eLTE 無線專網在智能電廠中應用研究

刁保圣

（國家能源集團宿遷發電有限公司，江蘇 宿遷 223800）

智能電廠是利用信息技術、通信技術、物聯網技術等對電廠生產運行及經營管理過程中的各項關鍵信息進行采集、分析，并對監測、監控、管理等業務需求做出智能響應，從而實現電廠生產經營管理的精益化、高效化和少人或無人化，同時為發電企業開展智慧轉型提供安全保障。

隨著通信技術的不斷發展，無線通信技術逐漸廣泛應用于電力通信。長期演進（long term evolution，LTE）通信網絡[1]作為一個支持高速無線寬帶的系統，可以應用在很多方面，市場前景非常廣闊。在物聯網方面，隨著行業數字化的深入，像電力、石油、港口、機場、航運等行業[2-5]對數據采集的要求越來越高，需要傳輸的數據量也越來越大，對無線寬帶的需求也很迫切；在應急通信方面，當發生人員違章、設備事故時，在現場快速部署高帶寬專用無線網絡能大大提高處置效率。

隨著行業數字化的深入，工業領域對連接的訴求越來越高，雖然現場總線、工業以太網以及基于Wifi、RFID 等無線技術的使用，實現了部分工業設備的連接，但更大部分的工業設備還屬于無任何連接的“啞設備”。

eLTE 作為以LTE 技術為基礎的行業無線專網技術，通過借助互聯網行業的新興技術和調制方式，提高了無線網絡的數據傳輸能力及傳輸速度，使其具有更加靈活的信道帶寬、更低的無線網時延、更高的頻譜效率、更強的移動性能、更高的峰值數據率。宿遷電廠網絡規劃基于授權頻譜的eLTE-Licensed（1.8 GHz），采用4G TD-LTE 技術開發設計專網集群系統。該系統可承載不同業務場景數據接入，提供穩定可靠的數據通道，并在網絡安全性、可靠性、可擴展性等方面具有強大技術優勢。

本文通過對比eLTE 技術與其他無線技術，并將eLTE 技術首次應用于宿遷電廠智能化建設實踐，通過性能測試、數據對比，分析了eLTE 技術的優勢。

1 eLTE 無線專網的技術特征

1.1 eLTE 網絡結構

圖1 為eLTE 網絡架構示意。由圖1 可見，eLTE網絡主要分為無線接入網和核心網兩大部分。

圖1 eLTE 網絡架構示意Fig.1 Architecture diagram of eLTE network

無線接入網設備主要包括基帶處理單元和射頻拉遠單元。基帶處理單元主要功能為基帶處理、信令處理、無線資源管理以及提供到核心網的傳輸接口，提供操作維護功能和時鐘同步。射頻拉遠單元主要實現基帶信號、中頻信號和射頻信號之間的轉換，實現對無線接收信號的解調、對發送信號的調制和功率放大。電力網無線接入網頻率目前根據“工信部 [2015]65 號”文件要求，一般選擇1 790～1 800 MHz 頻段，單獨小區采用5 MHz 或10 MHz系統帶寬同頻組網。

核心網主要集成有MME、HSS、S-GW、P-GW網元[6]。MME 負責控制面的移動性管理，包括用戶上下文和移動狀態管理，分配用戶臨時身份標識等。HSS 用于完成3GPP LTE/SAE 網絡中的簽約用戶數據管理功能，HSS 功能單元存儲了網絡中用戶所有與業務相關的數據，提供用戶簽約信息管理和用戶位置管理功能。S-GW 是3GPP 定義的不同接入網絡間的用戶面錨點，用于屏蔽3GPP 內部不同接入網絡的接口，S-GW 承擔EPC 的網關功能，終結E-UTRAN 方向的接口。P-GW 是3GPP 定義的與外部PDN 連接的接口，P-GW 承擔EPC 的網關功能，終結與PDN 相連的SGi 接口。

1.2 eLTE 關鍵技術

eLTE 基于LTE 技術，其主要關鍵技術[7]如下。

1）MIMO（多入多出）發射端利用多根發射天線將多個數據在相同時間、頻率資源上同時發送，接收端利用多根接受天線同時接收多個數據流。由于收發兩端使用了多根天線，相比相同帶寬的單發單收鏈路，MIMO 信道容量可以成倍提升。

2）OFDMA（正交頻分多址）OFDMA 是一種資源分配粒度更小的多址方式，同時支持多個用戶。它將傳輸帶寬劃分為一系列正交的子載波資源，將不同子載波資源分配給不同用戶實現多址。

3）ICIC（小區間干擾協調）相鄰小區通過頻帶區分，錯開各自邊緣用戶的資源，達到降低同頻干擾的目的。

4）高階調制 相比TD-SCDMA 采用16QAM，eLTE 采用64QAM 調制，減少冗余字節，以攜帶更大數據量，速率更快。

1.3 eLTE 與一般無線通信技術對比分析

eLTE 與傳統其他無線通信技術性能指標對比見表1。

表1 eLTE 與一般無線通信技術性能指標對比Tab.1 Comparison between eLTE and general wireless technologies

1.4 eLTE-1.8G 與5G 對比分析

1）網絡安全方面 發電企業對于網絡安全要求極高，eLTE 電力無線專網是根據電力行業需求，實現專網專用的網絡[8-9]，能夠滿足安全需求。而5G則是公網通信，可能存在傳輸通道阻塞，雖然有多重網絡安全措施，但仍然存在安全風險等問題。

2）設備功耗方面 某運營商在廣州、深圳對不同廠家5G 基站功耗的實際測試，在關注5G 大帶寬高速率優異性能的同時，5G 單站功耗是4G 單站功耗2.5～3.5 倍。在電廠一定空間區域和業務使用范圍，再算上空調的功耗，單個站點的整體功耗只會更大。

3）技術成熟度方面 5G 的發展給社會及企業帶來了機會和挑戰，eMBB、uRLLC、mMTC 3 個典型應用場景將大大拓展電廠無線應用邊界，未來4K、8K 高清視頻、遠程無線自動化控制等新興場景必將采用5G 技術。但由于目前這些相關應用還不成熟，且5G 是新技術，尚未完全成熟，發電行業應用較少，而eLTE-1.8G 電力無線專網已形成產品生態鏈，在現有應用場景下技術相對成熟。

4）覆蓋面方面 有數據顯示，2G 基站的覆蓋半徑約為5～10 km；3G 基站的覆蓋半徑約為2～5 km；4G 基站的覆蓋半徑約為1～3 km；同樣的覆蓋范圍，5G 所需的基站數是eLTE 的3～4 倍，5G基站的覆蓋半徑一般約為100～300 m。5G 覆蓋低基站多，頻點太高，信號穿透力差[10]，在電廠密集型設備空間內應用具有一定的難度，而eLTE-1.8G 的覆蓋和穿透能力已得到廣泛認可。

5）深化技術應用方面 在電力行業，eLTE-1.8G 已廣泛應用在配電自動化、風電控制等工控系統遠程控制，其安全穩定、自主可控的組網方式，結合智能發電領域智能發電運行控制系統（ICS），更適用于發電企業深入探究。

1.5 eLTE 無線專網的技術優勢

由上述分析可知，在安全性上，eLTE 技術采用1 785～1 805 MHz 行業頻譜建立電力無線專網[11]，保證了與公網的隔離，實現了專網專用，同時eLTE核心網能夠識別用戶身份并對用戶和網絡雙向鑒權，保證只有合法用戶才能訪問網絡，同時保證用戶身份、數據和信令傳輸的保密性和完整性，保證了電廠生產運行過程的無線網絡安全。技術先進性方面，eLTE 技術已充分論證，不論性能、安全、工程建設的便利性都能滿足電力無線專網的需求。業務適用性方面，eLTE 技術充分滿足電力業務寬帶、窄帶業務并存，海量終端接入，高可靠、低時延、低功耗等業務場景需求[12]。產業鏈方面，國際移動通信標準組織3GPP 定義的LTE 技術具備廣泛的產業鏈基礎，可保證電力無線專網建設的經濟性和長期演進性。當然，相比5G 技術，eLTE 技術在終端設備接入數量、空口時延、上下行帶寬上都存在劣勢，但目前主流應用還不能充分利用5G 相關性能；相比WiFi，eLTE 技術主要問題是需要專用設備才能進入，普通無線設備不支持eLTE，但對于電廠使用場景下，通過專用設備才能接入無線網反而能更好的保證網絡安全。因此，目前階段eLTE 無線專網能夠更好地滿足電廠無線網絡需求及智能電廠建設需求。

2 eLTE 無線專網性能優化測試

2.1 站點信息

結合宿遷電廠實際廠房布置情況以及實際網絡覆蓋需求：1）對宿遷電廠廠區和廠房內進行全覆蓋，無明顯盲區；2）通過新建的LTE 無線網絡作為人員定位、移動作業、生產調度、物聯網等系統的網絡主通道；3）新建的LTE 網絡不能對高精密的電子產品產生干擾和影響，最終確定eLTE 站點部署方案見表2。

表2 eLTE 站點部署方案Tab.2 eLTE site deployment information

2.2 網絡優化

在網絡調試過程中，發現存在問題：1）鍋爐房部分區域SINR 差，網絡信號不佳；2）廠區部分路段SINR 差，網絡信號不佳；3）存在場外信號外泄情況，系統內干擾嚴重。

經測試，問題1）是由于東西兩側鍋爐房各為2 個小區，對角進行覆蓋，重疊覆蓋較高，存在鄰區干擾，引發鍋爐部分區域SINR 較差。通過對小區進行合并，將鍋爐房合并為1 個小區信號覆蓋，提升了鍋爐房信號覆蓋強度。問題2）是由于廠區路測中UE 會占用覆蓋鍋爐房0～50 m 的板狀天線信號，存在重疊覆蓋高，MOD3 干擾。通過對鍋爐房小區進行合并修改pci，規避MOD3 干擾提升廠區道路的信號覆蓋強度。針對問題3），通過多次測試，調整室外宏站-1 天饋及其方位角和所有室外宏站天饋下傾角可解決信號外泄問題。

2.3 測試方法及工具

2.3.1 CQT（定點）測試要求及說明

1）速率測試 將測試手機連接電腦，電腦安裝灌包IPERF 軟件，網管安裝灌包IPERF 軟件。電腦做UDP UL 業務，打開測試軟件記錄定點采集的數據；網管做UDP UL 業務、電腦做UDP DL 業務，打開測試軟件記錄定點采集的數據。

2）Ping 時延測試 以32 字節包Ping 指定服務器（10.203.36.21）100 次，統計平均Ping 包時延。

2.3.2 DT（路測）測試要求及說明

3）速率測試 將測試手機連接電腦，電腦安裝灌包IPERF 軟件。電腦做UDP UL 業務，打開測試軟件室分別對每層樓進行室內覆蓋打點測試，宏站連接GPS 做覆蓋測試。

2.3.3 測試工具

測試手機為HUAWEI EP820；測試軟件為Probe 5.1及相應的License、HUA軟件；分析軟件為Assistant 5.1 及相應License 軟件；測速軟件為IPERF 軟件。

2.4 優化后室外宏站測試結果分析

經過對4 個室外宏站接入成功率、延時、速率以及DT（覆蓋）、參考信號接收功率（reference signal receiving power，RSRP）分布、SINR 分布等監測參數的分析，1.8G-eLTE 專網在性能方面完全滿足電力企業網絡需求。CQT（定點）測試結果見表3。

表3 定點測試結果Tab.3 Fixed-point test results

由表3 所示，測試結果表明，站點數據接入成功率、FTP 上傳、下載以及扇區接反檢查等指標都合格，可支撐智能電廠數據接入應用。圖2 為灌包平均下行速率界面。

圖2 灌包平均下行速率界面Fig.2 Screenshot of the average downlink rate of data testing

2.5 優化后DT（覆蓋）數據分析

表4 為基站覆蓋指標統計，室外平均RSPR 為-74.83，平均SINR 為14.29，LTE 覆蓋率為99.9%，同頻切換成功率100%，滿足廠區現有生產需求。應用層平均上傳速率23.39 Mbps，平均下載速率15.19 Mbps，在多終端并發情況，仍能保持高速率上傳和下載，圖3 為廠區覆蓋區域。

表4 基站覆蓋指標統計Tab.4 Statistical table of base station coverage indexes

圖3 廠區覆蓋區域Fig.3 The factory coverage area

1）RSRP 分布 RSRP 是LTE 網絡中代表無線信號強度的關鍵參數，是在承載參考信號的所有資源粒子（RE）上接收到信號功率的平均值，取值范圍一般為-40～ -140 dbm，值越大越好。圖4 為RSRP分布及其在各區間采樣點比例。由圖4 可見，現場平均RSRP 為-74.83 dbm，且-40～ -90 dbm 占比達到90%以上，表明當前LTE 專網信號覆蓋強度優秀。

圖4 RSRP 分布及其在各區間采樣點占比Fig.4 The RSRP distribution and the proportion of its sampling points in each interval

2）SINR 分布 SINR 指信噪比，是接收的有用信號強度與干擾信號（噪聲和干擾）強度的比值，其值一般在-20～35 dbm，值越大說明信號質量越好。現場測試SINR 平均為14.29 dBm，且3～59 dbm占比達到95%以上（圖5），表明當前LTE 專網信號質量優秀。

圖5 SINR 在各區間采樣點占比Fig.5 The proportion of SINR sampling points in each interval

3）上傳速率與下載速率 經測試，該電廠數據上傳平均速率23.39 Mbps，且下載速率為10～30 MMbps 區域占比達到99.42%，數據下載平均速率為15.19 Mbps，且下載速率為5～40 MMbps 區域占比達到98 以上。

總之，優化后電廠各處信號整體覆蓋狀況優良，滿足后續業務使用需求。

3 eLTE 無線專網應用功能

宿遷電廠應用eLTE-1.8G 無線專網和GPON 無源光網絡技術[13]，采用BBU 室內基帶處理單元及分布式RRU 拉遠技術，將基帶光信號在遠端轉換為射頻信號進行放大，并傳送到核心網設備，從而進行無線覆蓋，承載定位業務、設備定期檢修、集群通信業務等，并擴展到無線視頻監控、移動巡檢、電子圍欄、智能鎖等物聯設備接入（圖6）。

圖6 宿遷電廠“智慧煤電”eLTE 專網拓撲Fig.6 Topology diagram of the eLTE special network of“Smart Power Plant” in Suqian

3.1 人員定位

圖7 為基于GPON+eLTE 技術生態網絡的人員定位系統架構。

圖7 人員定位系統架構Fig.7 Architecture of the personnel positioning system

由圖7 可見，定位標簽發送無線脈沖信號，定位基站接收到脈沖信號后將數據匯聚至TRU 無線專網多業務接入終端，TRU 無線專網多業務接入終端通過接收無線專網信號發送至服務器端，同時采用GPON 網絡作為有線備用鏈路保障。服務器端經過人員定位引擎軟件解算處理后將人員位置信息呈現在客戶端管理平臺上，最終與三維、物聯網融合后通過展示系統呈現。

3.2 可視化檢修

移動終端模塊化電子安防預警和可視化檢修作為宿遷電廠GPON+eLTE 技術的生態網絡和物聯網技術的一個應用場景（圖8），通過在檢修區域搭建臨時電子安防系統和視頻監控系統，結合 RFID射頻技術，對區域邊界的人員進行身份判別并設置聲光報警提醒非檢修人員禁止進入設定區域，系統支持無線信號傳輸，將檢修的過程資料通過eLTE無線專網上傳至物聯網后臺，讓管理人員可借助第三方高速無線移動通信設備及時調取現場視頻、照片信息，獲取準確的現場情況，使整個檢修工作數據化、可視化，及時禁止非授權行為操作，從而提高檢修效率和現場安全管理水平。

圖8 移動可視化監控Fig.8 Mobile visual monitoring

3.3 環境監測

基于eLTE 1.8G 無線專網的環境監測系統是對運煤系統、氫站、氨站、汽輪機14.5 m 等區域設置相應的數據采集及傳感設備，基于eLTE 1.8 G 無線專網通過物聯網平臺對傳感器數據收集并集中監測[14-15]，實現統一管理與調度，并從源頭有效預防、控制和減少職業病危害因素，同時為科學決策提供了重要保證。

3.4 六大管道監測

在宿遷電廠二期2×660 MW 二次再熱機組主/再熱蒸汽管道的支承系統各個支承、吊點中，接入相應的力值傳感器和位移傳感器，將得到的信號經數字化處理后，以無線傳輸形式傳輸到信號接收中心，信號接收中心（無線接收基站）再把信號傳輸到物聯網平臺，由平臺把匯集的數據按各種任務的數學模型，進行存儲、分類、運算、比對，最后由各個任務模型得出的結果，由顯示終端，通過直觀、清晰、形象的界面顯示出來。圖9 為六大管道在線監測界面。

圖9 六大管道監測界面Fig.9 Monitoring display of six major pipelines

3.5 移動應用

圖10 為基于eLTE 1.8G 無線專網的移動應用。由圖10 可見，eLTE 1.8G 無線專網通過構建安全虛擬手機平臺，將“虛擬手機”進行集中部署，實現“虛擬手機”的統一管控，使業務開展更加靈活便捷，安全級別更高。通過移動應用實現應用秒級部署及更新，實現圖形化Web 控制臺，確保數據集中存儲在安全服務器，手機終端零數據，支持各類手機平臺，減少人力資源投入，降低了移動端資源，此功能在宿遷電廠智能工作票、操作票和日常巡檢中應用效果明顯。

圖10 基于eLTE 1.8G 無線專網的移動應用Fig.10 Mobile application based on eLTE 1.8G wireless private network

4 結語

通過分析對比eLTE 技術與其他無線通信技術特點，明確了現階段eLTE 技術更適合電廠使用需求，并將其首次應用于宿遷電廠智能化建設實踐中。在eLTE 網絡覆蓋的實施過程中，基于火電廠布置特色測試優化了組網實施方案，實現了更好的網絡信號覆蓋。

通過eLTE 專網在宿遷智能電廠建設中的實踐應用，挖掘了eLTE 專網具備的集群能力、視頻能力、語音能力、數據能力、短消息能力等，改變了傳統無線網絡AC+AP 的模式。在宿遷電廠人員定位場景、可視化檢修場景、環境監測場景、六大管道監測場景、移動應用場景等進行了應用嘗試，并取得了較好的實際效果。宿遷電廠GPON+eLTE 無線專網的成功實踐，為智能電廠基礎網絡建設作出了應用示范，具有推廣意義。