衷宇清1，孫 穎1，王 浩1，陳永濤1，林璇霓1，蔡繼濤1，余曉東2，謝 凱2
（1. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州；2. 普天信息技術有限公司，北京 100080）
摘 要： LTE230系統經過多年的網絡建設運營，技術與應用結合日趨成熟，具備大規模組網基礎。提出無線專網技術在配網業務大規模組網所需的必要條件，并以此對我國首個LTE230系統大規模實驗網的建設、測試情況進行評估，為LTE230系統在配電網網絡通信領域大規模組網提供參考。
0 引言
LTE230系統是工作于230 MHz頻段的寬帶接入系統，該系統具有覆蓋廣、容量大、成本低、頻譜效率高、安全性強等特點，相比光纖、載波、無線公網等傳統配用電通信方式具有顯著的技術優勢，能夠解決配電通信網光纖部署施工難的問題，實現城區配電通信網的連續覆蓋，滿足計量自動化、配電自動化業務需求。
隨著230 MHz頻段的開放，行業用戶可以在230 MHz頻段申請5 MHz或更寬頻段使用，LTE230無線系統不僅能夠支持更大規模的數據業務，還可以支持語音和視頻等高實時、高帶寬業務。頻譜資源的擴充和應用場景的多樣化，提升了LTE230系統的使用價值，也促進LTE230網絡向小型實驗網向大規模組網方向的轉變。
近期在廣州市花都區建設的LTE230系統大規模實驗網采用LTE230系統覆蓋花都區500平方公里的區域，接入3 020個配網計量自動化和配網自動化終端。隨著本項目LTE230網絡建設的不斷完善和應用經驗的積累，對LTE230系統在大規模應用場景下的頻譜適應性、業務傳輸可靠性、系統安全性和終端接口適應性等方面進行分析和評估，為LTE230系統電力配用電通信網絡的大規模組網決策提供參考。
1 LTE230系統介紹
TD-LTE230系統是工作在230 MHz頻段上，利用OFDM、頻譜聚合、頻譜感知等當代先進的無線通信技術，針對電力系統需求進行大量定制的一套無線接入系統。該系統將230 MHz頻段上的離散頻點聚合使用，能夠支持多種業務模型。LTE230采用全IP網絡構建，組網靈活。圖1為LTE230網絡內的架構。LTE230系統由終端、接入網、核心網和操作維護中心組成。終端連接配電、用電信息采集等設備，負責將設備數據發送至接入網。接入網一方面進行數據傳輸，另一方面，對終端的行為進行控制。核心網作為LTE230系統網絡對外IP網絡的網關，將接入網的數據發送到電力系統主站。
2 LTE230系統大規模應用能力評估
參考無線公網建設經驗，從頻譜的適應性、覆蓋環境的適應性、業務傳輸可靠性、終端接口的適應性和系統安全性等方面評估LTE230系統大規模應用能力。
頻譜的適應性指的是無線接入系統的頻譜資源是否容易獲得。頻譜資源是限制無線系統能否大規模應用的最重要的限制條件。無線系統的頻譜資源需要國家無線頻譜政策的保證。作為稀缺的公共資源，頻譜資源國際通行的分配方法是通過拍賣競價的方式。例如印度在2015年3月拍賣了900 MHz和1 800 MHz頻譜的使用權，拍賣價格總和為179億美元。競價拍賣的方式使得頻譜資源的用戶承擔巨額頻譜費用，因此許多無線網絡技術采用公共無線頻段，公共頻段雖然是免費的，但是公共頻段自身缺點，如發射功率受限、覆蓋范圍有限、干擾嚴重等因素限制了采用公共無線頻段的無線接入技術在行業應用的中。
覆蓋環境的適應性是指無線系統是否能夠很好地覆蓋業務區域。隨著無線網絡規模的擴大，多樣化的覆蓋場景對網絡覆蓋提出更高的要求，因此覆蓋環境適應性是限制無線系統能否大規模應用的重要限制條件。一個無線系統覆蓋適應性強，不但可以減小網絡建設實施難度，以較小的網絡建設成本覆蓋業務區域，并且可以保證業務傳輸的穩定性和可靠性。一般來講，覆蓋環境的適應性與無線信號的衰減速度、繞射能力和輔助覆蓋設備有關。
業務傳輸可靠性也是無線系統大規模應用的關鍵因素。隨著網絡規模的擴大，終端設備數量的增加，以及業務量的增加，系統如何應對無線信號本身的衰落和相互干擾，成為考驗無線系統可靠性設計的關鍵難點。
終端產品適應性也是影響網絡大規模應用的因素。無線系統網絡規模的增大，意味著大量不同業務和廠家產品的接入。無線系統終端設備應具備標準接口適配來自于不同業務和廠家的產品。
無線網絡隨處可接入的特性使得無線網絡極易受到安全攻擊。隨著網絡規模的擴大，其受到安全攻擊的可能性增加。因此無線系統的安全性是限制無線系統大規模應用的因素之一。
下面基于本實驗網的實踐和測試情況，針對以上限制無線系統大規模應用的因素，對LTE230系統的大規模應用能力進行評估。
2.1 頻譜適應性
LTE230系統工作在230 MHz頻段，頻段范圍223.025~225.0 MHz。國家無委規定將230 MHz頻段作為遙測、遙控、數據傳輸等業務使用的頻段[1]。目前這個頻段主要被分配給能源、軍隊、氣象、地震、水利、地礦、輕工、建設等行業使用；其中40個授權頻點（25 kHz）分配用于電力負荷監控[1]。隨著我國智能電網的發展，現有授權帶寬已經不能滿足行業專網對頻譜帶寬的需求。而230 MHz頻段在其他行業使用得還不充分,大部分頻點處于閑置狀態。為此國家無委鼓勵有頻譜需求的行業用戶根據自身業務需求申請空閑頻點使用。
LTE230系統選擇230 MHz頻段作為工作頻段，保證了用戶可以較低成本得到該頻段的使用權。LTE230系統對230 MHz的頻譜的適用性體現在如下兩點：
?。?）LTE230的頻譜是離散的頻點，成梳狀交錯分布。LTE230系統采用了頻譜聚合的技術可以將離散而交錯分布的頻點聚合，傳輸寬帶業務，擴展了230 MHz頻段的業務應用。
?。?）230 MHz頻段存在數傳電臺的干擾。LTE230系統采用頻譜感知技術[2]感知技術感知干擾，并進行動態干擾規避。
圖2是本項目進行的頻譜感知的測試結果截圖。測試的過程為：先在226頻點發送下行數據，隨后在226頻點產生干擾信號，觀察傳輸流量變化和記錄系統工作頻點的變化。在終端處觀察數據流量，可以發現，當干擾開啟時，下行流量驟然下降，隨后回升至正常水平，中間的間隔小于1 s。同時，根據終端參數記錄數據，發現終端工作的頻點發生變化，從226頻點跳轉至204。測試數據表明，LTE230系統成功采用頻譜感知技術啟動了干擾規避。
頻譜聚合技術、頻譜感知和干擾規避技術的采用使得LTE230系統非常適合在230 MHz頻段工作。同時230 MHz頻段的低成本特性也適合電力行業大規模使用。
2.2 覆蓋環境適應性
2.2.1 廣域覆蓋
LTE230系統的最大特點是覆蓋范圍廣。根據參考文獻[3]，無線電波的頻率越低，其傳播損耗（包括直射和繞射的損耗）越低。LTE230系統工作在230 MHz，覆蓋范圍廣。系統覆蓋范半徑在密集城區可達3 km，在農村可達30 km。由于LTE230系統在覆蓋上的優勢，本項目基站站址的選擇變得非常簡單：所有的基站是建設在變電所、供電局等電力系統自有物業中。電力自有物業的密集度可以滿足LTE230系統覆蓋半徑的要求，并且具備光纖回傳設施。選擇電力自有物業建設基站免除了站點租用、鋪設光纖和物業溝通的大量工作，極大地降低了組網成本，加快了組網建設速度。
LTE230系統在本項目覆蓋的情況如表1所示。
本項目覆蓋地區為典型城鎮環境，既有樓宇密集的住宅小區，又有低矮的小樓。本文采用10個基站覆蓋近500 km2的區域，平均覆蓋半徑為5.6 km。圖3為本項目項目路測信號場強顯示。表2為本項目路測場強的統計。數據表明LTE230信號覆蓋良好，陰影區域小于3%。
本項目覆蓋測試結果顯示，230 MHz頻段因為其良好的繞射性能和很低的傳播損耗，非常適合用于覆蓋城區等復雜環境，覆蓋面積大，覆蓋陰影少，極大地降低了網絡建設成本。
2.2.2 補盲覆蓋
對于室內或地下室等環境的覆蓋，主要采用了無線中繼的輔助覆蓋方案。LTE230系統的無線中繼設備包括中繼終端設備ED和中繼接入設備AP。ED和AP之間通信采用470 MHz公共頻段，可以自組網，支持mesh組網和多跳路由。由于LTE230無線中繼方案避免了拉線等施工難題，設備安裝簡單，對物業破壞小，物業協調簡單，因此在本項目中使用廣泛。圖4為無線中繼系統多跳示意圖。
根據本項目的使用經驗，LTE230無線中繼系統的覆蓋范圍在建筑內同一層可以達到70 m，如果相差一層，則通信范圍為40 m。如果垂直安裝，可以穿透4層樓板。在大多數情況下，只需一跳就可以將信號傳輸到室外。
綜合室外和室內的覆蓋經驗，筆者認為LTE230系統可以提供完備的成熟解決方案，適合在城市環境進行大規模組網建設。
2.3 業務傳輸可靠性
LTE230系統采用HARQ，Turbo碼等技術減小信道衰落對傳輸的影響，采用頻譜感知、干擾規避等技術對抗230 MHz頻段的干擾。在硬件設計中采用了諸如降額設計、容錯設計等高可靠性設計技術，并對設備進行了大量環境穩定性測試，保證了LTE230系統業務傳輸的可靠性。
本項目中，針對業務傳輸的可靠性，對LTE230系統做了傳輸穩定性測試，業務接通率測試和抄表成功率測試。
穩定性測試：使用環回工具持續對某終端發送數據包（每間隔10 s發送1個包），記錄收發包是否一致，測試持續7×24 h以上，并記錄數據收發情況和無線信道的穩定性。測試結果統計，主站共發送60 621個數據包，終端收到60 619個數據包，1周環回業務保持正常，丟包率為0.003%。LTE230無線信道穩定，數據收發正常。
業務接通率測試：對不同地點的終端重復進行斷電、上電操作，讓終端重復接入LTE230系統，統計成功接入次數。本文選取離基站距離分別為近點、遠點和中點的終端進行業務接通率測試。測試結果如表3所示。
LTE230系統穩定，即使在小區邊緣，接入成功率為100%。
抄表成功率測試：對小區內集中器終端進行50次抄表測試，測試結果，抄表成功率100%。
業務穩定性測試表明，LTE230系統運行穩定性和可靠性都達到應用要求標準，可以有效支持配電業務的通信需求。
2.4 終端接口標準化
LTE230系統終端需要連接現有行業設備。在本項目中，終端對接的設備包括，配變監測終端設備，低壓集抄終端設備，負荷管理終端設備等。設備的接口協議遵從南方電網規定的企業標準。由于設備品牌、生產廠家、生產年代不同，設備接口協議時序，接口管腳順序等處略有不同，并且終端設備品牌眾多，因此終端對接的工作十分繁雜。
LTE230 系統終端接口的對接工作包括終端載板接口管腳位置變更和軟件協議適配兩個部分。軟件內建設備數據庫，隨著對接設備數量的增加，數據庫規模不斷增大，目前已經包含近80個設備數據。因此LTE230系統終端已經可以對接大多數在用配變、集抄和負控設備。
2.5 系統安全
LTE230系統采用第四代移動通信技術TD-LTE的安全邏輯模型。包括5個安全域。LTE230安全邏輯結構如圖5所示。
五類安全域首先是網絡接入安全，LTE230系統提供無線鏈路安全，用戶身份和網絡的雙向認證，用戶身份保護、加密密鑰分發、用戶數據和信令的加密和完整性保護等。其次是核心網網絡系統安全，LTE230提供基站和核心網的雙向鑒權和數據加密。第三類是用戶安全，LTE230系統提供終端安全實體，保護用戶數據加密和認證安全。第四類是應用安全，LTE230支持用戶在應用層進行的任何形式的安全交互、實體身份認證、應用數據重放攻擊檢測等安全功能。第五類是安全特性可見性與可配置能力：用戶獲得安全性是否開啟、服務是否需要安全服務等。這五類安全域有效地保障了LTE230系統安全。
3 結論
LTE230系統經過多年網絡的建設和運營，技術和應用日趨成熟，尤其是通過廣州市花都項目大規模組網的考驗，在頻譜的適應性，覆蓋環境的適應性，終端接口的適應性，以及安全性上都有具備了大規模組網的能力。
參考文獻
[1]中國無線電管理委員會. 關于印發民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務頻段規劃的通知（國無管[1991]5號）[Z]. 1991.
[2]HAYKIN S, Cognitive radio: brain-empowered wireless communications[J]. IEEE J. Selected Areas in Communications, 2005, 23(2). 201–220.
[3]郭梯云，鄔國揚，張闕盛. 移動通信[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社，1996.