衷宇清1，王  敏1，孫  穎1，王  浩1，陳永濤1，謝  凱2，余曉東2

　　（1. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620；2. 普天信息技術(shù)有限公司，北京 100080）

　　摘  要： TD-LTE無線寬帶通信技術(shù)已在電力行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，用于承載配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的計量、配電自動化業(yè)務(wù)，該技術(shù)在工程實施過程中時常遇到諸如地下室、樓宇死角等區(qū)域信號難以覆蓋的問題，導(dǎo)致這些區(qū)域里電房的計量、配電終端無法實現(xiàn)自動化。本文介紹了一種工作在開放頻段的無線中繼系統(tǒng)設(shè)計方案，相關(guān)產(chǎn)品已批量應(yīng)用到TD-LTE230無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)中，有效解決了無線網(wǎng)絡(luò)信號盲區(qū)難以覆蓋的問題，該方案通過技術(shù)經(jīng)濟測算也具有可推廣價值。

　　關(guān)鍵詞： TD-LTE；無線中繼系統(tǒng)；信號盲區(qū)；計量自動化；配電自動化

0 引言

　　第四代移動通信系統(tǒng)LTE是國際主流開發(fā)的通信系統(tǒng)，TD-LTE230電力無線通信系統(tǒng)（簡稱“LTE230”）是以第四代移動通信技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合電力已有的230 MHz頻譜資源為電力系統(tǒng)提供高性能的無線通信專網(wǎng)解決方案，滿足堅強電網(wǎng)的通信和信息化發(fā)展需求。該系統(tǒng)在廣州花都區(qū)大規(guī)模應(yīng)用過程中，常遇到居民小區(qū)、大型寫字樓或者商場內(nèi)部的地下室、樓宇死角等信號盲區(qū)無法覆蓋的難題。

　　目前，對于信號盲區(qū)多采用終端天線拉遠或者終端拉遠方式進行解決，但方案存在拉遠距離近、施工量大、物業(yè)協(xié)調(diào)困難等問題。在這種情況下，本文提出一種基于開放頻段的無線中繼系統(tǒng)解決方案。

1 無線中繼系統(tǒng)解決方案

　　1.1 LTE230系統(tǒng)介紹

　　LTE230系統(tǒng)是針對電力行業(yè)無線通信應(yīng)用需求，基于OFDM、自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)重傳等LTE核心技術(shù)，使用電力行業(yè)在230MHz頻段已有授權(quán)頻譜資源研發(fā)的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，支持包括用電信息采集、配電自動化、視頻傳輸?shù)入娏I(yè)務(wù)，并能根據(jù)電力用戶需求不斷進行改進與定制。該系統(tǒng)具有廣覆蓋、海量用戶、高可靠性、高速率傳輸、實時性強、安全性強、頻譜適應(yīng)性強等特點。LTE230網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　1.2 無線中繼系統(tǒng)介紹

　　無線中繼系統(tǒng)工作在開放頻段，基于ZigBee無線技術(shù)，具備自組網(wǎng)能力，支持多跳傳輸。該系統(tǒng)的主要設(shè)計指標(biāo)是能與遠距離傳輸?shù)腖TE230終端通信模塊配套使用，解決LTE230電力無線專網(wǎng)在大面積覆蓋時遇到的地下室、樓宇死角等信號覆蓋差的問題。無線中繼系統(tǒng)與LTE230系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖2所示。

　　無線中繼系統(tǒng)與LTE230系統(tǒng)的組網(wǎng)方案具有以下特點：

　?。?）視距1 200 m；

　?。?）Mesh網(wǎng)絡(luò)；

　?。?）開放頻段，抗干擾能力強；

　　（4）支持多跳。

　　1.2.1  總體設(shè)計

　?。?）網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

　　無線中繼系統(tǒng)支持自組網(wǎng)，支持mesh網(wǎng)絡(luò)，任意節(jié)點都可以互相通信，支持多跳傳輸，最終通過AP連接外網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3所示。

　　（2）網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu)

　　無線中繼系統(tǒng)采用四層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為物理層(PHY)、媒介訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APP)。如圖4所示。

　　1.2.2  系統(tǒng)組成

　　整個無線中繼系統(tǒng)由接入點（AP）、終端節(jié)點（ED）兩部分組成，內(nèi)含嵌入式模塊，其中AP負責(zé)遠距離LTE230信號與無線中繼系統(tǒng)近距離信號的轉(zhuǎn)換；ED負責(zé)與電力行業(yè)終端（計量自動化、配電自動化終端）進行對接。

　　（1）接入點（AP）

　　接入點AP負責(zé)遠距離LTE230信號與無線中繼系統(tǒng)近距離信號的轉(zhuǎn)換，同時支持LTE230網(wǎng)絡(luò)和無線中繼系統(tǒng)近距離通信網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)備符合IP65防護等級支持室外安裝。該設(shè)備主要安裝在建筑物外或樓體間的入口等LTE230信號較好的區(qū)域，用于接收LTE230的信號，并轉(zhuǎn)化為無線中繼系統(tǒng)信號，與地下室內(nèi)的其他無線中繼系統(tǒng)設(shè)備通信。

　?。?）終端節(jié)點（ED）

　　終端節(jié)點負責(zé)最后與電力終端進行對接，將電力終端信號轉(zhuǎn)換為無線中繼系統(tǒng)信號，該終端體積小，功耗低，便于安裝，支持串口傳輸，采用24 V供電方式。

　?。?）電源系統(tǒng)

　　從實際應(yīng)用環(huán)境來看，無線中繼系統(tǒng)在多數(shù)情況下，需要安裝在居民樓、大型樓宇等地點，需要與第三方物業(yè)進行協(xié)調(diào)獲準(zhǔn)后方可進行安裝。特別是取電問題是方案是否可行的關(guān)鍵。

　　接入點AP采用220 V交流供電加備用鋰電池的方式。220 V交流電通過地下室或樓體間內(nèi)的應(yīng)急供電系統(tǒng)或者樓梯間照明系統(tǒng)進行供電。

　　考慮到樓道內(nèi)部供電可靠性不高，設(shè)備內(nèi)部增加了鋰電池供電模塊，當(dāng)外部電源穩(wěn)定時系統(tǒng)正常工作，同時鋰電池進行充電，當(dāng)外部電源故障后，鋰電池進行供電，可維持系統(tǒng)正常運行4~5天。接入點AP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　1.2.3  技術(shù)指標(biāo)

　　無線中繼系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2  無線中繼系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用情況

　　2.1  地下室覆蓋測試

　　2.1.1  現(xiàn)場環(huán)境

　　某小區(qū)電房在地下車庫，從電房到車庫入口非直視路徑距離約30多米，雖然在LTE230基站覆蓋范圍內(nèi)，但是由于距離地面較遠，LTE230信號無法覆蓋。

　　2.1.2  系統(tǒng)安裝

　　地下室離地面距離較遠，但中間沒有多道墻體和門體阻隔，通過現(xiàn)場信號測試，采用一個接入點AP就可將LTE230信號延伸覆蓋至電房。無線中繼系統(tǒng)接入點AP安裝現(xiàn)場如圖6所示。

　　2.1.3  系統(tǒng)調(diào)試

　　首先，測試地下車庫入口處230信號強度，RSRP為-95 dBm，SNR大于10 dB，滿足LTE230的安裝要求。

　　將模擬無線中繼系統(tǒng)信號源安放于電房配變監(jiān)測終端內(nèi)，攜帶便攜無線中繼系統(tǒng)模塊測試下一個接收點，對誤塊率進行測試。誤塊率低于1%的最遠點就是下一個安裝點。安裝點主要選擇在有供電，且便于解決的地方，避免對建筑物產(chǎn)生破壞，同時注意安裝的美觀性。

　　確定安裝點后，進行設(shè)備的安裝，安裝完成后對天線的位置進行調(diào)整。使用專用的無線中繼系統(tǒng)模擬信號源和監(jiān)控終端對每一個終端的轉(zhuǎn)發(fā)包和反饋包進行監(jiān)控和匹配，如果存在丟包或反饋不正常的情況則對天線安放位置進行微調(diào)，直到數(shù)據(jù)傳輸正常為止。

　　最后，搭建模擬主站，進行LTE230 + 無線中繼系統(tǒng)的全鏈路測試。從模擬主站發(fā)包進行還回測試，每包20 B，模擬主站進行接收并統(tǒng)計丟包率，發(fā)送1 000包，收到994包,測得丟包率小于1%。

　　2.2  測試結(jié)果

　　2.2.1  室內(nèi)同層最遠距離測試

　　測試地下室環(huán)境下無線中繼系統(tǒng)模塊一跳的覆蓋距離，測試條件預(yù)置位：發(fā)射功率為50 mW，空口速率設(shè)置為19.2 kb/s，帶寬設(shè)置為200 kHz，頻偏設(shè)置為60 kHz，視距77 m左右。測試方案如圖7所示。測試結(jié)果如表2。

　　2.2.2  室內(nèi)隔層傳輸能力測試

　　隔層條件下，發(fā)送點位于某大廈B1層，接收點位于大廈3層，測試方案如圖8所示。測試結(jié)果如表3。

　　2.2.3  室內(nèi)隔層斜穿傳輸能力測試

　　隔層條件下（斜穿穿透方向），發(fā)送點位于大廈1層西南角，接收點位于B1層?xùn)|北角（距離40 m）。室內(nèi)隔層斜穿傳輸能力如圖9所示。測試結(jié)果如表4。

　　2.2.4  穿門測試

　　發(fā)送點和接收點分別位于鐵門兩側(cè)，穿門損耗為20 dBm，穿門測試方案如圖10所示。

　　2.2.5   測試結(jié)果

　　在丟包率小于2%的情況下測試結(jié)果如表5。

　?。?）通過無線中繼系統(tǒng)無線轉(zhuǎn)接，僅通過一跳將LTE230終端從地下室轉(zhuǎn)地面門口處，信號強度從-125 dBm提升到-103 dBm實現(xiàn)了地下室測試效果；

　?。?）無線中繼系統(tǒng)信號穿透能力、繞射能力強，信號穩(wěn)定，丟包率低；

　?。?）接入點AP，利用樓梯口的應(yīng)急燈進行取電，順利解決了安裝取電的問題，

　?。?）接口聯(lián)通順暢，安裝簡潔。

　　2.2.6  系統(tǒng)優(yōu)點總結(jié)

　　基于開放頻段的無線中繼系統(tǒng)通信方案具有以下優(yōu)點：

　?。?）采用受保護頻段，干擾相對較少；

　　（2）采用無線中繼方式，避免了拉線等施工難題，對物業(yè)破壞小，物業(yè)協(xié)調(diào)簡單；

　?。?）支持220 V市電，并備有應(yīng)急鋰電池，電源供應(yīng)穩(wěn)定可靠，容災(zāi)性強；

　　（4）無線傳輸支持HARQ等重傳機制，保證系統(tǒng)傳輸質(zhì)量。

3  結(jié)論

　　無線中繼系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)解決了LTE230無線寬帶通信系統(tǒng)信號盲區(qū)的覆蓋問題，多數(shù)情況下，無線中繼系統(tǒng)僅需要“一跳”即可以實現(xiàn)無線信號的轉(zhuǎn)接，網(wǎng)元增加量少，后續(xù)LTE230網(wǎng)管系統(tǒng)將增加對無線中繼系統(tǒng)終端的網(wǎng)絡(luò)管理功能，無線中繼系統(tǒng)設(shè)備是否故障在網(wǎng)管中心一目了然，大大減小了系統(tǒng)維護的復(fù)雜度。

　　通過現(xiàn)網(wǎng)運行測試顯示無線中繼系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠滿足計量自動化、配電自動化業(yè)務(wù)的承載需求。作為對LTE230系統(tǒng)信號覆蓋重要的補充手段，無線中繼系統(tǒng)免去布線的復(fù)雜工作量，簡單易行，經(jīng)濟效益也較天線拉遠等方式明顯，可做為配電通信網(wǎng)建設(shè)中信號的計量中繼、配電中繼推廣應(yīng)用。

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