姚繼明，黃 鳳，田文鋒

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003)

電力LTE異頻組網(wǎng)系統(tǒng)應用研究

姚繼明，黃 鳳，田文鋒

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003)

截止目前，電力系統(tǒng)已經(jīng)在一些地區(qū)開展了LTE專網(wǎng)系統(tǒng)試點工程建設工作。試點工程應用的LTE系統(tǒng)包括LTE230系統(tǒng)和LTE1800系統(tǒng)，主要采用單頻組網(wǎng)的建設模式，而工作在不同頻段的LTE系統(tǒng)受頻率等特性影響，適應不同的應用場景，不能完全滿足電力系統(tǒng)的應用需求。為充分發(fā)揮不同系統(tǒng)的優(yōu)勢，開展了LTE230系統(tǒng)和LTE1800系統(tǒng)的異頻組網(wǎng)系統(tǒng)應用研究?？紤]到電力系統(tǒng)有限的專用頻段，為提高頻譜利用率，給出了電力LTE系統(tǒng)雙工模式選擇建議和理由。在綜合分析LTE230和LTE1800系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎上，提出了基于兩種LTE系統(tǒng)的異頻組網(wǎng)架構(gòu)，研究了在此架構(gòu)下基于蜂窩網(wǎng)絡之間的負載均衡和基于D2D直連通信的業(yè)務分流方法，并對異構(gòu)系統(tǒng)的天線融合方法進行了簡要介紹。此外，結(jié)合電力系統(tǒng)的應用需求、LTE系統(tǒng)特性和異構(gòu)網(wǎng)絡研究現(xiàn)狀，對兩種LTE系統(tǒng)的異頻組網(wǎng)方案在電力系統(tǒng)中的應用所存在的難點問題進行了探討。

LTE230；LTE1800；D2D；異頻組網(wǎng)；電力通信

0 引 言

電力終端通信接入網(wǎng)作為電力通信網(wǎng)絡的重要組成部分，為配電自動化、用電信息采集等業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸提供了重要支撐作用。由于電力業(yè)務的分布特點，電力終端通信接入網(wǎng)具有覆蓋范圍廣、通信節(jié)點分散、單位面積節(jié)點密度低等特點，存在光纖、電力無線專網(wǎng)、租用無線公網(wǎng)、載波等多種通信方式共存的局面[1]。

伴隨著LTE標準的成熟和完善，以及移動互聯(lián)網(wǎng)時代全球移動數(shù)據(jù)業(yè)務每年倍增的爆發(fā)式增長，LTE成為運營商和眾多行業(yè)選擇的主流技術(shù)演進方案。目前，包括國內(nèi)三大運營商、油田、礦山、交通、政務、電力等行業(yè)都已經(jīng)開展了LTE的網(wǎng)絡建設工作[2-3]。將LTE技術(shù)作為電力終端通信接入網(wǎng)的重要接入技術(shù)，對電力系統(tǒng)具有重要的應用意義。目前，LTE系統(tǒng)在電力行業(yè)應用的主要有基于230 MHz的LTE系統(tǒng)(簡稱LTE230系統(tǒng))[4-8]和基于1 800 MHz的LTE系統(tǒng)(簡稱LTE1800系統(tǒng))[9-12]，在浙江、江蘇、河北、福建、青海等地進行了試點建設。LTE230系統(tǒng)在郊區(qū)環(huán)境下覆蓋距離可達數(shù)十千米，城區(qū)環(huán)境下覆蓋距離可達三千米左右，并且在有樹木遮擋、樓宇遮擋、室內(nèi)、雨天、霧天等復雜環(huán)境下，具有良好的覆蓋能力，有利于降低無線網(wǎng)絡組網(wǎng)成本，但是系統(tǒng)受電力可用頻率資源限制，可用帶寬不大，難以支撐海量用戶同時接入以及傳輸高速率業(yè)務數(shù)據(jù)。LTE1800系統(tǒng)是基于標準LTE的系統(tǒng)，在行業(yè)中的應用與公網(wǎng)應用的區(qū)別主要在于使用頻段不同，其構(gòu)成產(chǎn)業(yè)鏈的芯片、系統(tǒng)、終端和測試四大環(huán)節(jié)與公網(wǎng)系統(tǒng)完全相同，相比較LTE230系統(tǒng)，技術(shù)成熟，可用帶寬較大，可承載高速率業(yè)務，滿足更多用戶接入需求，但受高頻率影響，系統(tǒng)覆蓋面積不大，建網(wǎng)成本較高。

綜合以上分析，LTE230系統(tǒng)比較適合于解決廣覆蓋的問題，而LTE1800系統(tǒng)比較適合于熱點覆蓋問題，而在目前已經(jīng)完成電力無線專網(wǎng)試點工程中，都采用了單頻組網(wǎng)的建設模式，存在以上分析的問題。鑒于兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢互補性，將兩種系統(tǒng)進行異頻混合組網(wǎng)，對完善電力無線專網(wǎng)的質(zhì)量，提高業(yè)務承載能力具有重要意義。在此背景下，開展兩種系統(tǒng)的異頻組網(wǎng)應用研究。

1 系統(tǒng)特性分析

1.1 頻率分配情況

無線通信網(wǎng)建設最主要的制約因素是無線頻率。電力系統(tǒng)要建設無線寬帶專網(wǎng)，首先要解決的就是爭取國家無線電管理部門的頻段資源。根據(jù)國家無線頻率管理政策，電力行業(yè)可使用的無線寬帶頻率主要有以下幾個頻段。

(1)230 MHz頻段。國家無線電管理委員會在1991年下發(fā)文件[(1991)國無管字5號]，在關(guān)于電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)頻率使用的批復中明確，指配給電力系統(tǒng)使用的頻率在223～231 MHz頻段。其中單向頻率10個頻點，雙向頻率15對頻點，收發(fā)間隔為7 MHz，每個頻點寬帶25 kHz，共1 MHz，具體分配情況見文獻[13]。230 MHz頻段為國家無線電管理委員會分配給電力系統(tǒng)專用，可以減少頻譜資源競爭，提高無線抗干擾能力，頻率穿透能力強，覆蓋范圍廣。

(2)1 800 MHz頻段。頻率范圍為1 780～1 805 MHz，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機構(gòu)負責審批使用，以5 M為單位進行授權(quán)使用；一般采用臨時授權(quán)方式使用無線頻譜，到期后再進行續(xù)申；部分區(qū)域已分配給港口、機場等單位，頻譜使用情況日趨緊張。

(3)ISM頻段。主要有2.4 GHz和5.8 GHz頻段。該頻段是非授權(quán)頻段，用戶競爭使用，一般用于短距離傳輸?shù)臒o線傳感網(wǎng)或局域網(wǎng)中，可用帶寬大，但安全風險也較大，適合短距離高容量傳輸，可用于電力業(yè)務熱點區(qū)域的數(shù)據(jù)分流。

考慮到文中主要是研究基于LTE的異頻組網(wǎng)，ISM頻段不適合大面積組網(wǎng)，因此，只考慮230 MHz和1 800 MHz異頻組網(wǎng)。

1.2 雙工模式選擇

從設備實現(xiàn)的角度來講，TD-LTE和LTE FDD相比，差別僅在于物理層軟件和射頻模塊硬件(如濾波器)，網(wǎng)絡側(cè)絕大多數(shù)網(wǎng)元可以共用，電力系統(tǒng)應用建議選擇TDD的技術(shù)體制，主要有以下原因：

(1)國家政策因素。國家非常支持TDD技術(shù)的發(fā)展。工信部《關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》指出專網(wǎng)系統(tǒng)采用時分雙工(TDD)的工作方式。

(2)頻率資源因素。相對于FDD模式的上、下行成對頻率，需要保護帶寬的要求，TDD模式不需對等上下行頻段，頻率配置靈活。而且電力行業(yè)本身可申請利用的頻率資源比較有限，使用TDD雙工模式可保證較高的頻譜利用率。

(3)電力行業(yè)因素。電力行業(yè)的業(yè)務數(shù)據(jù)流量與公網(wǎng)數(shù)據(jù)流量的特點截然相反，電力業(yè)務以上行業(yè)務為主，呈現(xiàn)上行大、下行小的特點，F(xiàn)DD支持非對稱業(yè)務效率低，而TDD可以利用靈活分配時隙來支持非對稱業(yè)務。

(4)技術(shù)因素。TDD模式對智能天線有很好的支持，在電力行業(yè)的一些應用中，比如輸電環(huán)節(jié)，使用智能天線可與通信覆蓋需求相匹配；雖然FDD對移動性支持比TDD要好，但電力系統(tǒng)移動類的數(shù)據(jù)較少，主要是固定類的業(yè)務。

2 異頻組網(wǎng)方案

2.1 組網(wǎng)架構(gòu)

不同頻段的無線通信系統(tǒng)具有不同的傳播特性，頻段之間相差的范圍越大，其覆蓋能力差異越大。目前LTE專網(wǎng)可用頻段主要為230 MHz、1 800 MHz兩個頻段，其中230 MHz可用帶寬只有1 MHz，1 800 MHz根據(jù)各地申請情況，通?？捎脦捲?～10 MHz范圍內(nèi)。由于LTE230系統(tǒng)的覆蓋范圍要遠遠高于LTE1800系統(tǒng)，在廣域覆蓋方面優(yōu)勢較大，而LTE1800系統(tǒng)可用帶寬較大，可支撐高速率的數(shù)據(jù)傳輸，在熱點覆蓋方面優(yōu)勢較大。因此，結(jié)合兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢進行異頻混合組網(wǎng)，其混合組網(wǎng)的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

圖1 異頻組網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)

圖中，兩種LTE系統(tǒng)共用核心網(wǎng)資源，這是因為不同于運營商的公網(wǎng)系統(tǒng)，電力專網(wǎng)LTE系統(tǒng)主要面對電力業(yè)務，基站數(shù)量不多。舉例來說，一個地級城市，只需10套左右LTE230基站即可實現(xiàn)全城覆蓋，另外配置數(shù)十套LTE1800基站覆蓋業(yè)務熱點地區(qū)，即可滿足電力業(yè)務的應用需求。所以，按現(xiàn)有常用核心網(wǎng)設備硬件配置，一套核心網(wǎng)設備即可支撐一個城市的LTE230基站和LTE1800基站，為每種LTE系統(tǒng)建設獨立的核心網(wǎng)資源性價比不高，因此可以對核心網(wǎng)資源共享使用，以便充分利用處理資源，降低系統(tǒng)建設成本。

基站類型采用常見分布式架構(gòu)，包括中心單元(Base Band Unit，BBU)和遠端單元(Radio Remote Unit，RRU)，兩者之間通過電力光纖連接，根據(jù)實際業(yè)務的覆蓋需求進行靈活部署。另外，不同于公網(wǎng)系統(tǒng)，電力專網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務在線并發(fā)量不大，大部分業(yè)務都是周期性業(yè)務，BBU不會一直處于滿載狀態(tài)，而且不同系統(tǒng)因為業(yè)務覆蓋范圍內(nèi)接入的業(yè)務量不同，BBU負載量也有所不同，而將兩種系統(tǒng)的BBU部署在一起組成BBU池，可以共享部分基帶處理資源，更有利于負載均衡。另外，對于RRU的部署，LTE230系統(tǒng)是以實現(xiàn)廣域覆蓋為目標，LTE1800系統(tǒng)是在LTE230系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)進行部署，部署地區(qū)選擇業(yè)務集中、業(yè)務數(shù)據(jù)量大的區(qū)域，滿足了大部分業(yè)務的接入需求，通信終端可靈活選擇不同的LTE系統(tǒng)進行接入，也即終端需是支持這兩種系統(tǒng)的多模終端。

2.2 業(yè)務分流

2.2.1 蜂窩通信

通信終端通過授權(quán)頻段與基站進行通信，因為有兩種網(wǎng)絡的覆蓋，涉及到終端的網(wǎng)絡選擇問題。原則上，在LTE1800系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的終端，優(yōu)先選擇與1 800 MHz的RRU進行通信，也可以根據(jù)負載均衡的需求，選擇接入LTE230系統(tǒng)的RRU，而不在該覆蓋范圍內(nèi)的終端，可選擇與230 MHz的RRU進行通信。但是，如果在LTE1800系統(tǒng)覆蓋范圍外的終端存在高速率的業(yè)務傳輸需求，LTE230系統(tǒng)受帶寬因素限制無法滿足需求，一種可行的方案是通過利用中繼設備的方式，將該終端接入到LTE1800系統(tǒng)中，但該方案對中繼設備的部署位置也比較固定，接入方式不夠靈活。

2.2.2 D2D通信

D2D(Device-to-Device)通信是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復用小區(qū)資源直接進行通信的新型技術(shù)。用戶數(shù)據(jù)直接在終端之間傳輸，可以實現(xiàn)頻率資源的復用，能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題[14-17]。

基于該技術(shù)，可以利用終端之間的D2D通信技術(shù)來擴展LTE1800系統(tǒng)的覆蓋范圍。具體來說，利用LTE230系統(tǒng)的廣覆蓋特性，其覆蓋范圍內(nèi)的終端接收系統(tǒng)指令，根據(jù)業(yè)務傳輸需求，與LTE1800系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的終端通過多跳中繼的方式建立D2D通信鏈路。如此以來，邏輯上擴大了LTE1800系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且滿足了LTE1800系統(tǒng)覆蓋范圍外的高速率傳輸需求的終端業(yè)務接入需求。該方式相對于架設中繼設備的方式，中繼方式更為靈活，且不增加系統(tǒng)成本。

另外，對于一些實時性要求不高的本地存儲類數(shù)據(jù)，也可以利用D2D通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給附近的終端(比如巡檢人員、無人機上部署的終端)，減輕終端與基站之間的業(yè)務負載，提升系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率。

2.3 天線融合

對于天線融合，常用的有兩種方式[18]，如圖2所示。一種是采用寬頻雙通道天線結(jié)合合路器共用天線振子，適合于系統(tǒng)頻段較為相近的場景；另一種是兩種系統(tǒng)采用不同的天線振子和端口，外部組合共用天線罩，通過不同端口分別連接到兩系統(tǒng)RRU，該方式適用于兩種系統(tǒng)頻段間隔較遠的場景。鑒于文中采用的是230 MHz和1 800 MHz頻段，兩者相距較遠，因此，天線選擇第二種融合方式。在實際的部署過程中，兩種系統(tǒng)因為覆蓋范圍不同，當RRU相距較遠時，選取獨立建設天線的方式。

圖2 天線融合方式

3 關(guān)鍵難點問題

(1)射頻前端融合問題。從現(xiàn)有階段的應用情況及產(chǎn)業(yè)鏈分析，兩種系統(tǒng)在一段時間內(nèi)還是共存的局面，短期內(nèi)無法研發(fā)出同時支持這兩個頻段的LTE系統(tǒng)。因為兩種頻率相隔太遠，對通信終端設備來說，設計出支持這兩種頻段的射頻前端硬件、終端成本和體積方面都還存在難題。

(2)D2D中繼通信問題。需要開展兩種系統(tǒng)共存的條件下D2D輔助通信和合適中繼策略研究，包括中繼選擇、路由選擇等。另外，D2D通信過程中涉及到的無線資源管理、干擾協(xié)調(diào)和不同系統(tǒng)之間的通信模式切換等問題也需解決。

(3)異頻網(wǎng)絡交互問題。目前LTE230和LTE1800自成一套獨立系統(tǒng)，而且LTE230系統(tǒng)根據(jù)230 MHz頻段的分布特點，對物理層進行了較多的變動。因此，終端需要支持兩種網(wǎng)絡的物理層協(xié)議，必然會抬高終端的成本、功耗、處理能力等方面的需求，另外，終端面向不同的網(wǎng)絡，需要根據(jù)電力業(yè)務特點，設計出自適應的網(wǎng)絡接入機制。

(4)業(yè)務安全隔離問題。因為電力系統(tǒng)的業(yè)務分為生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務和管理信息大區(qū)業(yè)務，不同大區(qū)之間具有不同的安全防護要求，按現(xiàn)有規(guī)定，需要達到物理隔離的標準要求；因此，同一套系統(tǒng)接入不同的業(yè)務，如何區(qū)分和隔離不同業(yè)務也是重要問題。

4 結(jié)束語

結(jié)合電力系統(tǒng)的新業(yè)務需求和LTE技術(shù)的優(yōu)越性，開展了小范圍的電力LTE專網(wǎng)試點工作。結(jié)合現(xiàn)有的電力LTE專網(wǎng)的建設現(xiàn)狀和實際運營效果，探討了LTE230系統(tǒng)和LTE1800系統(tǒng)的異頻組網(wǎng)問題，主要目的是充分發(fā)揮兩種系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)投資運營效果最佳化，同時考慮到頻率資源和網(wǎng)絡覆蓋問題，研究利用蜂窩網(wǎng)絡之間的負載均衡以及采用D2D直連技術(shù)來擴展覆蓋范圍和提高頻譜效率的業(yè)務分流方法，最后結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和電力業(yè)務需求，對提出的異頻組網(wǎng)系統(tǒng)還存在的一些關(guān)鍵問題進行了分析。綜上，LTE技術(shù)是近年來發(fā)展快速的先進無線通信技術(shù)，對多個行業(yè)的信息化發(fā)展提供了重要的支撐作用，電力系統(tǒng)也應該借此機遇，結(jié)合電力應用需求，充分發(fā)揮LTE技術(shù)優(yōu)勢，針對試點過程中發(fā)現(xiàn)的問題不斷進行改進和優(yōu)化，是建設電力LTE專網(wǎng)的必經(jīng)之路。

[1] 崔正杰,劉南杰,倪振華,等.基于協(xié)作傳輸?shù)闹悄茈娋W(wǎng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2015,25(7):91-95.

[2] 劉巧平,李艷萍.正交頻分復用技術(shù)及其在4G移動通信中的應用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2014,24(11):238-241.

[3] 劉勁松,王 鵬,金毅敦.TD-LTE行業(yè)應用發(fā)展分析及建議[J].移動通信,2014,38(3):13-18.

[4] 周建勇,田志峰,李 艷,等.廣覆蓋LTE230系統(tǒng)在電力配用電應用中的研究與實踐[J].電信科學,2014,30(3):168-172.

[5] Cao Jinping,Liu Jianming,Zhang Yiying,et al.Developing a power wireless private network based on TD-LTE technology for intelligent distribution networks[C]//International conference on automatic control and artificial intelligence.[s.l.]:[s.n.],2012:890-893.

[6] 李金友,閆 磊,齊 歡,等.基于LTE230系統(tǒng)的電力無線通信專網(wǎng)研究與實踐[J].電氣技術(shù),2014(1):132-134.

[7] 劉 柱,趙明科,張京娜.基于基帶拉遠LTE230MHz的配電自動化通信系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)通信,2012,33(12):35-39.

[8] Guo Binlin,Han Luyun.Design and realization of intelligent load control terminal based on TD-LTE 230 MHz[C]//IEEE 16th international conference on communication technology.[s.l.]:IEEE,2015:799-801.

[9] 王 浩,衷宇清,容志能,等.TD-LTE電力無線寬帶系統(tǒng)多頻混合組網(wǎng)研究[J].電力信息與通信技術(shù),2013,11(8):24-30.

[10] Cao Jinping,Liu Jianming,Zhu Shaomin,et al.A wide coverage wireless communication scheme for the intelligent distribution network[C]//2012 world congress on information and communication technologies.[s.l.]:[s.n.],2012:999-1003.

[11] 蔡 根,張健明,楊大成.TD-LTE電力專網(wǎng)230MHz與1.8GHz的研究[J].軟件,2015,36(12):83-88.

[12] 徐長福,王小波,周 超,等.面向應急通信的LTE電力無線專網(wǎng)應用研究[J].電力信息與通信技術(shù),2015,13(1):27-31.

[13] 閆 龍,王智海,祁 兵.基于GNU Radio的230MHz多通道主站電臺的設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(9):100-104.

[14] 焦 巖,高月紅,楊鴻文,等.D2D技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電信工程技術(shù)與標準化,2014,27(6):83-87.

[15] Jung M，Hwang K,Choi S.Joint mode selection and power allocation scheme for power-efficient device-to-device (D2D) communication[C]//IEEE 75th vehicular technology conference.[s.l.]:IEEE,2012:1-5.

[16] Wang Bin,Chen Li,Chen Xiaohang,et al.Resource allocation for device-to-device communication underlaying cellular networks:an alternating optimization method[J].IEEE Communications Letters,2015,19(8):1398-1401.

[17] 王俊義,鞏志帥,符杰林,等.D2D通信技術(shù)綜述[J].桂林電子科技大學學報,2014,34(2):114-119.

[18] 李正茂,王曉云.TD-LTE應用與實踐[M].北京:人民郵電出版社,2014.

Research on Application of Anti-frequency Networking of LTE fo Power System

YAO Ji-ming，HUANG Feng，TIAN Wen-feng

(Global Energy Interconnection Research Institute,Nanjing 210003,China)

So far,the electric power system has been carried out pilot projects of dedicated LTE network in some regions.The LTE system in the application of pilot projects includes LTE230 and LTE1800,and both of them are single-frequency networking in the network construction.However,different system has different application scenes according to the characteristic such as frequency,which cannot fully meet the application requirements of the power system.In order to give full play the advantages of different systems,the study on differ-frequency networking scheme of LTE230 system and LTE1800 system is conducted.Taking into account the limited frequency band of the power system,in order to improve the spectrum utilization,the advice and reasons of duplex mode selection are given.Based on the comprehensive analysis of the advantages and disadvantages of LTE230 and LTE1800 system,the differ-frequency networking architecture of the two systems are put forward,the service distributing method of load balancing between the cellular network and D2D direct communication service under the network architecture is studied,and antenna fusion scheme is introduced briefly.In addition,combined with the application requirements of power system,the characteristics of LTE system and the research status of heterogeneous network,the difficulty of differ-frequency network applied in electric power system is discussed.

LTE230;LTE1800;Device-to-Device;differ-frequency networking;electric power communication

2016-04-28

2016-08-11

時間：2017-02-17

國家電網(wǎng)公司科技項目(SGRIXTKJ[2015]349號)

姚繼明(1987-)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)無線通信技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1632.072.html

TN925

A

1673-629X(2017)03-0181-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.038