衷宇清1,王 敏1,孙 颖1,王 浩1,陈永涛1,谢 凯2,余晓东2
(1. 广州供电局有限公司,广东 广州 510620;2. 普天信息技术有限公司,北京 100080)
摘 要: TD-LTE无线宽带通信技术已在电力行业大规模应用,用于承载配电网通信系统的计量、配电自动化业务,该技术在工程实施过程中时常遇到诸如地下室、楼宇死角等区域信号难以覆盖的问题,导致这些区域里电房的计量、配电终端无法实现自动化。本文介绍了一种工作在开放频段的无线中继系统设计方案,相关产品已批量应用到TD-LTE230无线宽带通信网络中,有效解决了无线网络信号盲区难以覆盖的问题,该方案通过技术经济测算也具有可推广价值。
关键词: TD-LTE;无线中继系统;信号盲区;计量自动化;配电自动化
0 引言
第四代移动通信系统LTE是国际主流开发的通信系统,TD-LTE230电力无线通信系统(简称“LTE230”)是以第四代移动通信技术为基础,结合电力已有的230 MHz频谱资源为电力系统提供高性能的无线通信专网解决方案,满足坚强电网的通信和信息化发展需求。该系统在广州花都区大规模应用过程中,常遇到居民小区、大型写字楼或者商场内部的地下室、楼宇死角等信号盲区无法覆盖的难题。
目前,对于信号盲区多采用终端天线拉远或者终端拉远方式进行解决,但方案存在拉远距离近、施工量大、物业协调困难等问题。在这种情况下,本文提出一种基于开放频段的无线中继系统解决方案。
1 无线中继系统解决方案
1.1 LTE230系统介绍
LTE230系统是针对电力行业无线通信应用需求,基于OFDM、自适应编码调制、自适应重传等LTE核心技术,使用电力行业在230MHz频段已有授权频谱资源研发的无线数据通信系统,支持包括用电信息采集、配电自动化、视频传输等电力业务,并能根据电力用户需求不断进行改进与定制。该系统具有广覆盖、海量用户、高可靠性、高速率传输、实时性强、安全性强、频谱适应性强等特点。LTE230网络拓扑结构图如图1所示。
1.2 无线中继系统介绍
无线中继系统工作在开放频段,基于ZigBee无线技术,具备自组网能力,支持多跳传输。该系统的主要设计指标是能与远距离传输的LTE230终端通信模块配套使用,解决LTE230电力无线专网在大面积覆盖时遇到的地下室、楼宇死角等信号覆盖差的问题。无线中继系统与LTE230系统组网方案如图2所示。
无线中继系统与LTE230系统的组网方案具有以下特点:
(1)视距1 200 m;
(2)Mesh网络;
(3)开放频段,抗干扰能力强;
(4)支持多跳。
1.2.1 总体设计
(1)网络拓扑图
无线中继系统支持自组网,支持mesh网络,任意节点都可以互相通信,支持多跳传输,最终通过AP连接外网。网络拓扑图如图3所示。
(2)网络层次架构
无线中继系统采用四层网络架构,分别为物理层(PHY)、媒介访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APP)。如图4所示。
1.2.2 系统组成
整个无线中继系统由接入点(AP)、终端节点(ED)两部分组成,内含嵌入式模块,其中AP负责远距离LTE230信号与无线中继系统近距离信号的转换;ED负责与电力行业终端(计量自动化、配电自动化终端)进行对接。
(1)接入点(AP)
接入点AP负责远距离LTE230信号与无线中继系统近距离信号的转换,同时支持LTE230网络和无线中继系统近距离通信网络,该设备符合IP65防护等级支持室外安装。该设备主要安装在建筑物外或楼体间的入口等LTE230信号较好的区域,用于接收LTE230的信号,并转化为无线中继系统信号,与地下室内的其他无线中继系统设备通信。
(2)终端节点(ED)
终端节点负责最后与电力终端进行对接,将电力终端信号转换为无线中继系统信号,该终端体积小,功耗低,便于安装,支持串口传输,采用24 V供电方式。
(3)电源系统
从实际应用环境来看,无线中继系统在多数情况下,需要安装在居民楼、大型楼宇等地点,需要与第三方物业进行协调获准后方可进行安装。特别是取电问题是方案是否可行的关键。
接入点AP采用220 V交流供电加备用锂电池的方式。220 V交流电通过地下室或楼体间内的应急供电系统或者楼梯间照明系统进行供电。
考虑到楼道内部供电可靠性不高,设备内部增加了锂电池供电模块,当外部电源稳定时系统正常工作,同时锂电池进行充电,当外部电源故障后,锂电池进行供电,可维持系统正常运行4~5天。接入点AP的内部结构如图5所示。
1.2.3 技术指标
无线中继系统技术指标如表1所示。
2 无线中继系统现网应用情况
2.1 地下室覆盖测试
2.1.1 现场环境
某小区电房在地下车库,从电房到车库入口非直视路径距离约30多米,虽然在LTE230基站覆盖范围内,但是由于距离地面较远,LTE230信号无法覆盖。
2.1.2 系统安装
地下室离地面距离较远,但中间没有多道墙体和门体阻隔,通过现场信号测试,采用一个接入点AP就可将LTE230信号延伸覆盖至电房。无线中继系统接入点AP安装现场如图6所示。
2.1.3 系统调试
首先,测试地下车库入口处230信号强度,RSRP为-95 dBm,SNR大于10 dB,满足LTE230的安装要求。
将模拟无线中继系统信号源安放于电房配变监测终端内,携带便携无线中继系统模块测试下一个接收点,对误块率进行测试。误块率低于1%的最远点就是下一个安装点。安装点主要选择在有供电,且便于解决的地方,避免对建筑物产生破坏,同时注意安装的美观性。
确定安装点后,进行设备的安装,安装完成后对天线的位置进行调整。使用专用的无线中继系统模拟信号源和监控终端对每一个终端的转发包和反馈包进行监控和匹配,如果存在丢包或反馈不正常的情况则对天线安放位置进行微调,直到数据传输正常为止。
最后,搭建模拟主站,进行LTE230 + 无线中继系统的全链路测试。从模拟主站发包进行还回测试,每包20 B,模拟主站进行接收并统计丢包率,发送1 000包,收到994包,测得丢包率小于1%。
2.2 测试结果
2.2.1 室内同层最远距离测试
测试地下室环境下无线中继系统模块一跳的覆盖距离,测试条件预置位:发射功率为50 mW,空口速率设置为19.2 kb/s,带宽设置为200 kHz,频偏设置为60 kHz,视距77 m左右。测试方案如图7所示。测试结果如表2。
2.2.2 室内隔层传输能力测试
隔层条件下,发送点位于某大厦B1层,接收点位于大厦3层,测试方案如图8所示。测试结果如表3。
2.2.3 室内隔层斜穿传输能力测试
隔层条件下(斜穿穿透方向),发送点位于大厦1层西南角,接收点位于B1层东北角(距离40 m)。室内隔层斜穿传输能力如图9所示。测试结果如表4。
2.2.4 穿门测试
发送点和接收点分别位于铁门两侧,穿门损耗为20 dBm,穿门测试方案如图10所示。
2.2.5 测试结果
在丢包率小于2%的情况下测试结果如表5。
(1)通过无线中继系统无线转接,仅通过一跳将LTE230终端从地下室转地面门口处,信号强度从-125 dBm提升到-103 dBm实现了地下室测试效果;
(2)无线中继系统信号穿透能力、绕射能力强,信号稳定,丢包率低;
(3)接入点AP,利用楼梯口的应急灯进行取电,顺利解决了安装取电的问题,
(4)接口联通顺畅,安装简洁。
2.2.6 系统优点总结
基于开放频段的无线中继系统通信方案具有以下优点:
(1)采用受保护频段,干扰相对较少;
(2)采用无线中继方式,避免了拉线等施工难题,对物业破坏小,物业协调简单;
(3)支持220 V市电,并备有应急锂电池,电源供应稳定可靠,容灾性强;
(4)无线传输支持HARQ等重传机制,保证系统传输质量。
3 结论
无线中继系统的设计研发解决了LTE230无线宽带通信系统信号盲区的覆盖问题,多数情况下,无线中继系统仅需要“一跳”即可以实现无线信号的转接,网元增加量少,后续LTE230网管系统将增加对无线中继系统终端的网络管理功能,无线中继系统设备是否故障在网管中心一目了然,大大减小了系统维护的复杂度。
通过现网运行测试显示无线中继系统稳定,能够满足计量自动化、配电自动化业务的承载需求。作为对LTE230系统信号覆盖重要的补充手段,无线中继系统免去布线的复杂工作量,简单易行,经济效益也较天线拉远等方式明显,可做为配电通信网建设中信号的计量中继、配电中继推广应用。
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