葉新生
摘要:本文研究并設(shè)計(jì)基于LTE 230MHz電力無線專網(wǎng)通信系統(tǒng),通過性能測試驗(yàn)證了LTE 230MHz電力無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)對(duì)230MHz頻段的高效利用,為國家優(yōu)質(zhì)頻率資源分配及電力無線專網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)提供參考。
關(guān)鍵詞:電力無線專網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);性能測試;頻譜感知
引言
為適應(yīng)國家能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略,滿足日益增長的配電自動(dòng)化、用電信息采集、分布式電源、電動(dòng)汽車充電站(樁)、配變監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)應(yīng)用,以及移動(dòng)巡檢、配網(wǎng)搶修、智能家居等擴(kuò)展業(yè)務(wù)綜合接入通信需求,建立高速、靈活、開放、安全和多元化的終端通信接入網(wǎng)(以下簡稱接入網(wǎng))迫在眉睫,電力無線專網(wǎng)作為終端通信接入網(wǎng)的重要組成部分,是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要支撐。
一、基于LTE 230MHz電力無線專網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)
根據(jù)福建晉江接入網(wǎng)現(xiàn)狀,文章基于LTE-G 230MHz的電力無線專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),由接入層、匯聚層、核心層和應(yīng)用層共同組成,如圖一所示。
接入層主要由LTE230MHz無線通信終端、安全接入單元、電力業(yè)務(wù)終端組成,無線終端根據(jù)接入業(yè)務(wù)帶寬分為窄帶終端、寬帶終端、集群終端,其中窄帶終端接入用電信息采集和配網(wǎng)自動(dòng)化等電力基礎(chǔ)類業(yè)務(wù),寬帶終端為站房綜合監(jiān)控業(yè)務(wù),集群手持機(jī)為應(yīng)急語音業(yè)務(wù)。匯聚層主體為LTE230MHz無線基站及傳輸回程網(wǎng)。
針對(duì)不同種類電力業(yè)務(wù)終端對(duì)通信接入實(shí)時(shí)性、可靠性等指標(biāo)要求的不同,對(duì)不同等級(jí)的業(yè)務(wù)終端需進(jìn)行各自的優(yōu)先級(jí)設(shè)定,且系統(tǒng)在分配資源過程中,調(diào)度器要根據(jù)用戶的優(yōu)先級(jí)以及信道質(zhì)量的變化對(duì)用戶進(jìn)行合理地資源分配,確保優(yōu)先級(jí)高的用戶具有資源分配的優(yōu)先權(quán),以降低傳輸時(shí)延。
二、性能仿真測試
(一)網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)鍵指標(biāo)
(1)小區(qū)吞吐量與覆蓋半徑驗(yàn)證。沿金井供電所基站覆蓋范圍徑向選取多個(gè)測試點(diǎn)以驗(yàn)證無線專網(wǎng)通信距離與吞吐量的關(guān)系,根據(jù)測試結(jié)果表明:信號(hào)最佳測試點(diǎn)上行吞吐量為5.61Mbps,下行吞吐量為1.87Mbps。邊緣測試點(diǎn)的上行吞吐量為670kbps,下行吞吐量為220kbps。為驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)覆蓋信號(hào)質(zhì)量,進(jìn)行覆蓋打點(diǎn)測試,通過測試數(shù)據(jù)得出,域內(nèi)無線專網(wǎng)覆蓋率達(dá)到89.3%,覆蓋良好區(qū)域占比61%,覆蓋質(zhì)差區(qū)域占比11%。金井供電所基站的西北方向信號(hào)覆蓋到達(dá)英林鎮(zhèn),金井供電所基站的東北方向最遠(yuǎn)覆蓋距離為8.5km。金井供電所西南部受山丘地貌遮擋,無線信號(hào)較弱。
(2)時(shí)延測試驗(yàn)證。傳統(tǒng)TD-LTE系統(tǒng)的傳輸時(shí)延由制面時(shí)延和用戶面時(shí)延兩部分構(gòu)成。控制面時(shí)延指的是建立時(shí)延定義為駐留狀態(tài)(IDLE)到連接狀態(tài)的遷移以及從睡眠狀態(tài)到連接狀態(tài)遷移的時(shí)間;用戶面時(shí)延主要指處于連接態(tài)用戶數(shù)據(jù)收發(fā)存在的時(shí)延。傳輸時(shí)延測試為在不同傳輸距離下的Ping包時(shí)延測試結(jié)果:傳輸距離為1km時(shí),平均時(shí)延為150ms,最小時(shí)延為138ms,最大時(shí)延為165ms;傳輸距離為2km時(shí),平均時(shí)延為152ms,最小時(shí)延為140ms,最大時(shí)延為170ms;傳輸距離為3km時(shí),平均時(shí)延為155ms,最小時(shí)延為143ms,最大時(shí)延為172ms;傳輸距離為4km時(shí),平均時(shí)延為160ms,最小時(shí)延為145ms,最大時(shí)延為175ms;通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知,系統(tǒng)時(shí)延隨距離的變化不明顯,平均時(shí)延保持在150ms-158ms之間。
為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)包大小對(duì)時(shí)延的影響,在時(shí)延測試中通過改變傳輸數(shù)據(jù)包大小,分別以低壓集抄、專變負(fù)控、線路故障指示器、環(huán)網(wǎng)柜DTU的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包進(jìn)行模擬測試,其結(jié)果如下:當(dāng)?shù)蛪杭瓟?shù)據(jù)包為32byte時(shí),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為150ms;專變負(fù)控?cái)?shù)據(jù)包為78byte時(shí),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為168ms;環(huán)網(wǎng)柜DTU數(shù)據(jù)包為52 byte時(shí),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為163ms;線路故障指示器數(shù)據(jù)包為32 byte時(shí),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為1503ms;通過以上數(shù)據(jù)可看出系統(tǒng)傳輸時(shí)延會(huì)隨數(shù)據(jù)包的大小在150ms至168ms之間產(chǎn)生變化。
(3)通信成功率。通信成功率驗(yàn)證包括通信鏈路建立成功率、終端在線率、丟包率。鏈路建立成功率為開機(jī)附著成功率,測試方法為在信號(hào)好點(diǎn)、中點(diǎn)和差點(diǎn)分別進(jìn)行50次開機(jī)附著,記錄成功附著次數(shù),測試結(jié)果均為附著成功率為100%。終端在線率統(tǒng)計(jì)LTE230MHz系統(tǒng)內(nèi)在線終端與簽約終端的比率。從LTE230MHz網(wǎng)管中進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果具體包含集中器抄終端在線數(shù)50,專變負(fù)控終端線數(shù)50,線路故障指示器終端在線數(shù)50,DTU終端在線數(shù)20,站房綜合監(jiān)控終端在線數(shù)6,應(yīng)急指揮集群調(diào)度手持終端在線數(shù)10,以上合計(jì)在線數(shù)為186,其中簽約終端數(shù)為186,在線率達(dá)到100%。
(二)頻譜感知及干擾規(guī)避技術(shù)驗(yàn)證
用電信息采集業(yè)務(wù)適配性驗(yàn)證包括低壓集抄和專變負(fù)控2類用采營銷業(yè)務(wù)。內(nèi)置通信模塊的方式替換集中器公網(wǎng)通信模塊,實(shí)現(xiàn)居民采集業(yè)務(wù)從公網(wǎng)信道到專網(wǎng)信道的轉(zhuǎn)換。對(duì)晉江供電公司供區(qū)范圍內(nèi)用電信息采集日采集成功率統(tǒng)計(jì),無線公網(wǎng)信道用電信息采集成功率為99.19%,LTE230MHz無線專網(wǎng)的日采集成功率為99.57%;無線公網(wǎng)的專變負(fù)控日采集成功率為99.72%,LTE230MHz無線專網(wǎng)的日采集成功率為100%。
配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)驗(yàn)證包括環(huán)網(wǎng)柜DTU“三遙”和線路故障指示器“二遙”兩種業(yè)務(wù)。DTU采用LCM203無線專網(wǎng)模塊,故障指示采用BRU無線專網(wǎng)模塊。無線公網(wǎng)信道的線路故障指示器“二遙”業(yè)務(wù)在線率為99.16%,LTE 230無線專網(wǎng)的在線率為99.98%。無線專網(wǎng)承載的環(huán)網(wǎng)柜DTU遙控成功率100%,在線率98.84%,平均返校時(shí)延6.93秒,在線率99.84%。
結(jié)論
本文對(duì)福建晉江終端通信接入網(wǎng)現(xiàn)狀,研究并設(shè)計(jì)了基于LTE 230MHz的電力無線專網(wǎng)建設(shè)方案并將其成功應(yīng)用于晉江地區(qū)配用電業(yè)務(wù)的承載。通過現(xiàn)場試運(yùn)行和測試驗(yàn)證證明,基于230MHz頻譜資源,采用TD-LTE技術(shù)的電力無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)終端通信多業(yè)務(wù)承載比較理想的解決方案。
參考文獻(xiàn):
[1]孫圣武,程遠(yuǎn).面向業(yè)務(wù)覆蓋的LTE電力無線專網(wǎng)研究[J].電力信息與通信技術(shù),2015,(04):6-10.
[2]張葉峰.TD-LTE技術(shù)在電力無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].華北電力大學(xué),2015.
[3]曹津平,劉建明,李祥珍.面向智能配用電網(wǎng)絡(luò)的電力無線專網(wǎng)技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(11):76–80.