230MHz電力無線專網天線掛高與覆蓋效果的研究

張亦弛，張 暉

（中通服咨詢設計研究院有限公司，南京 210019）

工信部于9月7日正式印發了《關于調整223-235MHz頻段無線數據傳輸系統頻率使用規劃的通知》（工信部〔2018〕165號文），明確了7MHz帶寬用于電力等行業無線數據傳輸與能源互聯網應用，為電網公司的230MHz無線通信專網的建設提供了頻點的政策保障。[1]國家電網通信網規劃中指出，到“十三五”末，國家電網將初步建成有效覆蓋全網范圍C類國家電網有限公司已開展了電力無線專網產業培育、標準制定、實驗驗證、聯合創新等建設前期的準備工作，其中230MHz無線專網在浙江海鹽、廣州花都等地規模試點的建設效果也已得到了驗證，目前230MHz無線系統已經具備完善的商用能力，后期的進一步推廣將成為不可逆轉的趨勢。

相比運營商使用的4G網絡，采用230MHz低頻段的電力無線專網具有覆蓋距離遠的巨大優勢，能夠減少站點建設規模，大大降低投入成本，特別適合廣域覆蓋，能夠滿足各項電力業務對時延、帶寬和可靠性的需求。但目前230MHz無線專網的建設規模還很小，外界機構和學者對其開展的研究相對有限，同時電力專網采用的頻段和帶寬與目前移動運營商采用的仍存在一定的差異，不能簡單地類比傳統運營商網絡對230MHz網絡的性能進行評估，因此迫切需要對230MHz電力無線專網的性能進行研究和探討。在基站的建設過程中，天線的高度直接影響信號的覆蓋效果，成為基站規劃和建設的關鍵點，必須選擇合適的天線掛高，才能使網絡的通信質量和覆蓋效果最優，實現良好的社會和經濟效益，本文以Y市為例，研究了不同供電等級區域內230MHz通信基站天線掛高與其覆蓋效果之間的聯系，為后期230MHz電力無線專網的建設提供一定的參考。

1 理論模型

1.1 最大路徑損耗

無線信號傳播過程為BBU→饋線→跳線→天線→無線環境→終端設備。[2]在整個信號傳播過程，無線信號受多種影響因素的共同作用呈衰落趨勢。一個基站的覆蓋能力受到基站設備發射功率、天線增益、無線傳播的空間損耗及終端的靈敏度等多方面決定，一般地有以下公式進行定量分析和計算：

式中，Pr為終端的接收電平；Pt為最大發射功率；Gt為發射天線的增益；PL為電磁波傳播的空間損耗；Gr為接收天線的增益；Lc為綜合損耗。

通常情況下，接收端接收的信號強度應不小于能夠正確地把有用信號拿出來的最小接收功率，即接收機的靈敏度。因此，當無線基站和終端確定時，即接收機靈敏度、最大發射功率、發射/接收天線增益確定，取一定的綜合損耗作為冗余后，即可得出該無線系統空間在保持一定的通信質量時在傳播中所能允許的最大損耗，即：

1.2 鏈路預算

覆蓋范圍與傳播過程中的各種路徑損耗、鏈路平衡和天線高度等因素有關，這些因素相互影響、作用。[3]如何優化各影響參數，確定每個基站電磁波傳播的最大距離，獲得最優的覆蓋效果，便是鏈路預算的工作內容。

對于平坦地形上的鏈路預算普遍采用COST231-Hata模型，由COST231-Hata模型路徑損耗計算的經驗公式為：[4]

式中，fc為載波頻率，取230MHz；CM為大城市中心校正因子：

hre為手持終端高度，取1.5m；α（hre）為天線校正因子，α（hre）=（1.1logfc-0.7）×hre-（1.56logfc-0.8）；hte為 天 線 掛 高 ；Ccell，Cterrain，CM均為不同場景下選擇的常量；d為傳播距離。

不難得出，當最大路徑損耗、載波頻率、終端高度一定時，傳播距離與天線掛高之間的數學關系為：

式中，A為常數。由此看出，基站覆蓋半徑與天線掛高的關系并非簡單的線性關系，圖1給出了兩者之間的數學關系，可見隨著天線掛高的增加，基站能夠實現最大覆蓋半徑的增加，即天線掛高越高覆蓋距離就越遠。

圖1 不同天線掛高（m）對基站覆蓋半徑（km）的數學關系

但通過對天線高度增加產生的增益的變化趨勢進行分析，發現在不同站高下增加天線掛高，產生的增益是不同的，呈邊際遞減趨勢。當天線掛高在55米以上時，天線掛高增加帶來的增益減小，同時相應的成本也在增加，而帶來的經濟效益卻很小，因此從鏈路預算的理論上分析得出，不能一味通過增加天線高度的方式來增加信號的覆蓋效果。

2 仿真驗證

2.1 單基站覆蓋能力預測

利用仿真軟件以及Y市50米精度的仿真地圖對Y市供電區域內A、B、C、D四種供電等級內的無線基站覆蓋能力進行仿真，選取位置理想的配變電站作為典型基站點位，模擬出周圍實際環境，以230MHz網絡為例，對不同供電等級內基站的覆蓋半徑進行預測，得出天線掛高增加對站點覆蓋半徑的關系如表1所示：

表1 四類供電區域典型覆蓋半徑與天線掛高（單位：千米）

由表1可以看出，每類區域中隨著天線掛高的增加，單個基站能夠覆蓋的范圍逐漸擴大，但每種供電等級內覆蓋效果的增益有所區別，如圖2所示：

圖2 四類供電區域典型覆蓋半徑與天線掛高變化趨勢圖（單位：千米）

可見，D類區域內的天線掛高對于基站覆蓋能力趨勢線最為陡峭，效益最大，D類區域基本為廣袤農村地區，遮擋物少，適當增加天線高度對覆蓋范圍的提升效果明顯，因此覆蓋效果在天線掛高在[40，50]米這個區間內的增長顯著，但當天線高度超過50米之后趨于平緩，增加的效益開始減少，55米以后通過增加天線掛高所能帶來的覆蓋收益很小。相對地，A類、B類地區基本處于城市密集區域，樓宇較多，信號被遮擋，能量容易被建筑物、車輛、人體吸收，損耗較大，因此產生的效益很小，通過提升天線高度來改善覆蓋的效果不明顯。

2.2 對覆蓋質量的影響

隨著天線掛高的增加，除帶來覆蓋范圍的擴展之外，也會帶來一些負面的影響，并且這種影響也難以忽視，需要進行權衡。

2.2.1 信號質量惡化

由于基站發射功率一定，覆蓋區域的增加，相當于對覆蓋區域內的信號強度進行了“稀釋”，導致原先接收良好的區域信號質量有了惡化，信號優良（RSRP Level≥-95dBm）的區域變小，會對移動終端的上行速率、收發成功率產生不利影響，造成“丟包”、“掉話”情況的出現，影響接入網絡的質量。以A類區域內的興慶110kV變電站為例，圖3為該站點天線掛高由30米逐漸提升至50米時，無線信號質量的仿真。

圖3 興慶110kV變電站天線掛高覆蓋效果對比圖

由圖3可見，當掛高30、35米時，信號優良（RSRP Level≥-95dBm）的區域出現在基站附近，40米以后信號整體質量逐漸下降，如RSRP Level≥-95dBm區域已基本消失，覆蓋質量按信號場強匯總后如圖4所示：

圖4 興慶110kV變電站覆蓋質量統計圖（左：掛高30米，右：掛高50米）

信號普通（RSRP Level≥-105dBm）的各類區域占總體覆蓋區域的比例均出現了下降，如信號強度在區間[-85，-95]內的覆蓋比例從掛高30米時的4.61%下降至掛高50米時的0.60%。

2.2.2 出現“越區覆蓋”

越區覆蓋是由于小區覆蓋距離過遠，導致相鄰的基站信號覆蓋區域的重合，在這個區域內容易產生孤島效應，上下行不平衡甚至頻率干擾。引起終端頻繁、錯誤的切換，產生大量的切換失敗，以及無切換關系導致掉話。當天線掛高一味增加，使覆蓋范圍不斷擴大時，就可能出現“越區覆蓋”的現象，增加了網絡后期優化的難度。仿真結果顯示，當LW城區內園藝110kV與東山220kV變電站兩試點基站掛高達到50米時，存在信號覆蓋重合區域，需要建設時進一步進行網絡優化，將兩個站點信號的干擾降低。

圖5 LW城區越區覆蓋位置示意圖

2.3 總體覆蓋效果預測

以Y市LW地區為例，將LW地區試點的D類以上供電區域內的8座無線試點基站的天線掛高由原先的45米提升至55米，通過仿真，覆蓋效果對比如圖6所示。

圖6 掛高45米（左）、掛高55米（右）覆蓋效果對比圖

匯總計算得出LW市C類及C類以上供電區域的無線信號覆蓋率（RSRP Level≥-115dBm）由原先69%提升至74%，考慮新建鐵塔每高10米成本增加10萬至15萬不等，建造成本增加約95萬，相比代價提升效果并不明顯。一般地，在C類以上供電等級區域內天線掛高應控制在45米以內，以35至40米為宜，D類地區可以適當提高至50米。

3 結束語

提升天線掛高的方法可以擴大基站無線信號覆蓋范圍，但除D類供電區域以外，提升能力有限，天線掛高大于55米后，投入將大于由此帶來的效益，一般地在C類以上供電等級區域內天線掛高以35至40米為宜，D類地區可以適當提高至50米。提升天線掛高在擴大基站無線信號覆蓋范圍的同時，也帶來了信號場強的下降，越區覆蓋的可能，犧牲了覆蓋區域內的覆蓋質量。

文章創新點：

國家電網無線專網標準已經明確，以230MHz為基礎的無線電力專網建設將成為必然趨勢，但目前對230MHz無線基站的研究較少，尤其天線掛高與覆蓋效果的關系少有人關注，本文通過對某市不同等級內天線掛高對覆蓋的研究，給出最優的高度，為230MHz基站的實際建設提供了參考。