TD-LTE無線通信技術在水利工程中的應用

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 引 言

傳統的水利建設項目往往采用粗放型管理，普遍存在管理能力與水平相對滯后的問題，大量資料仍以手工作業為主，工程管理部門難以及時、準確、全面地了解工程發展狀況及變化趨勢，導致管理目標無法量化。在水資源日益緊缺的今天，每一滴水都要物盡其用，傳統的管理方式已經不滿足當下需求，應對水資源實現精細化管理。而對水資源進行精細化管理，就需要對水資源信息進行實時采集，實時監控渠系運行情況，并相應采取措施，以實現以計算機技術為主的水利信息化。在水利信息化過程中，對前端信息的采集是重點，而對這些信息的有效傳輸則是重中之重。

水利工程的信息傳輸一般采用傳統的有線傳輸方式，但大多數水利工程由于受水資源地理位置限制，需從位置偏僻的水庫、河流中取水，而工程管理部門往往離工程位置較遠。這種項目的有線光纜敷設就需要采取破路、過橋等一系列施工措施，其投資高、難度大，需協調的企業和部門也很多。考慮到這些問題，必須尋找一條有別于有線通信的無線通信方式來解決此類項目中信息的傳輸問題，滿足工程長期運行的需求。

2 工程概況

引長入連工程位于內江市威遠縣境內，主要由取水泵站樞紐工程和輸水管線工程兩部分組成。取水泵站從長沙壩水庫內雷公田處抽水至2000m3高位水池后，經長度18.541km管道以重力流方式，先后輸水至川威集團成渝釩鈦基地和已成船石湖水庫。通信系統根據工程特點，須將視頻監視及泵站控制的數據匯聚至泵站高位水池，再經通信網絡傳至大壩管理局處。大壩管理局不在輸水線路上，且距泵站約20km，途經河流、公路和鄉鎮，敷設光纜非常困難。

高位水池和大壩管理局的地理位置如圖1所示。

3 無線傳輸特點和優勢

3.1 無線傳輸的特點

隨著通信技術的發展，行業內部開始出現以低頻段TD-LTE為技術標準的無線傳輸系統。TD-LTE作為我國自主專利知識產權的4G標準，已經成為3GPP審核的國際標準之一，TD-LTE有著如下的特點：

a.傳輸時延：用戶面時延(單向)小于5ms，控制面時延小于100ms。

b.帶寬靈活選擇：5km半徑范圍內效果優秀，5～30km屬于可接受范圍內的下降，最大支持100km半徑覆蓋。

c.系統容量：下行達到100Mb/s，上行達到30Mb/s，頻譜效率達到3GPP R6的2～4倍，提高小區邊緣用戶的使用效果。

d.移動性支持：0～120km/h移動速度下高性能，最大支持300km/h移動速度。

TD-LTE基本網絡結構如圖2所示。

圖2 TD-LTE基本網絡結構

3.2 無線傳輸的優勢

TD-LTE無線專網，與光纖方案對比，具有非常明顯的優勢。

3.2.1 信息安全性

TD-LTE是中國自主研發的技術標準，本土企業掌握從芯片到終端的所有技術，在端到端的全產業鏈領域具有自主研發技術優勢。

在安全體系設計方面，TD-LTE在傳統架構上進行了改進，在AN和SN之間、ME和SN之間和歸屬網絡HE和SN之間均進行雙向安全保護。

在安全層次設計方面，針對3G只有一層安全缺陷，TD-LTE采用了分層安全機制，即分為AS層和NAS層，通過這種分層保護的安全架構，使LTE/SAE網絡的安全威脅降到最低。

在鑒權機制設計上，TD-LTE對鑒權流程進行了深度優化，能夠保證UE穩定且安全接入，有效杜絕非法用戶的連接。

在安全保護機制設計上，TD-LTE系統的數據安全都是基于可選的算法來實現的，當核心算法確定后，TD-LTE依次進行信令的加密和完整性保護，以及用戶數據的加密。

3.2.2 工程實施

TD-LTE專網的建設非常方便，能夠最大程度上節省人力、物力和財力。無線專網采用無線電波實現信息的傳輸，泵站內視頻、數據及語音信息通過專網基站實現逐級回傳，無須進行線纜的敷設，能夠減少征地，減小資金投入，加快工程實施進度。TD-LTE專網設備集成度高，設備安裝方便、調試簡單、建網速度快，可以有效減少施工時間。

3.2.3 網絡擴展性

TD-LTE無線專網具備強大的擴展性，網絡規模伸縮自如，適應不同規模應用。TD-LTE可以實現點到多點的接入，一個基站可以同時支持多個終端的接入，在新建數據采集點時，可以通過安裝一個終端設備，就近接入現有的基站設備中，實施起來非常方便，避免大量的工程實施工作量。

TD-LTE已具備從系統、終端、芯片，到測試設備的完善的商用產業鏈布局，全球已經規模商用部署，國內三大運營商移動、電信、聯通的4G網絡全部使用了TD-LTE技術，為水利行業使用TD-LTE提供了條件，水利行業也應順應通信技術的發展，采用先進而方便的4G無線通信技術。

4 通信需求

本工程需要將高位水池處的10路視頻信號和1路泵控信號回傳到位于水庫管理局的監控中心，視頻采用1080P分辨率，壓縮格式采用H.265。視頻信號和泵站信號的流量需求分析如表1所列。

表1 視頻信號和泵站信號的流量需求分析

從表1中分析，在定碼率的情況下，流量需求約為23Mb/s，考慮到視頻信號和泵控信號的峰值流量波動，總流量需求在22～30Mb/s。

5 方案比選

本工程通信網絡根據上述通信需求，擬定兩個通信方案，即光纖通信和TD-LTE無線專網。

5.1 技術方案比較

5.1.1 網絡建設

a.本工程位于丘陵地區，開挖光纜溝工程實施難度大，光纖網絡只能沿河架設，無形中增加了光纖敷設的距離，初步估計光纜長度約為26km，且野外光纖維護非常不便。

b.無線專網天線擬設置于高位水池桿塔上，由于高位水池的地理位置高于附近的山頭，如采用25m高鐵塔進行無線傳輸，沿線幾乎無遮擋，將有較好的視距。

5.1.2 設備選擇

a.光纖通信傳輸主干網絡采用光纖數字傳輸設備，利用沿線敷設的光纖構成1.25G復用段保護結構，技術體制采用基于SDH的多業務傳送平臺MSTP(Multi-Service Transfer Platform)系統，內嵌RPR技術，可以同時實現TDM、以太網等業務的接入、處理和傳送。

根據業務需要，在泵站和大壩管理局分別配置1套光傳輸SDH設備。傳輸設備利用沿線光纜組成1.25G 1+1 MSP保護。設備內核心單板均配置1+1保護，為各業務系統提供2M、10M、100M、1000M等多種業務接口。

b.無線專網擬采用低頻段TD-LTE網絡，將視頻、泵站控制信號和數據回傳到大壩管理局。低頻段TD-LTE信號繞射能力強，空間損耗小，相對于運營商采用的高頻段，空間中傳播衰耗減少10～20dB，覆蓋距離有幾倍以上的提升。

整個LTE系統由核心網，BBU基站和終端CPE組成。核心網和BBU(基帶處理單元)可以完成網絡管理、終端鑒權、安全認證以及基帶信號處理。CPE可以接收基站所發數據，也可以將數據發送給基站，作為整個網絡連接的一個節點轉發設備。

兩個通信方案在技術上各有優劣，其比較見表2。

表2 方案優劣比較

5.2 投資比較

經表3中比較，采用光纖通信與TD-LTE無線專網設備總體費用相當。

表3 投資比較

5.3 結 論

雖然TD-LTE網絡對比光纖網絡在通信設備上的投資多，但TD-LTE通信技術在2014年才開始商用，還屬于新興技術，隨著無線通信技術的不斷發展，生產規模的不斷擴大，此部分費用會逐年降低，而光纖網絡在光纜鋪設過程中的征地移民成本會逐年升高，且在丘陵地區實施和維護均很困難，故TD-LTE無線專網方案相對光纖通信而言在本工程實施中的難度和投資均有優勢。

6 無線傳輸系統方案設計

方案將使用400MHz TD-LTE基站對高位水池進行覆蓋，將高位水池處匯聚的10路視頻信號和1路泵控信號回傳到大壩管理局，整個LTE系統由核心網、BBU基站和終端CPE組成。系統組成如圖3所示。

圖3 TD-LTE系統組成

核心網設備將安裝于大壩管理局機房。基站由BBU和RRU組成，BBU將安裝于機柜內，RRU靠近天線安裝。終端采用CPE將安裝于高位水池處，可將匯聚的10路視頻信號和1路泵控信號回傳到大壩管理區監控中心。

7 組網示意

整個組網方案由前端LTE網絡和微波回傳網絡組成。在鐵塔位置山頭上建立LTE基站，對高位水池周圍進行覆蓋。在鐵塔位置與大壩管理局之間建立微波鏈路，將LTE網絡采集的數據回傳到大壩管理局。

整個方案的規劃如圖4所示。

7.1 高位水池—鐵塔傳輸

高位水池與鐵塔之間有3個較高的山頭，擬在高位水池山頂處建立25m的鐵塔，那么高位水池與鐵塔之間將有較好的視距，LTE覆蓋可以達到較好的效果(見圖5)。

圖4 組網示意圖

7.2 鐵塔—水庫管理局傳輸

鐵塔與水庫管理局之間沒有任何遮擋，有較好的視距。可建立微波鏈路將視頻流最終回傳到水庫管理局(見圖6)。

圖6 鐵塔—水庫管理局的高度配置情況

8 扇區規劃

根據3GPP協議TR 25.913(R9)E-UTRA和E-UTRAN的要求，峰值數據速率在標準UE配置下，應能在20 MHz帶寬下分配100Mb/s瞬時下行鏈路峰值速率和50Mb/s的瞬時上行鏈路峰值速率。

而用戶的峰值速率與終端能力等級有關，截至目前，3GPP共定義了8個等級的LTE終端，不同等級的終端對MIMO、UL-64QAM以及每幀中所能傳送的最大傳輸塊大小(TransportBlockSize，TBS)的支持都不盡相同，所支持的上下行峰值速率亦然，具體參見表4。

表4 LTE UE能力等級

在實驗室測試中，20MHz帶寬時，采用Cat3UE的下行理論峰值速率約100Mb/s，上行理論峰值速率約50Mb/s；采用Cat5UE的下行峰值速率可達150Mb/s，上行峰值速率約為75Mb/s。Cat5UE進行測試時，近點處下行和上行的單UE的吞吐率能夠分別達到127Mb/s和60Mb/s(見表5)。使用Cat3UE，近點處的下行和上行單UE吞吐率基本能夠達到90Mb/s和50Mb/s左右。

10MHz帶寬時，Cat3UE和Cat5UE的下行理論峰值速率約為75Mb/s，Cat3UE上行理論峰值速率約為25Mb/s，Cat5UE上行理論峰值速率可達37.5Mb/s。表5的數據中，近點處的單UE的下行吞吐量通常大于60Mb/s，實測Cat3UE上行峰值速率通常高于20Mb/s，實測Cat5UE上行理論峰值速率最高能達到33Mb/s。下行吞吐率隨無線環境的變差而降低，而在上行，隨著無線環境變差，發射功率會逐步提升直到最大發生功率限制，在達到最大發射功率之前，上行吞吐率基本保持不變。

表5 內場測試單扇區吞吐率統計

由于整個項目流量需求達到了22～30Mb/s，故為了更好地滿足流量需求，保證項目質量，本項目將采用雙載波進行覆蓋，其中一個小區采用20MHz帶寬進行覆蓋，另一個小區采用10MHz帶寬進行覆蓋，小區覆蓋規劃如圖7所示。

項目推薦使用400MHz頻段。Cell_1采用10MHz帶寬小區覆蓋。Cell_2采用20MHz帶寬小區覆蓋。而采用20MHz和10MHz的帶寬小區，完全滿足本工程的通信帶寬需求。

9 結 語

水利行業如今已經進入信息化、智慧化時代，在位于偏僻之處、距離長、環境復雜的水利工程中，采用傳統的有線光纖傳輸方式進行數據傳輸，費用高昂，施工困難，后期系統擴容不易。而通過使用4G模塊進行無線數據傳輸，可以很方便地在復雜地形區域建立通信鏈路，能夠節約人力物力。根據本文分析與仿真結論，TD-LTE無線通信網絡完全能夠在水利項目上進行實際應用。但與此同時，無線通信技術作為水利行業內的新興技術，在應用過程中仍然存在諸多需要技術人員去解決與克服的問題，這就要求我們正視無線通信技術在水利行業中的作用與意義，著力推動具有水利行業特色的通信技術發展變革，為水利信息化、智慧化建設發揮其應有的作用。