王宏延,顧舒嫻,完顏紹澎,于佳
( 1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司,江蘇 南京 210000;2.南京蘇逸實(shí)業(yè)有限公司科技信息網(wǎng)絡(luò)分公司,江蘇 南京 210000;3.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 210000)
隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入開(kāi)展,電力通信業(yè)務(wù)種類日益豐富,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大。為了支撐智能電網(wǎng)建設(shè)的核心任務(wù)和目標(biāo),需要建設(shè)覆蓋面更廣、接入更靈活的終端接入網(wǎng)[1-5]。
對(duì)于電力無(wú)線專網(wǎng),由于其通信頻段的特殊性,受到的干擾要大于傳統(tǒng)的公網(wǎng)系統(tǒng)[6]。目前可用于電力無(wú)線通信的頻段主要為230 MHz和1.8 GHz,其中電力230 MHz頻段為非連續(xù)頻譜,相鄰頻點(diǎn)存在其他行業(yè)(軍事,水利,氣象等)數(shù)傳電臺(tái)通信;而1.8 GHz為企業(yè)通信頻段,可能存在某些企業(yè)的私有基站通信;因此除了小區(qū)間干擾外,這2個(gè)頻段的電力無(wú)線專網(wǎng)都面臨著強(qiáng)烈的鄰頻干擾[7-8]。干擾的存在會(huì)影響接收信號(hào)的信噪比,從而影響覆蓋范圍、通信速率等;因此需要對(duì)電力無(wú)線專網(wǎng)中的干擾進(jìn)行管理和抑制,以提高系統(tǒng)性能及可靠性。對(duì)于鄰頻干擾,必須通過(guò)切換通信頻點(diǎn)來(lái)解決[9-10],即利用跳頻技術(shù),這就存在通信信道選擇的問(wèn)題。對(duì)于時(shí)分雙工(time division duplex,TDD)系統(tǒng)而言,上下行的干擾是不同的,因此信道優(yōu)選是一個(gè)研究重點(diǎn);對(duì)于小區(qū)間干擾,也需要進(jìn)行抑制,以提高小區(qū)邊緣接收信號(hào)的質(zhì)量和系統(tǒng)性能[11]。因此,干擾管理是本文需要解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。
目前,國(guó)內(nèi)多種制式無(wú)線通信系統(tǒng)并存,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶快速增長(zhǎng),無(wú)線環(huán)境復(fù)雜多變,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題日益突出[12-13],成為影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要因素。從中國(guó)運(yùn)營(yíng)商在維護(hù)管理移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,網(wǎng)絡(luò)干擾分析定位排查已成為一項(xiàng)重要的長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution,LTE)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維優(yōu)化(以下簡(jiǎn)稱“網(wǎng)優(yōu)”)工作[14-16]。每年的網(wǎng)優(yōu)工作中,都會(huì)在網(wǎng)絡(luò)口投入大量人力、物力、財(cái)力,以日常網(wǎng)優(yōu)和專項(xiàng)網(wǎng)優(yōu)的形式,解決現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中面臨的各類干擾,以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行和服務(wù)質(zhì)量[17]。
電力專網(wǎng)所處頻段不同于分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)(time division long term evolution,TD-LTE)公網(wǎng),其干擾源和干擾類型有自身的特點(diǎn)[18],對(duì)于TD-LTE電力專網(wǎng),可以借鑒但不能照搬TD-LTE公網(wǎng)采用的干擾排查處理方法。國(guó)家電網(wǎng)有限公司已在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市建立了TD-LTE無(wú)線電力專網(wǎng)試驗(yàn)網(wǎng)[19-20],結(jié)合這些實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn),網(wǎng)絡(luò)建設(shè)單位和國(guó)內(nèi)一些研究所和高校研究探討了各項(xiàng)電力專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),包括網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃(如業(yè)務(wù)分析預(yù)測(cè)、鏈路預(yù)算、覆蓋、容量)、業(yè)務(wù)終端、網(wǎng)絡(luò)安全控制等[21-24];但這些新建的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)規(guī)模小、用戶少,干擾問(wèn)題并不突出。對(duì)于已經(jīng)大規(guī)模部署運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò),干擾分析處理是保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要手段,智能干擾分析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)區(qū)域的無(wú)線頻譜環(huán)境的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)電力無(wú)線專網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)都具有重要作用。對(duì)于專網(wǎng)規(guī)劃來(lái)說(shuō),現(xiàn)在電力無(wú)線專網(wǎng)的基站主要部署在變電站等電力設(shè)施處,缺乏科學(xué)依據(jù),只通過(guò)短暫的路測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)進(jìn)行布站。而利用智能干擾分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間、多天氣的監(jiān)測(cè)跟蹤,及時(shí)了解所屬區(qū)域的無(wú)線頻譜干擾情況,對(duì)基站選址,基站工作頻率的選擇等方面具有重要意義。對(duì)于專網(wǎng)運(yùn)營(yíng),利用智能干擾分析系統(tǒng),及時(shí)反饋不同覆蓋區(qū)域下的無(wú)線頻譜干擾情況,及時(shí)排除干擾,保證專網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng);對(duì)于專網(wǎng)運(yùn)維,利用長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)結(jié)果,有利于發(fā)現(xiàn)覆蓋盲點(diǎn)及弱覆蓋區(qū)域,進(jìn)而采取相關(guān)補(bǔ)盲手段來(lái)實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)信號(hào)的全面覆蓋。因此,無(wú)線專網(wǎng)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域大規(guī)模部署應(yīng)用,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)干擾分析定位排查必然是智能電網(wǎng)維護(hù)運(yùn)營(yíng)中的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容,需要正確的理論指導(dǎo)、規(guī)范的工作流程和方法、方便有效的軟硬件支撐工具。針對(duì)此,本文提出一種LTE電力無(wú)線專網(wǎng)網(wǎng)外干擾源故障跟蹤定位的方法。
目前LTE電力無(wú)線專網(wǎng)在國(guó)內(nèi)仍處于試驗(yàn)網(wǎng)階段,沒(méi)有大規(guī)模部署運(yùn)營(yíng),缺乏行之有效的干擾分析處理方法。TD-LTE電力無(wú)線專網(wǎng)的系統(tǒng)頻譜范圍和所處無(wú)線環(huán)境不同于TD-LTE公網(wǎng),專網(wǎng)中的系統(tǒng)間干擾類型和干擾源有別于公網(wǎng)。干擾分析定位排查不能完全套用TD-LTE公網(wǎng)的原理、方法和技術(shù)[25],應(yīng)當(dāng)面向TD-LTE電力專網(wǎng)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)環(huán)境,分析其所在頻段特性,研究各種潛在的上下行干擾源及其干擾特性,評(píng)估各類干擾對(duì)終端、基站的影響;針對(duì)各類干擾,研究有效的排查處理方法,為電力專網(wǎng)網(wǎng)優(yōu)提供理論指導(dǎo)。
干擾器、放大器、偽基站等網(wǎng)外強(qiáng)干擾源的干擾頻帶范圍寬、功率大、影響面廣,在上下行方向上對(duì)TD-LTE公網(wǎng)、專網(wǎng)內(nèi)的基站和用戶終端均會(huì)造成嚴(yán)重影響。而且此類干擾源的位置隱蔽甚至是不斷移動(dòng)的,干擾源的開(kāi)啟和關(guān)閉情況并非一成不變,這導(dǎo)致利用掃頻儀、測(cè)試終端來(lái)捕獲這些干擾源的干擾信號(hào)比較困難,快速定位這些干擾源的具體位置難度更大,需要大量的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工作,且定位精度也不高。
在電力專網(wǎng)中,基站與電力終端間傳輸?shù)氖请娋W(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),一旦網(wǎng)外強(qiáng)干擾造成數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤,將嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行;因此,在TD-LTE專網(wǎng)中,更應(yīng)關(guān)注網(wǎng)外強(qiáng)干擾源的影響。
針對(duì)多個(gè)處于干擾范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)終端,根據(jù)這些終端的位置和受到干擾時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的變化,采用正向/反向三維射線跟蹤模型,分析干擾信號(hào)的傳播路徑,定位排查可能的干擾源具體位置。圖1所示為電力無(wú)線專網(wǎng)網(wǎng)外干擾源定位流程。
圖1 電力無(wú)線專網(wǎng)網(wǎng)外干擾源定位流程Fig.1 Location and tracking of interference sources in power wireless private network
根據(jù)區(qū)域內(nèi)各小區(qū)的網(wǎng)管指標(biāo)、用戶投訴和路測(cè)輔助測(cè)試設(shè)備(auxiliray test unit,ATU)分析等方式來(lái)確定被干擾小區(qū),進(jìn)而劃定干擾源探測(cè)范圍D,具體步驟如下。
步驟1,評(píng)估區(qū)域內(nèi)各小區(qū)的被干擾程度。區(qū)域內(nèi)小區(qū)集合C={ci|i∈[1,n]},其中,n為小區(qū)個(gè)數(shù),ci為第i個(gè)小區(qū)標(biāo)識(shí)。各小區(qū)被干擾指標(biāo)I(ci)=f(Mi,ATU,Si,Ni,user),其中,f為干擾評(píng)估函數(shù),Mi,ATU為小區(qū)ci的ATU路測(cè),Si為小區(qū)ci的網(wǎng)管指標(biāo),Ni,user為小區(qū)ci的用戶單位時(shí)間投訴量。
步驟2,根據(jù)干擾指標(biāo)篩選被干擾小區(qū),即:C′={ci|i∈[1,m]},其中C′為被干擾小區(qū)集合,m為被干擾小區(qū)個(gè)數(shù)。
步驟3,確立初步探測(cè)范圍。根據(jù)被干擾小區(qū)所屬基站坐標(biāo)作軸對(duì)齊包圍盒(圖2中B為包圍盒)。
步驟4,確立最終探測(cè)范圍。為防止遺漏,根據(jù)異常小區(qū)受干擾程度、小區(qū)方向?qū)適當(dāng)外擴(kuò)(圖2中D為擴(kuò)大后的包圍盒)。
圖2 探測(cè)范圍俯視圖Fig.1 Top view of detection range
a)三維空間D柵格化。沿著空間直角坐標(biāo)系的3個(gè)軸,分別以邊長(zhǎng)Lx、Lv和Lz將三維空間劃分為三維柵格,得到D={g(x,y,z)|x∈[1,l/Lx],y∈[1,w/Lv],z∈[1,h/Lz]};其中g(shù)(x,y,z)為柵格標(biāo)識(shí),w、l和h分別為三維空間D的長(zhǎng)、寬、高。根據(jù)疊加分析,記錄各建筑物所占據(jù)的柵格標(biāo)識(shí)。
b)加速結(jié)構(gòu)建立。加速結(jié)構(gòu)有多種,如均勻柵格、KD樹(shù)等。均勻柵格是一種空間剖分技術(shù),將整個(gè)探測(cè)區(qū)域D以邊長(zhǎng)L劃分為均勻三維柵格,得到D={A(x,y,z)|x∈[1,l/L],y∈[1,w/L],z∈[1,h/L]};
其中,A(x,y,z)為均勻柵格標(biāo)識(shí)。根據(jù)疊加分析,記錄位于各均勻柵格內(nèi)的建筑物標(biāo)識(shí)。
c)道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建。對(duì)原始地圖中的道路數(shù)據(jù)即線要素進(jìn)行處理,按道路交叉口將道路分割,以建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系G(V,E),其中,V為道路交叉口,E為各路段。分割步驟如下[16]:
步驟1,從數(shù)字地圖中提取所有道路,存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,道路總數(shù)為r;
步驟2,查看第1條路與其余r-1條路的相交情況,在交點(diǎn)處剪斷,記錄該交點(diǎn)以及及剪斷后的各路段;
步驟3,依次查看第i條路與其余r-i條路的相交情況,在交點(diǎn)處剪斷,記錄該交點(diǎn)以及剪斷后的各路段。
針對(duì)路測(cè)信號(hào)強(qiáng)度序列{P1,P2,…,Pm},根據(jù)啟發(fā)式分割算法提取突變點(diǎn),進(jìn)而分段,其中,m為路測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù),Pi為信號(hào)場(chǎng)強(qiáng),i∈[1,m]。
設(shè)位置點(diǎn)序列{P1,P2,…,Pm},啟發(fā)式分割算法提取突變點(diǎn)步驟如下:
步驟1,依次計(jì)算各點(diǎn)Pi(i∈[2,m-1])在序列中左邊部分和右邊部分的均值ul和ur,標(biāo)準(zhǔn)差sl和sr,則點(diǎn)Pi的合并偏差
(1)
式中:nl為點(diǎn)Pi左邊部分的點(diǎn)數(shù),nr為Pi右邊部分的點(diǎn)數(shù)。
步驟2,根據(jù)公式(2),使用t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值T表示點(diǎn)Pi左右兩部分的差異,T值越大,當(dāng)前點(diǎn)左右兩部分的均值相差越大。
(2)
對(duì)序列中的每個(gè)點(diǎn)重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程,得到與Pi一一對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值序列T。
步驟3,計(jì)算T中的最大值Tmax的統(tǒng)計(jì)顯著性。
步驟4,設(shè)定一個(gè)臨界值P0,如果T中的最大值Tmax的統(tǒng)計(jì)顯著性大于P0,則當(dāng)前點(diǎn)為突變點(diǎn),將序列分割為2段,否則不分割。
步驟5,對(duì)新得到的2個(gè)序列重復(fù)上述操作,直到子序列不可再分割,即序列長(zhǎng)度小于或等于l0;一般來(lái)說(shuō),l0≥25,P0可取0.5~0.95。
對(duì)分段后的路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提取每段的路測(cè)數(shù)據(jù)特征(如單調(diào)性、平坦性等),利用最小二乘線性擬合對(duì)各段路測(cè)的信號(hào)走勢(shì)進(jìn)行擬合。
對(duì)路測(cè)分段和特征提取后,可根據(jù)各段路測(cè)強(qiáng)弱的變化特征,結(jié)合地形地物,采用啟發(fā)式規(guī)則對(duì)干擾源區(qū)域進(jìn)行推斷。
2.4.1 規(guī)則1—基于路測(cè)單調(diào)性推理
根據(jù)單調(diào)性較明顯的路測(cè)確定干擾源可能區(qū)域(圖3中陰影部分),箭頭指向?yàn)槁窚y(cè)單調(diào)上升方向,根據(jù)路測(cè)單調(diào)性所圍成的空間為干擾源可能區(qū)域。該步驟中,需要判斷各不等式線性方程組是否有解,即線性不等式圍成的凸空間是否為空[26],方法如下。
設(shè)線性不等式組為
(3)
圖3 根據(jù)單調(diào)性所圍區(qū)域Fig.3 Regions based on monotonicity
2.4.2 規(guī)則2—基于路測(cè)強(qiáng)信號(hào)段推理
當(dāng)單調(diào)性不明顯時(shí),可視為平坦部分,若中間部分場(chǎng)強(qiáng)明顯高于兩端,則可視為強(qiáng)信號(hào)段。如圖4所示,整條路測(cè)被分為3段,即e、f和g段,f段場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)(實(shí)心粗線表示),e、g兩段場(chǎng)強(qiáng)較弱,(虛線表示),且3段的單調(diào)性都較弱;則干擾源搜索區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形范圍內(nèi),其寬度為2d,長(zhǎng)度為場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)路段的長(zhǎng)度。
圖4 基于路測(cè)強(qiáng)信號(hào)段推理Fig.4 Circuit-based reasoning for strong signal segments
2.4.3 規(guī)則3—基于路測(cè)強(qiáng)弱信號(hào)交錯(cuò)情況推理
由于建筑物遮擋,有的路段有直射信號(hào),接收信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)(圖5中粗實(shí)線);而有的路段無(wú)直射信號(hào),其信號(hào)強(qiáng)度由信號(hào)反射、繞射形成,場(chǎng)強(qiáng)較弱(圖5中虛線)。因而,可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度與是否有信號(hào)直射路徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)反推干擾源的可能位置。圖5中s代表處于直射信號(hào)的點(diǎn),w代表處于無(wú)直射信號(hào)的點(diǎn)。
圖5 基于波谷、波峰交錯(cuò)情況推理
Fig.5 Inference based on trough and wave peakstaggered condition
2.4.4 規(guī)則組合
圖6 規(guī)則組合Fig.6 Combination of rules
當(dāng)?shù)玫降母蓴_源區(qū)域過(guò)大,或未能得到一個(gè)有效區(qū)域時(shí)(如圖7所示),區(qū)域Z1、Z2、Z3和Z4均未形成重疊區(qū)域,需對(duì)其包圍區(qū)域Q進(jìn)行再次路徑規(guī)劃,并再次運(yùn)用啟發(fā)式規(guī)則重新確定干擾源搜索區(qū)域。
圖7 干擾搜索區(qū)域Fig.7 Interference searching area
在干擾源候選位置設(shè)置虛擬干擾源,利用射線跟蹤模型進(jìn)行室外覆蓋分析,得到虛擬干擾源在路測(cè)區(qū)域的干擾分布情況,具體流程如圖8所示。
圖8 射線跟蹤流程Fig.8 Ray tracing flow chart
基于正向射線跟蹤,對(duì)各候選位置進(jìn)行評(píng)估,將正向射線跟蹤所得路測(cè)與實(shí)際路測(cè)的去均值歐氏距離值最小位置作為最終干擾源所在位置。
為消除射線正向跟蹤所得路測(cè)對(duì)發(fā)射功率的敏感性,采用去均值歐氏距離評(píng)價(jià)方式[3],描述如下:
對(duì)于2個(gè)n維向量x和y:
(4)
則x和y的去均值歐氏距離
(5)
在各可能的干擾源位置進(jìn)行正向射線跟蹤,得到路測(cè)結(jié)果向量,與實(shí)際路測(cè)向量求去均值歐氏距離,結(jié)果最小的位置作為最終干擾源位置。
利用覆蓋干擾源搜索范圍、表示為離散形式的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)點(diǎn)集,去除點(diǎn)集中位于同一線段上或位于同一平面內(nèi)的冗余點(diǎn),提取點(diǎn)集中的地形特征點(diǎn),針對(duì)地形特征點(diǎn)進(jìn)行三角剖分,得到描述地形的矢量化的不規(guī)則三角網(wǎng)。從三角網(wǎng)中提取影響無(wú)線信號(hào)傳播的不平坦、凸起的地形對(duì)象,如坡地、丘陵、高地。地形建模結(jié)果如圖9所示。
圖9 地形建模Fig.9 Terrain modeling
在干擾分析定位過(guò)程中,采用最短路徑算法規(guī)劃路測(cè)軌跡。利用電子地圖提供的覆蓋區(qū)域內(nèi)的道路信息,構(gòu)造道路/路網(wǎng)拓?fù)淠P停鐖D10所示。圖10中的點(diǎn)為道路交叉路口,在大小為(7 915×9 285)m2的搜索區(qū)域內(nèi),有832條路、1 518個(gè)交叉路口;構(gòu)造出的拓?fù)淠P陀? 518個(gè)頂點(diǎn)、3 017條邊,對(duì)應(yīng)3 017個(gè)路段。
圖10 局部道路拓?fù)渚W(wǎng)Fig.10 Local road topology network
圖11所示為初始干擾區(qū)域,圖中干擾區(qū)域的大小為(3 162×5 866)m2。
為選出最終干擾源位置,需對(duì)利用啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)一步壓縮后滿足要求的干擾源區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估,以確定最終干擾源位置。干擾源候選位置評(píng)估結(jié)果如圖12點(diǎn)K1—K3所示,其與實(shí)際干擾源T之間的差距見(jiàn)表1。
圖11 初始干擾區(qū)域Fig.11 Initial interference region
圖12 干擾源候選位置評(píng)估結(jié)果Fig.12 Evaluation results of candidate positions of interference sources
/m/mT(668 400,3 545 720,30)(185,110,2)K1(668 336,3 545 716,20)(182,110,1)6441065K2(668 336,3 545 711,20)(182,109,1)6491065K3(668 331,3 545 716,20)(182,110,1)6991070
本文針對(duì)多個(gè)處于干擾范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)終端,根據(jù)這些終端的位置和受到干擾時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度變化,采用正向/反向三維射線跟蹤模型,依據(jù)干擾源定位啟發(fā)式業(yè)務(wù)邏輯,分析干擾信號(hào)的傳播路徑,定位排查可能的干擾源位置,為電力無(wú)線專網(wǎng)網(wǎng)外干擾分析定位排查提供技術(shù)支持和方法論指導(dǎo)。同時(shí),未來(lái)可以進(jìn)一步考慮在覆蓋范圍差別較大的基站中的研究。電力無(wú)線專網(wǎng)網(wǎng)外干擾源故障跟蹤定位的方法的研究為電力終端通信接入網(wǎng)的統(tǒng)一建設(shè)提供了技術(shù)支撐,為L(zhǎng)TE電力無(wú)線專網(wǎng)的推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。