力，也提高了頻率利用效率。

（2）正交頻分多址技術，即OFDMA各子載波的調制是通過FFT來實現，各子載波也相互重疊，因此可以實現時間和頻率的同步，在上行鏈路的功率控制可以減少干擾，提高系統傳輸性能。相比較傳統的OFDMA多址技術使用載波間的保護頻帶降低了頻譜效率，正交頻分復用(OFDM) 技術把實際信道劃分成若干個子信道，能根據各個子信道的實際情況靈活地分配傳輸功率。這樣能夠有效地提高頻譜效率，增加系統容量，同時還能抵抗多徑干擾，是一種優秀的物理層技術。

（3）自適應重傳技術，HARQ將一種自動重傳請求ARQ和前向糾錯FEC相互結合的物理層技術，能夠根據通信狀況在有關信道條件下的傳輸速率做出改變，并且不會因為暫態信道測量結果和時延而受到影響。AMC（Adaptive Modulation and coding自適應調制與編碼）技術根據信道條件的變化，選擇適當的調制和編碼方式。LTE230系統在受到高強度的干擾時，此時信道條件差，采用的調制方式是低階的，這樣可以使數據傳輸速率降低，提高數據傳輸準確性。相反信道條件好時，則可用高階的調制方式提高頻譜利用率和數據傳輸速率。

現在很多業務都支持一次或多次重傳，綜合使用AMC和HARQ技術可以根據二者的優勢，由于HARQ是根據信道條件，重傳較快，時延較短，可以提供較為準確的速率調節。所以，采用AMC的同時配合HARQ機制，使系統具有迅速高效地響應信道變化、提高鏈路性能以及系統容量，以此保證傳輸的可靠性和穩定性。實現新模式

濰坊LTE230科技項目實施擬采用網絡租賃的新模式，山東電力以科技經費和部分自籌經費為啟動資金，作為采購通信終端的資金、租賃LTE230無線網絡的資金及項目其它開銷資金。福建先創為山東LTE230項目提供核心網和網管設備（暫時借用）、提供LTE230無線網絡所建基站的基站設備（按年收取租賃費用）。福建先創（中國移動、聯通、電信通信網絡運行維護服務商）負責LTE230無線網路的工程建設和運行維護。三方合力（出資、出物、出力）共同建設山東電力有一定規模的LTE230試驗網絡。

3 LTE230覆蓋效果

LTE230網絡可承載配電自動化、用電信息采集、負荷控制等通信業務。4個基站建設部署在濰坊市區,實現濰坊市區LTE230基本覆蓋,網絡拓撲圖如圖1所示,網絡覆蓋示意圖如圖2。

圖1 網絡拓撲示意圖

圖2 網絡覆蓋示意圖

用戶信息采集系統中，我們采用的是TD-LTE230終端基帶芯片，這些主要用于實現電力業務數據的聚集和上傳和控制信號的傳輸等終端設備和核心設備。該款芯片包含高速處理的DSP芯片和存儲器，可以快速高效的進行物理層數字信號處理以及MAC層協議解析。

LTE230網絡滿載承載（1.5MHz帶寬）9萬個用電信息采集通信終端，實際可承載8萬個以上用電信息采集通信終端。表1是各類采集終端通信需要的帶寬。以濰坊市區為例，全市有8萬個采集終端，假定每個采集終端下有100個E類用戶，按15min完成上報，所需帶寬為18.72Mbps，每個基站為0.624 Mbps，而LTE230基站上行吞吐量2.64 Mbps（1.5MHz帶寬）。由于用戶數量巨大,數據量較大,且采集頻率較高,LTE230系統單個基站容納用戶數大,因此在用戶信息采集時,采用OFMDA多址技術,可提高頻譜的利用率,有效提高接入網用戶數量。目前單個基站擁有三個扇區,每個扇區能夠支持的最大在線終端數為2000[7]。這樣能最大滿足用戶需求,提高配電網的可靠性和安全性。

表1 各類用戶信息量統計

4 LTE230系統優勢分析

在山東濰坊建立LTE230系統，不僅能夠充分利用它廣覆蓋的優點，在建設和維護成本等方面，在滿足用戶需求和用電信息采集等方面也提供了很好的技術優勢。

（1）廣覆蓋，對于LTE230系統在濰坊4個基站的部署就完全實現了全覆蓋的要求。與傳統230MHz數傳電臺相比較，頻譜效率有明顯提高。與1800MHz等高頻段無線專網相比，TD-LTE230系統覆蓋距離大幅提高。

（2）成本低，LTE 230系統覆蓋面積廣，系統容量大，可大大降低單位面積的基站數量，大幅度降低專用網的建設投入，減少維護開銷。

（3）安全可靠，LTE 230系統頻譜配置靈活，在可用頻譜資源有限的情況下，為行業應用提供靈活、高效的無線數據傳輸解決方案。該系統可靠性強、穩定性好、安全性高，可以廣泛應用于各行業多領域。

（4）大容量接入，在密集的城區，由于用戶需求量大，而LTE230系統可支持同時調度的2000個用戶，能很好的滿足電力業務大量業務終端接入的需求，也能很好的采集用戶配用電信息。

5 結束語

人們對電力配用業務無線通信的需求，而LTE230系統以其廣覆蓋、低成本的優勢，必然會受到廣大用戶的期待。本文主要介紹基于LTE230系統的電力無線專網，根據其技術優點實施了山東濰坊LTE230科技項目，從而體現了在密集城區廣覆蓋的特點，也驗證了用電信息采集系統的承載能力。

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濰坊科技項目（編號：5206041400TP）。