230 MHz 電力無線專網網絡優化研究

陳小惠，楊芳僚，劉津，聶海濤

(1. 國網湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南長沙410004；2. 泛在電力物聯網湖南省重點實驗室，湖南長沙410004)

0 引言

近年來, 國家電網有限公司大規模開展智能電網與能源互聯網建設, 各類電力業務對通信可靠性和安全性的要求不斷提高, 對電力無線通信技術[1-3]的應用提出了更高要求。電力無線專網以其組網靈活度高、業務優先級自定義、安全保障機制可管控等方面優點, 成為終端通信接入網重點研究技術方向之一, 并已在全國多個省市進行了試點建設, 其中湖南地區采用IoT-G 230 MHz 電力無線專網技術體制[4], 在長沙、衡陽等7 個地市開展了無線專網建設, 覆蓋了建設地區C 類及以上供電區域。作為有線網絡的補充, 電力無線專網在配電自動化、用電信息采集和精準負荷控制等多個領域進行了業務接入, 現已成為打通能源互聯網終端接入“最后一公里” 的重要手段之一。

電力無線專網存在較大的自建優勢, 但與此同時也帶來了新的挑戰: 一是缺乏電力無線專網規劃工具, 在當前電力無線專網領域尚無成熟的規劃工具, 在規劃設計時通常基于運營商網絡規劃工具開展[5]。由于網絡頻段和業務需求等方面存在差異,規劃站址和網絡參數往往與實際最優配置存在較大偏差。二是電力無線專網測試系統建設不完善, 網絡建設初期IoT-G 230 MHz 無線專網終端通信模組未規模商用, 測試系統功能不完善, 此外規劃期間掃頻時間通常在白天進行, 夜間230 MHz 全頻段底噪抬升現象難以發現, 導致基站實際覆蓋半徑收縮[6]。三是電力無線專網的應用不成熟, 射頻以及通信協議各類參數的設置缺乏經驗值, 此外, 城鎮建設和電力業務需求不斷變化, 需要在運行過程中對網絡進行迭代優化。從湖南地區的無線專網建設和應用情況看, 規劃偏差和射頻干擾導致網絡出現覆蓋性能不佳等問題頻繁出現, 有必要通過持續的網絡優化以保障網絡性能滿足業務承載需求。

本文以湖南地區IoT-G 230 MHz 電力無線專網建設工程優化工作為基礎, 研究和分析無線專網網絡優化應用和方法, 為無線專網進一步提升網絡性能提供解決方案。

1 無線專網網絡優化目標及流程

1.1 無線專網網絡優化目標

無線網絡優化是指對已投入運行的網絡進行數據采集和分析, 核驗網絡質量并發現影響網絡質量的原因, 通過網絡結構、系統參數和硬件配置等調整優化技術手段, 促使網絡達到運行更優狀態, 并對網絡后續維護和續建提出科學建議[7]。結合考慮工業和信息化部230 MHz 頻率政策[8]和國家電網有限公司電網業務需求[9], 湖南地區網絡優化目標主要以覆蓋指標體現。

無線專網網絡優化目標見表1, 參考信號接收功率 (Reference Signal Receiving Power, RSRP) 和信干噪比 (Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR) 是無線網絡覆蓋最常見指標[5]。以國家電網有限公司企業標準[9]中指定小區邊緣用戶上行接入速率不低于 9.6 kpbs 的目標要求為基準,230 MHz無線專網系統需要在-3 ～3 dB 的信干噪比區間下采用正交相移鍵控 (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 調制解調方式, 且至少使用4 個25 kHz 子帶進行數據承載。結合熱噪聲功率譜密度為-173.98 dBm/Hz 進行計算, 得到接收機靈敏度為-125.9 dBm, 扣除7 dB 噪聲余量和3 dB 干擾余量后理論邊緣處RSRP 為-115.9 dBm。

綜上, 采用 RSRP 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 作為區域被覆蓋的判決條件, 無線專網在A+、A 類供電區域覆蓋占比不低于95%, 在B、C 類供電區域內占比不低于90%[10]。

表1 無線專網網絡優化目標

1.2 無線專網網絡優化流程

為實現無線專網網絡優化目標, 首先需要對無線網絡性能參數進行數據采集和分析, 獲取網絡運行的實際情況, 然后使用合理的技術手段對網絡進行優化直至目標實現。無線專網網絡優化流程如圖1 所示, 主要包括前期準備、單站優化、片區優化和全網優化四個階段。前期準備階段主要完成位置、網絡和系統重要參數等基礎資料的收集, 對片區進行劃分并確認優化目標。單站調測主要實現單站質量檢查, 檢查內容包括系統告警、小區可用性、駐波比測試、時鐘狀態和回傳網絡狀態等基礎檢查工作, 同時還應測試各小區網絡性能, 對各類業務進行撥測, 確認各小區網絡接入和時延情況。片區優化和全網優化是從局部區域到整體網絡的優化流程, 需要搭建測試系統并設計測試路線,對網絡性能數據進行采集, 核查分析并輸出優化建議, 通過工程或運維實施迭代調整以達到優化目標。

圖1 電力無線專網網絡優化流程

2 無線專網網絡優化測試系統

路測 (Drive Test, DT) 指通過車載無線測試設備沿特定路線采集數據, 得到較真實的無線網絡運行性能指標。路測數據可以反映出無線網絡的覆蓋質量、業務連通性和速率要求是否滿足規劃目標或實際業務需求, 從而為后續網絡優化提供最為重要的數據依據。目前, 已有對電力無線專網路測系統的相關研究, 文獻 [11] 設計了LTE-G 制式的230 MHz 電力無線專網路測系統。由于湖南地區使用IoT-G 制式, 該制式終端通信模組尚未大規模商用, 無成熟客戶終端設備 (Customer Premise Equipment, CPE) 進行測試, 本文基于測試終端設備 (Test User Equipment, TUE) 搭建測試系統,測試系統結構如圖2 所示。

圖2 路測系統

測試系統配置PC 筆記本搭載DT 前臺測試軟件, 用于數據的集中采集；配置掃頻儀和天線, 用于信號掃頻數據采集；TUE 主要采集RSRP、SINR和物理小區標識 (Physical Cell Identity,PCI) 等指標和參數, 支持通信時延和速率測試；GPS 置于車頂用于采集定位信息；外接電源配置蓄電池, 采用車載逆變電源, 為測試設備提供交流電源輸入。DT 后臺分析軟件可用車載PC 筆記本或遠程計算設備搭載, 采用離線數據分析方式, 對測試數據分析和圖像渲染, 形成直觀的測試結果圖。

3 無線專網網絡優化技術措施

電力無線專網與公網運營商網絡的主要差異在于頻譜資源不同、基站密度不同和協議差異性等。在傳統公網運營商網絡優化技術基礎上, 湖南地區無線專網網絡優化充分考慮差異性, 采用主要包括天線方位角調整、天線接發整改、PCI 優化、有效載波物理位圖優化和參數一致性核查等技術措施。

3.1 天線方位角調整

天線指向調整主要應用于無線網絡過覆蓋、弱覆蓋、導頻污染和覆蓋盲區等情況, 技術手段包括天線下傾角和方位角調整[12]。230 MHz 頻段覆蓋距離遠, 天線下傾角調整對應覆蓋性能變化大, 易造成覆蓋調整混亂, 在230 MHz 無線專網優化中應用較少, 使用更多的是天線方位角調整。天線方位角調整原則為天線指向方位角初始考慮采用0°/120°/240°的天線指向, 以避免長直街道帶來的波導效應；方位角調整過程中, 盡量保持扇區間夾角在120°±15°以內, 避免重疊覆蓋區偏大或者出現弱覆蓋區。天線方位角調整可應用于規避干擾信號, 長沙地區兩變電站在天線方位角調整后, 干擾電平分別改善8 dB 和4 dB[6]。

3.2 天線接反調整

無線基站小區編號通常以方位角命名, 一般情況下按照正北方向沿北、東、南、西方向遞增, 先后建成的小區可能按照建成先后順序遞增[13], 不能排除實際安裝過程中部分站點可能存在天線接反情況, 如長沙地區核查出12 個站點出現天饋接反的情況。IoT-G 230 M 無線專網的天饋接反會出現PCI 模6 沖突引發的導頻干擾場景, 導致網絡質量降低, 無法滿足業務承載需求。該問題可通過單站調測或DT 測試方式排查發現, 發現該情況后需要對天饋接線整改, 按照規劃順序正確接線。

3.3 PCI 優化

PCI 用于區分不同小區, 一方面需要確保在相關小區覆蓋范圍內沒有相同的物理小區標識, 另一方面PCI 作用于小區搜索等過程中, 影響下行參考信號的同步、解調[14]。下行參考信號在頻域為每6 個頻率偏置, PCI 模6 值相同時會造成下行參考信號的相互干擾, 因此IoT-G 230 MHz 無線專網系統要求PCI 模6 錯開。PCI 優化可多輪次開展, 如長沙地區在工程驗證階段進行了兩輪調整, PCI 共計調整22 站次。

3.4 有效載波物理位圖優化

有效載波物理位圖 (Effective Carrier Bitmap,ECB) 是用于參數標識小區下有效載波的物理位圖。ECB 中每個比特指示1 個載波的狀態, 比特為0 和1 時分別指示表示載波不可用和可用, 共計可指示230 MHz 頻段內480 個載波的可用狀態。ECB 用于設置小區可使用的子載波集, 實際應用過程中ECB 配置一方面需要避開其他行業已經使用的頻點, 除電力行業外, 水利、礦業和軍事等領域均存在使用頻點, 該類頻點不得作為ECB 配置[9]；另一方面需要綜合DT 測試的掃頻儀掃頻數據和無線專網網管的干擾檢測控制功能, 測試頻點上是否存在強干擾, 對存在強干擾的頻點進行更換, 確保每個小區的ECB 配置最優。

3.5 參數一致性核查

全網優化階段, 對載波資源分配和功率、定時器參數、上行功控參數、隨機接入信道參數、上行調度參數、下行調度參數、算法開關等7 類共計23 個參數進行參數一致性核查。該方式主要在網管上執行, 主要解決參數配置錯誤和優化配置后全網不一致等問題, 確保滿足覆蓋下網絡性能最優。

3.6 其他方式

天線掛高對覆蓋性能有著重要影響, 可以對部分建筑或地形遮擋和反射造成覆蓋性能差進行改善, 其前提為已建基站實際位置和桿榙滿足掛高調整要求。當實際建設條件不滿足靈活調整要求時,需要通過工程建設進一步調優, 如通過補盲基站建設等進行覆蓋補充, 此外還可以考慮終端多跳級聯技術, 通過終端中繼方式提升覆蓋能力[6]。

4 無線專網網絡優化實際應用

湖南地區在建設工程完成后立即開展工程優化工作, 通過一系列無線專網網絡優化技術手段, 覆蓋占比明顯提升, 網絡優化前后覆蓋指標如圖3 所示。長沙、衡陽地區 RSPR 不小于-115 dBm 覆蓋占比、RSPR 不小于-105 dBm 覆蓋占比、SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比以及RSPR 不小于-115 dBm 且SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標在優化后都得到了提升。其中, RSPR 不小于-115 dBm 覆蓋占比指標提升平均值為4.49%, RSPR 不小于-105 dBm覆蓋占比指標提升平均值為3.54%, SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標提升平均值為3.27%, 促成RSPR 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標提升平均值為3.82%。針對RSPR 不小于-115 dBm 且 SINR 不小于-3 dB 覆蓋占比指標, 衡陽地區網絡優化后已滿足指標要求, 長沙地區A類及以上地區指標達到90.57%, 需要進一步建設補盲站點進行覆蓋。

除直接提升現網覆蓋性能之外, 通過優化工作采集的路測數據, 并結合站點分布情況分析, 進一步梳理推薦了后期補盲基站站點, 并根據覆蓋區域和指標情況進行優先級排序, 為后期工程建設的進一步優化提供依據。

圖3 長沙、衡陽地區無線網絡優化前后性能對比

5 結語

本文基于湖南地區電力無線專網建設工程提出了230 MHz 電力無線專網網絡優化方案, 明確了網絡優化目標、流程和技術措施, 同時對實際優化性能提升效果進行了分析。下一步工作將進一步優化測試系統, 結合實用通信終端開展更加精確的測試和優化工作。