4G電力無(wú)線專網(wǎng)雙層冗余覆蓋方案研究

彭 艷，彭雄根（.綠地集團(tuán)江蘇事業(yè)部，江蘇南京 00；.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 009）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)從國(guó)家層面積極推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”在電力行業(yè)的落地，支撐智能電網(wǎng)的全面建設(shè)。2015 年7 月，國(guó)務(wù)院頒布了《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》，明確提出要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)能源系統(tǒng)扁平化，推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)模式革命；國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局相繼聯(lián)合頒布了《關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出發(fā)展智能電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源生產(chǎn)、消費(fèi)、技術(shù)和體制革命的重要手段，是發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。

從電力行業(yè)自身業(yè)務(wù)來(lái)看，國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)檢［2017］6 號(hào)文中規(guī)定，配電自動(dòng)化三遙終端原則上以電力光纖通信為主，對(duì)于不具備電力光纖通信條件的末梢配電終端，采用無(wú)線專網(wǎng)通信方式，禁止使用無(wú)線公網(wǎng)承載控制功能；精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)要求毫秒級(jí)控制，采用專用通道，下行無(wú)線通道時(shí)延小于50 ms，禁止使用無(wú)線公網(wǎng)承載控制功能。因此，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)，配電自動(dòng)化、負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)迫切需求解決“最后一公里”的通信接入問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)“安全、智能、泛在、柔性”接入。

從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工程等多個(gè)角度綜合分析，光纖網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠、帶寬高，是電力通信接入網(wǎng)不可或缺的重要組成部分，但其具有建設(shè)難度大、投資高、維護(hù)困難等特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋，也不能支持移動(dòng)應(yīng)用。4G 作為新一代無(wú)線通信的演進(jìn)技術(shù)，它采用了OFDM、MIMO、64QAM 等關(guān)鍵技術(shù)和扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；4G也是一種安全性很高的技術(shù)，北京、南京已經(jīng)全面建成4G 無(wú)線政務(wù)專網(wǎng)，充分驗(yàn)證了4G 專網(wǎng)的安全性和可靠性。因此4G 高帶寬、低時(shí)延、高安全性等性能可有效滿足智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)及控制類業(yè)務(wù)的安全接入需求。

但是，4G 專網(wǎng)本質(zhì)上是屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和接入等指標(biāo)均為概率指標(biāo)，其可靠接入的程度還是無(wú)法真正和光纖接入相比。尤其是在基站出現(xiàn)故障的時(shí)候，需要考慮采用一些輔助的方式來(lái)保證系統(tǒng)接入的可靠性。配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等主體控制類業(yè)務(wù)雖然對(duì)可靠性要求較高，但對(duì)接入業(yè)務(wù)速率要求很低，而雙層冗余覆蓋方案能夠在基站出現(xiàn)故障的時(shí)候，在可靠性和接入帶寬之間進(jìn)行折中，基本滿足控制類業(yè)務(wù)的需求。

1 雙層冗余覆蓋概述

1.1 需求分析

由于應(yīng)用的針對(duì)性和特殊性，多數(shù)行業(yè)的4G無(wú)線專網(wǎng)一般只考慮室外薄覆蓋，不需要考慮深度覆蓋問(wèn)題，如南京4G 無(wú)線政務(wù)專網(wǎng)只考慮城市道路的覆蓋，江蘇海事4G 無(wú)線專網(wǎng)只考慮長(zhǎng)江航道的覆蓋。電力4G無(wú)線專網(wǎng)與其他無(wú)線專網(wǎng)相比有其相同點(diǎn)，也有其特殊性。相同點(diǎn)為電力4G 無(wú)線專網(wǎng)也只需要考慮室外覆蓋，即使有很多終端位于封閉或半封閉的室內(nèi)環(huán)境中，但因?yàn)槠浣K端位置的固定性，一般通過(guò)CPE 將室外信號(hào)引入室內(nèi)進(jìn)行覆蓋；特殊性在于：電力業(yè)務(wù)中的配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)對(duì)可靠性和安全性要求高，控制類業(yè)務(wù)可能受系統(tǒng)檢修、故障影響，薄覆蓋網(wǎng)絡(luò)一般無(wú)法滿足其業(yè)務(wù)需求。

1.2 基本原理

雙層冗余覆蓋的思路是確?？刂祁悷o(wú)線終端可被2層信號(hào)覆蓋，當(dāng)某個(gè)基站故障或檢修時(shí)，終端可以快速切換到鄰近基站，業(yè)務(wù)將不受影響（見圖1）。

圖1 雙層冗余覆蓋示意圖

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)《電力無(wú)線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW 11664-2017），電力4G無(wú)線專網(wǎng)一般是按RSRP＞-115 dBm，RS-SINR＞-3 dB 進(jìn)行規(guī)劃。在控制類業(yè)務(wù)較集中的區(qū)域采用雙層冗余覆蓋方案，意味著區(qū)域內(nèi)的控制類業(yè)務(wù)終端至少能收到2 個(gè)RSRP＞-115 dBm 的基站信號(hào)，覆蓋標(biāo)準(zhǔn)更高。由于RSRP 信號(hào)的重疊覆蓋，對(duì)同頻組網(wǎng)的4G 系統(tǒng)而言，是否有很嚴(yán)重的同頻干擾？下面主要從2個(gè)方面來(lái)分析。

a）所有基站正常工作，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞。電信運(yùn)營(yíng)商在規(guī)模部署4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一般是按RSRP＞-105 dBm 或RSRP＞-100 dBm 進(jìn)行規(guī)劃，城區(qū)基站覆蓋半徑一般為200～500 m。從組網(wǎng)的實(shí)際性能看，并不存在嚴(yán)重的同頻干擾問(wèn)題。而電力4G 無(wú)線專網(wǎng)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)比公網(wǎng)低，城區(qū)基站覆蓋半徑在900 m 及以上，同頻干擾程度不會(huì)比運(yùn)營(yíng)商大。而且，雙層冗余覆蓋方案中，如果覆蓋標(biāo)準(zhǔn)是RSRP＞-115 dBm，重疊覆蓋比例很高；但如果覆蓋標(biāo)準(zhǔn)是RSRP＞-105 dBm，重疊覆蓋比例會(huì)下降很多，這種相對(duì)性也決定了采用雙層冗余覆蓋方案的電力4G無(wú)線專網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)一樣，一般不存在嚴(yán)重的同頻干擾問(wèn)題。

b）當(dāng)某個(gè)基站因故障或檢修導(dǎo)致服務(wù)中斷，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞。由于蜂窩結(jié)構(gòu)遭到了破壞，覆蓋的部分區(qū)域?qū)⒖赡軙?huì)出現(xiàn)諸如無(wú)主導(dǎo)頻的問(wèn)題，下面將基于該問(wèn)題，進(jìn)行定量分析和仿真驗(yàn)證。

1.3 方案特點(diǎn)

1.3.1 方案應(yīng)用的針對(duì)性

因電力行業(yè)智能電網(wǎng)的推進(jìn)和建設(shè)，國(guó)家電網(wǎng)等公司將配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)的可靠性和安全性提到很高的水平。雙層冗余覆蓋方案雖然在網(wǎng)絡(luò)側(cè)沒(méi)有革新，但在業(yè)務(wù)的保障上是一種切實(shí)可行的針對(duì)性方案，基本能夠保證當(dāng)某個(gè)基站因故障或檢修導(dǎo)致服務(wù)中斷時(shí)，控制類終端能夠快速接入到其他基站，滿足其基本的接入需求。

1.3.2 覆蓋范圍的區(qū)域性

從某地（市）配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)的分布情況看，固定的業(yè)務(wù)終端主要分布在城區(qū)和郊區(qū)（供電負(fù)荷在C 類及以上地區(qū)），具有分布的大區(qū)域性，其中，精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)主要分布在主城區(qū)，配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)主要分布在主城區(qū)、開發(fā)區(qū)、工業(yè)園等。因此雙層冗余覆蓋方案的應(yīng)用范圍主要是在主城區(qū)和郊區(qū)。

1.3.3 保障網(wǎng)絡(luò)可靠性的應(yīng)急預(yù)案

個(gè)別基站服務(wù)中斷后，故障的恢復(fù)或其他基站工參的調(diào)整往往需要較長(zhǎng)時(shí)間。雙層冗余覆蓋方案旨在解決控制類終端在基站服務(wù)中斷過(guò)程中的可靠接入問(wèn)題，是一種針對(duì)基站故障問(wèn)題的有效應(yīng)急預(yù)案。

2 雙層冗余覆蓋干擾分析

2.1 總體說(shuō)明

評(píng)估網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，需要同時(shí)考慮RSRP、RSSINR等指標(biāo)。

RSRP：在3GPP 協(xié)議中，RSRP 定義為在考慮測(cè)量頻帶上，承載小區(qū)專屬參考信號(hào)的資源粒子（RE）的功率貢獻(xiàn)的線性平均值，可以認(rèn)為RSRP 代表了每個(gè)子載波的功率大小，它是作為小區(qū)選擇的判據(jù)。但它是RE級(jí)別的功率，一般為-70～-120 dBm。

RS-SINR：RS-SINR 在終端定義為RS 有用信號(hào)與干擾的比值，它沒(méi)有在3GPP 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。SINR 代表業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量，直接決定了業(yè)務(wù)速率。因RS-SINR與SINR 之間有極強(qiáng)的聯(lián)動(dòng)性，可以作為CQI反饋的依據(jù)，在業(yè)務(wù)調(diào)度中發(fā)揮作用。不同的CQI 對(duì)應(yīng)不同的MCS 和SINR 門限，最低階的CQI（=1）等效SNR 閾值（BLER=10%條件下）為-6～-7 dB，低于該值，接收機(jī)無(wú)法解調(diào)的概率很大，或者即使能解調(diào)，但業(yè)務(wù)接入的穩(wěn)定性也得不到保障。

雖然電力無(wú)線專網(wǎng)以RS-SINR＞-3 dB 進(jìn)行規(guī)劃，但控制類業(yè)務(wù)帶寬要求低，根據(jù)CQI 與MCS 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最低階CQI 也能實(shí)現(xiàn)單RB 超過(guò)20 kbit/s 的速率。因此，在評(píng)估雙層冗余覆蓋方案是否能滿足低帶寬控制類業(yè)務(wù)需求時(shí)，可以將RS-SINR 的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下降到-6 dB左右。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并非標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)基站的斷開都是一個(gè)特例，并不具備代表性。下面將用標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)替代實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。

相關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

站間距：1 500 m（小區(qū)覆蓋半徑1 000 m，參考某地（市）電力公司無(wú)線專網(wǎng)鏈路預(yù)算（見表1））。

表1 某地（市）電力公司無(wú)線專網(wǎng)鏈路預(yù)算

傳播模型：Cost231-HATA模型（城區(qū)）。

系統(tǒng)頻率：1 790～1 800 MHz。

時(shí)隙配置：UL∶DL=3∶1。

上行邊緣速率：128 kbit/s。

其他參數(shù)與某地（市）電力公司規(guī)劃參數(shù)一致。

2.2 面覆蓋場(chǎng)景

如圖2所示，某一基站斷開前：標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)面覆蓋場(chǎng)景中，干擾嚴(yán)重的區(qū)域一般位于3 個(gè)小區(qū)的交界處，如A、B。A處：較強(qiáng)信號(hào)為1、3、5，次強(qiáng)信號(hào)主要為2、4、6，其他信號(hào)相對(duì)更弱。B 處：較強(qiáng)信號(hào)為3、4、5，次強(qiáng)信號(hào)主要為1、7，其他信號(hào)相對(duì)更弱。

某一基站斷開后：干擾最嚴(yán)重的區(qū)域轉(zhuǎn)移至斷開基站所在的位置C 處。該位置較強(qiáng)信號(hào)為5、9、12，次強(qiáng)信號(hào)主要為1、2、7、8、10、11，次強(qiáng)信號(hào)個(gè)數(shù)相對(duì)斷開前有增加，其他信號(hào)相對(duì)更弱。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)面覆蓋場(chǎng)景干擾的分析

因此，某一基站斷開前后，根據(jù)較強(qiáng)信號(hào)和次強(qiáng)信號(hào)的個(gè)數(shù)，可以定性認(rèn)為：該基站所在區(qū)域（C 處）的干擾比原網(wǎng)絡(luò)干擾嚴(yán)重的區(qū)域（A、B等處）還要強(qiáng)。

2.3 線覆蓋場(chǎng)景

如圖3所示，某一基站斷開前：標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)線覆蓋場(chǎng)景中，干擾嚴(yán)重的區(qū)域一般位于3 個(gè)小區(qū)的交界處。如A、B 處：A 處較強(qiáng)信號(hào)為1、2、3，B 處較強(qiáng)信號(hào)為4、5、6，次強(qiáng)信號(hào)主要為2、4、6，其他信號(hào)相對(duì)更弱。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)線覆蓋場(chǎng)景干擾的分析

某一基站斷開后：原來(lái)A、B 兩處干擾嚴(yán)重的區(qū)域轉(zhuǎn)移至斷開基站附近的位置C 處。該位置C 處較強(qiáng)信號(hào)為1、5、6，其他信號(hào)相對(duì)更弱。

3 雙層冗余覆蓋仿真驗(yàn)證

3.1 面覆蓋場(chǎng)景

根據(jù)各基站服務(wù)小區(qū)范圍的預(yù)測(cè)，某一基站斷開后，3個(gè)強(qiáng)信號(hào)和6個(gè)次強(qiáng)信號(hào)匯聚于斷開基站的所在區(qū)域，如圖4所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，滿足RSRP≥-115 dBm 的重疊覆蓋小區(qū)個(gè)數(shù)不低于4個(gè)的面積覆蓋率為100%，滿足RSRP≥-115 dBm的重疊覆蓋小區(qū)個(gè)數(shù)不低于1 個(gè)的面積覆蓋率的要求。因此，面覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，通常RSRP 屬于過(guò)覆蓋，某一基站斷開后，一般會(huì)有其他基站的RSRP 在該基站處能滿足RSRP≥-115 dBm的要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)的面覆蓋場(chǎng)景服務(wù)小區(qū)分布圖

如圖5所示，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，RS-SINR≥-6 dB 的覆蓋率降低不到20 個(gè)百分點(diǎn)，但該基站與周邊一圈基站原有的小區(qū)交匯處，RSSINR有所改善。

因此，面覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，某一基站斷開后，區(qū)域的RS-SINR 分布發(fā)生變化，有部分區(qū)域會(huì)降低到接收機(jī)解調(diào)門限以下，雙層冗余覆蓋效果還需要附加其他措施來(lái)保證。

3.2 線覆蓋場(chǎng)景

根據(jù)各基站服務(wù)小區(qū)范圍的預(yù)測(cè)，某一基站斷開后，3個(gè)強(qiáng)信號(hào)匯聚于斷開基站所在區(qū)域，如圖6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，滿足RSRP≥-115 dBm 的重疊覆蓋小區(qū)個(gè)數(shù)不低于1個(gè)的面積覆蓋率為100%，滿足RSRP≥-105 dBm的重疊小區(qū)個(gè)數(shù)不低于1個(gè)的面積覆蓋率下降32.6個(gè)百分點(diǎn)。

線覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，某一基站斷開后，一般會(huì)有其他基站的RSRP在該基站處能滿足RSRP≥-115 dBm的要求。

如圖7所示，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，RS-SINR≥-6 dB的覆蓋率基本維持不變，和前述理論分析結(jié)果一致。線覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，某一基站斷開后，區(qū)域內(nèi)RS-SINR 的覆蓋率能夠滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求，雙層冗余覆蓋有效。

4 雙層冗余覆蓋效果及保障方案

4.1 覆蓋效果

圖5 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)的面覆蓋場(chǎng)景RS-SINR分布

圖6 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)的線覆蓋場(chǎng)景服務(wù)小區(qū)分布圖

綜上所述，應(yīng)用于4G電力無(wú)線專網(wǎng)中的雙層冗余覆蓋方案，因場(chǎng)景不同，覆蓋效果也不同。對(duì)于面覆蓋場(chǎng)景，某一基站斷開后，斷開基站附近區(qū)域主要干擾信號(hào)數(shù)量發(fā)生改變，該基站部分覆蓋區(qū)域內(nèi)的RSSINR 下降較為明顯，并集中在該基站附近，雙層冗余覆蓋效果還需要附加其他措施來(lái)保證；對(duì)于線覆蓋場(chǎng)景，某一基站斷開后，斷開基站附近區(qū)域內(nèi)主要干擾信號(hào)數(shù)量并未發(fā)生明顯改變，RS-SINR 的覆蓋率能夠滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求，雙層冗余覆蓋有效。

但是，由于控制類終端業(yè)務(wù)帶寬要求較低，可靠性要求較高，只需要解決終端接入的可靠性問(wèn)題，就基本能滿足控制類業(yè)務(wù)的要求。

4.2 保障方案

4.2.1 控制類終端采用定向天線

基站斷開后，定向接收天線可以降低落入接收機(jī)的干擾信號(hào)強(qiáng)度，在性能嚴(yán)重惡化的區(qū)域RS-SINR 將有2～3 dB的增益，有超過(guò)10%面積的RS-SINR 提升到解調(diào)門限值以上，意味著有90%以上的區(qū)域RS-SINR將超過(guò)最低解調(diào)門限，控制類業(yè)務(wù)基本能夠成功接入。但是，采用定向天線是以降低基站斷開前終端接收信號(hào)信噪比為代價(jià)的。

4.2.2 加強(qiáng)設(shè)備級(jí)的可靠性

主設(shè)備可靠性。為了提高基站主設(shè)備的可靠性，可對(duì)基站主設(shè)備的關(guān)鍵部件按1+1主備配置。

電源設(shè)備可靠性。電力無(wú)線專網(wǎng)基站主要選址于自有變電站、辦公樓或營(yíng)業(yè)部等自有物業(yè)，位于變電站的基站，電源供應(yīng)一般具有較高的可靠性，可根據(jù)變電站機(jī)房現(xiàn)有電源的條件，增加DC/DC 變換器和AC/DC變換器等；位于辦公樓與營(yíng)業(yè)部的基站，供電方式可參考運(yùn)營(yíng)商的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在上述基礎(chǔ)上，配置蓄電池，避免因市電的突發(fā)性中斷帶來(lái)的影響。

傳輸可靠性。不管是突發(fā)性的光纜線路阻斷還是光纖鏈路阻斷，或是進(jìn)行光纜割接，都可能會(huì)造成明顯的通信中斷，造成不同嚴(yán)重程度的影響。為了提高傳輸?shù)目煽啃?，?duì)重要傳輸光纜線路建議采用雙路由的方案。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)的線覆蓋場(chǎng)景RS-SINR分布

4.2.3 應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制

基站斷開后，雙層冗余覆蓋方案只能解決控制類終端的基本接入問(wèn)題，若要對(duì)控制類終端提供更可靠的保障，還需要參考運(yùn)營(yíng)商的保障措施，加大基站斷開后的應(yīng)急保障力量的投入：成立網(wǎng)絡(luò)維護(hù)部門，完善應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)無(wú)線專網(wǎng)的維護(hù)，遇到火災(zāi)、自然災(zāi)害、意外情況等造成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中斷的緊急事件時(shí)，應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制能夠迅速啟動(dòng)，縮短搶修時(shí)間，盡可能降低對(duì)業(yè)務(wù)的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于薄覆蓋的4G無(wú)線專網(wǎng)無(wú)法滿足配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)的可靠性要求，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，可考慮采用雙層冗余覆蓋方案，解決因單個(gè)基站故障或檢修時(shí)控制類業(yè)務(wù)終端無(wú)法接入的問(wèn)題。但雙層冗余覆蓋方案因場(chǎng)景不同，覆蓋效果也不同。本文基于面覆蓋和線覆蓋場(chǎng)景，研究和驗(yàn)證了針對(duì)控制類業(yè)務(wù)的雙層冗余覆蓋方案的效果，并針對(duì)雙層冗余覆蓋方案的不足，提出了相應(yīng)的保障方案和建議。