電力無線專網(wǎng)230MHz和1800MHz關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比分析

顏軍

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)提出智能電網(wǎng)、全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)，為解決電網(wǎng)末端控制“最后一公里”的通信問題，國家電網(wǎng)選擇電力無線專網(wǎng)作為主要解決方案。電力無線專網(wǎng)具有安全可靠、實(shí)時(shí)泛在、經(jīng)濟(jì)靈活、海量連接、寬帶高速等優(yōu)點(diǎn)，這是滿足電力業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定的重要保障。

電力無線專網(wǎng)從技術(shù)體制可分為230 MHz 和1 800 MHz 兩種基于TD-LTE 的技術(shù)體制。230 MHz 目前有兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：LTE-G 230 MHz 和IoT-G 230 MHz，前者是普天提出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后者是華為提出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1 800 MHz 目前僅一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：LTE-G 1 800 MHz。

本文通過對(duì)230 MHz 和1 800 MHz 兩種技術(shù)體制從頻率、覆蓋、速率等方面進(jìn)行對(duì)比分析，分析兩種技術(shù)各自的優(yōu)劣勢，給電力無線專網(wǎng)的建設(shè)方案選型提供一定的技術(shù)參考。230 MHz 有兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇其中的LTE-G 230 MHz 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 頻率分析

（1）230 MHz 頻率

230 MHz 頻段范圍為23.025 MHz～235.000 MHz，源于《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》（國無管〔1991〕5 號(hào)）。全頻段共480個(gè)25 kHz 頻點(diǎn)，由八大行業(yè)共享，包括：地礦、電力、水利、輕工、地震、建筑、氣象以及軍隊(duì)?？紤]到電力等行業(yè)寬帶通信應(yīng)用的需求日益迫切，230 MHz 頻段專網(wǎng)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，2018 年9 月7 日，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《關(guān)于調(diào)整223-235MHz 頻段無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃的通知》（工信部無〔2018〕165 號(hào)文）。根據(jù)文件規(guī)定，允許223 MHz～226 MHz 和229 MHz～233 MHz 共7 MHz 頻段用于采用TDD 方式動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在此頻段上，國家電網(wǎng)公司通過LTE 技術(shù)與230 MHz 頻段的融合，將離散的230 MHz 頻點(diǎn)進(jìn)行載波聚合，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用。圖1 為230 MHz 頻段批復(fù)的7 MHz 帶寬頻點(diǎn)分布圖：

圖1 230 MHz頻段批復(fù)的7 MHz帶寬頻點(diǎn)分布圖

（2）1 800 MHz 頻率

1 800 MHz 頻段范圍為1 785 MHz～1 805 MHz，來自于原信息產(chǎn)業(yè)部文件《關(guān)于擴(kuò)展1800MHz 無線接入系統(tǒng)使用頻段的通知》（信部無〔2003〕408 號(hào)）。工業(yè)和信息化部2015 年2 月28 日發(fā)文《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》（工信部無〔2015〕65 號(hào)），規(guī)定用于滿足交通（城市軌道交通等）、機(jī)場、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)的應(yīng)用需求，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)分配。

1 800 MHz 頻率由各地市無線電管理處自行審批，多行業(yè)分割式占用，存在的沖突需協(xié)調(diào)解決。

（3）頻率分析

230 MHz 頻段存在的問題如下：

◆各地區(qū)數(shù)傳電臺(tái)已經(jīng)在使用的230 MHz 離散頻點(diǎn)會(huì)對(duì)230 MHz 頻段產(chǎn)生干擾。

◆批復(fù)的7 MHz 頻率中，部分頻點(diǎn)被別的行業(yè)已經(jīng)在使用，存在一定的影響。

1 800 MHz 頻段存在的問題如下：

◆1 800 MHz 頻段緊鄰LTE 公網(wǎng)，需要采取發(fā)射功率限制的手段規(guī)避對(duì)優(yōu)先級(jí)更高的公眾通信網(wǎng)的干擾，且會(huì)收到來自公網(wǎng)、偽基站的干擾，因而實(shí)際上可以利用的帶寬只有10 MHz 左右。

◆1 800 MHz 頻段是多個(gè)行業(yè)共用，行業(yè)間頻率資源競爭激烈，同頻鄰頻干擾嚴(yán)重。城市軌道交通行業(yè)、中國鐵路總公司等已在各地先行搶占，國網(wǎng)各省公司在各地獲批1 800 MHz 頻段資源的難度較大。即便獲批該段頻率，大多數(shù)地區(qū)所得帶寬可能僅為5 MHz。若僅獲批5 MHz 帶寬，與230 MHz 頻段的7 MHz 帶寬相比，不具有優(yōu)勢。

綜上所述，在頻率資源方面，230 MHz 和1 800 MHz各有優(yōu)劣。鑒于230 MHz 已經(jīng)獲得7 MHz 頻率的批復(fù)，而1 800 MHz 頻率申請(qǐng)的難度較大，且工信部《關(guān)于重新發(fā)布1785～1805MHz 頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》文中已經(jīng)明確不再審批1 800 MHz 頻段電力專網(wǎng)，建議在未獲得1 800 MHz 頻率許可的地區(qū)，電力無線專網(wǎng)優(yōu)先選用230 MHz 頻率。

2 覆蓋分析

2.1 傳播模型

230 MHz 適用Okumura-Hata 模型，公式如下：

1 800 MHz 適用Cost231-Hata 模型，公式如下：

其中，f為工作頻率（單位MHz）；Hb為基站天線掛高（單位m）；Hm為終端天線掛高（單位m）；d為終端與基站之間的距離（單位km）；a(Hm)為終端天線高度修正因子，不同場景的取值如下：

◆a(Hm)=0（Hm=1.5m）；

◆a(Hm)=8.29×[lg(1.54×Hm)]2-1.1（f≤300 MHz，密集城區(qū)）；

◆a(Hm)=3.2×[lg(11.75×Hm)]2-4.97（f＞300 MHz，密集城區(qū)）；

◆a(Hm)=(1.1×lgf-0.7)×Hm-(1.56×lgf-0.8)（一 般城區(qū)）。

C為地貌修正因子，不同場景的取值如下：

◆C（密集城區(qū)）=3；

◆C（一般城區(qū)）=0；

◆C（郊區(qū)）=-2×[lg(f/28)]2-5.4；

◆C（農(nóng)村，準(zhǔn)開闊地）=-4.78×(lgf)2+18.33×lgf-35.94；

◆C（農(nóng)村，開闊地）=-4.78×(lgf)2+18.33×lgf-40.94。

2.2 理論傳播損耗比較

在相同條件下進(jìn)行230 MHz 和1 800 MHz 理論傳播損耗的對(duì)比。

參數(shù)取定：基站天線高度Hb=30 m；終端天線高度Hm=1.5 m；終端與基站之間的距離d=3 km。

230 MHz 和1 800 MHz 對(duì)應(yīng)的理論傳播損耗如表1。表1 中，差異為正數(shù)表示230 MHz 的損耗低于1 800 MHz 的損耗，差異為負(fù)數(shù)表示230 MHz 的損耗高于1 800 MHz 的損耗。

圖2 為230 MHz 與1 800 MHz 傳播損耗比較。由于頻率的差異，在城區(qū)，1 800 MHz 傳播損耗比230 MHz大了25 dB 左右。在郊區(qū)和農(nóng)村，由于地貌修正因子的影響，兩者之間的差異有所降低，縮小到20 dB 和17.7 dB左右。

230 MHz 頻段比1 800 MHz 頻段具有明顯的覆蓋優(yōu)勢。特別是在密集城區(qū)和一般城區(qū)的環(huán)境下，由于城區(qū)的遮擋較多，230 MHz 波長較長，繞射能力強(qiáng)，覆蓋能力優(yōu)勢較為明顯；而郊區(qū)、農(nóng)村等區(qū)域遮擋比較少，二者差距相對(duì)縮小。

表1 230 MHz和1 800 MHz理論傳播損耗對(duì)比表 dB

圖2 230 MHz與1 800 MHz傳播損耗比較

通過傳播模型的公式推算，最大允許的傳播損耗（MAPL）每增加10 dB，覆蓋距離約增加一倍左右。

同等條件下，通過鏈路預(yù)算可以對(duì)230 MHz 和1 800 MHz 不同場景下的覆蓋半徑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下：

（1）在城區(qū)，230 MHz 的空間傳播損耗比1 800 MHz小25 dB 左右，覆蓋距離是1 800 MHz 的5.3 倍左右。

（2）在郊區(qū)，230 MHz 的空間傳播損耗比1 800 MHz小20 dB 左右，覆蓋距離是1 800 MHz 的3.9 倍左右。

（3）在農(nóng)村，230 MHz 的空間傳播損耗比1 800 MHz小18 dB 左右，覆蓋距離是1 800 MHz 的3.2 倍左右。

可見，同等條件下，230 MHz 的覆蓋半徑是1 800 MHz 的3～5 倍，且230 MHz 在城區(qū)覆蓋更有優(yōu)勢。

2.3 結(jié)合工程參數(shù)的比較

上面是相同條件下的覆蓋能力比較。實(shí)際工程中，230 MHz 和1 800 MHz 存在參數(shù)方面的差異，具體如表2（以密集城區(qū)為例，邊緣速率取19.2 kb/s）：

表2 230 MHz和1 800 MHz鏈路預(yù)算中工程參數(shù)差異對(duì)比表

從表2 可見，LTE-G 1 800 MHz 的發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、發(fā)射模式（4T4R）增益、SNR 解調(diào)門限均比LTE-G 230 MHz 強(qiáng)，帶來正的增益。但是LTE-G 1 800 MHz 的建筑物穿透損耗、饋線接頭損耗、噪聲帶寬也比LTE-G 230 MHz 大，帶來負(fù)的增益。綜合下來，由于工程參數(shù)的差異，在密集城區(qū)，LTE-G 1 800 MHz 比LTE-G 230 MHz增加了約10.83 dB 的增益。

考慮到傳播模型的路徑損耗差異，在密集城區(qū)，230 MHz 的路損比1 800 MHz 的路損小25.32 dB。因此，總體比較得到，在密集城區(qū)，LTE-G 230 MHz 比LTE-G 1 800 MHz 鏈路增益大25.32-10.83=14.49 dB。

上述是以密集城區(qū)為例，其余場景下也有類似的結(jié)論。

結(jié)論：

（1）由于工程參數(shù)的差異，1 800 MHz 與230 MHz 相比能帶來正的鏈路增益，覆蓋能力的差異有所降低。

（2）在城區(qū)環(huán)境下，230 MHz 的覆蓋半徑是1 800 MHz的2 至3 倍。

（3）在郊區(qū)和農(nóng)村環(huán)境下，230 MHz 的覆蓋半徑是1 800 MHz 的1 至2 倍。

2.4 結(jié)合實(shí)際現(xiàn)狀的比較

實(shí)際情況下，由于需要利舊國家電網(wǎng)公司的已有桿塔資源，不可能按照理想蜂窩結(jié)構(gòu)布點(diǎn)。考慮到帶寬需求，若230 MHz 基站覆蓋范圍太大，后期隨著接入終端數(shù)量的增加，單位面積內(nèi)的容量可能會(huì)受限，230 MHz 基站需要預(yù)先做一定的覆蓋收縮（犧牲覆蓋能力以保證后續(xù)的容量需求）。

因此，結(jié)合實(shí)際情況，通常230 MHz 的實(shí)際規(guī)劃覆蓋半徑是1 800 MHz 的1～2 倍。

2.5 覆蓋對(duì)比小結(jié)

（1）230 MHz 無線信號(hào)傳播損耗小于1 800 MHz，相同條件下，230 MHz 的覆蓋半徑是1 800 MHz 的3 倍以上。

（2）結(jié)合工程參數(shù)、地形地貌以及實(shí)際站點(diǎn)分布情況，通常230 MHz 的實(shí)際規(guī)劃覆蓋半徑是1 800 MHz 的1～2 倍。

（3）電力無線專網(wǎng)建設(shè)初期以薄覆蓋為主，需要注重投資效益，230 MHz 更適合廣覆蓋的建網(wǎng)。

3 速率分析

230 MHz 最大可使用帶寬為7 MHz，1 800 MHz 可使用帶寬為10 MHz（但大多數(shù)情況下帶寬為5 MHz）。本次以相同的5 MHz 帶寬進(jìn)行峰值速率的比較。

3.1 技術(shù)規(guī)范中峰值速率對(duì)比

電力無線專網(wǎng)技術(shù)規(guī)范中給出的峰值速率參考值如表3 所示。

LTE-G 230 MHz 只有1 種時(shí)隙配比，LTE-G 1 800 MHz有3 種時(shí)隙配比。

（1）上行速率對(duì)比

在5 MHz 帶寬下，LTE-G 230 MHz 上行峰值速率為10.30 Mb/s，高于LTE-G 1 800 MHz 的上行峰值速率7.29 Mb/s（時(shí)隙比3:1）。

表3 LTE-G 230 MHz和LTE-G 1 800 MHz理論峰值速率表

（2）下行速率對(duì)比

在5 MHz 帶寬下，LTE-G 230 MHz 下行峰值速率為5 Mb/s，低于LTE-G 1 800 MHz 的下行峰值速率。

LTE-G 1 800 MHz 下行為4T，由于MIMO 的優(yōu)勢和不同的上下行時(shí)隙配比，LTE-G 1 800 MHz 下行峰值速率遠(yuǎn)大于LTE-G 230 MHz。

3.2 理論計(jì)算的峰值速率對(duì)比

根據(jù)兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理論峰值速率的計(jì)算，峰值速率的計(jì)算公式為：峰值速率=TBSize/TTI。

（1）230 MHz 峰值速率計(jì)算

對(duì)于230 MHz，上行和下行對(duì)應(yīng)不同的TBS 表格，分別進(jìn)行查表計(jì)算。

在5 MHz 帶寬下，通過查表tbs_table_ul，可獲得TBSize=270 040 bit；查表tbs_table_dl，可獲得TBSize=132 960 bit。

上行峰值速率=270040 bit/25 ms=10.3 Mb/s；

下行峰值速率=132960 bit/25ms=5.07 Mb/s。

（2）1 800 MHz 峰值速率計(jì)算

對(duì)于1 800 MHz，在5 MHz 帶寬下，查表得TBSize=18 336 bit。

上下行子幀配置為0 時(shí)（上下行時(shí)隙比3:1），特殊子幀配置10:2:2。

一個(gè)幀（10 ms）內(nèi)，6 ms 上行傳輸，2 ms 下行傳輸，2個(gè)DwPTS 時(shí)隙也用于下行傳輸。

上行峰值速率=6×18336 bit/10 ms=10.49 Mb/s。

下行峰值速率計(jì)算考慮：子幀0 和子幀5 的TBS 選擇18 336 bit，子幀1 和子幀6 是DwPTS 時(shí)隙，TBS 選擇11 448 bit，下行MIMO 雙流。

下行峰值速率=2×(18336 bit+11448 bit)/10 ms×2=11.36 Mb/s。

3.3 速率對(duì)比小結(jié)

（1）對(duì)于上行速率，230 MHz 與1 800 MHz（時(shí)隙比3:1）的峰值速率比較接近，由于電力業(yè)務(wù)以上行業(yè)務(wù)為主，兩種技術(shù)體制在上行業(yè)務(wù)的承載能力上差別不大。

（2）對(duì)于下行速率，1 800 MHz 的峰值速率遠(yuǎn)大于230 MHz，因此1 800 MHz 更適合下行大帶寬業(yè)務(wù)。

4 結(jié)論

綜230 MHz（以LTE-G 230 MHz 為例）與1 800 MHz各層面的對(duì)比，如表4 所示。

從兩種技術(shù)體制上比較，230 MHz 覆蓋能力更強(qiáng)，更適合小顆粒的上行業(yè)務(wù)，但產(chǎn)業(yè)鏈還不夠成熟。目前主要是普天獨(dú)家提供LTE-G 230 MHz 產(chǎn)品，華為獨(dú)家提供IoT-G 230 MHz 產(chǎn)品，大唐、鼎橋、中興等廠家剛開始研制230 MHz 的相關(guān)產(chǎn)品。另外，新產(chǎn)品尚未經(jīng)過現(xiàn)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，前期實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的230 MHz 設(shè)備是早期的產(chǎn)品，并不能完全滿足國家電網(wǎng)公司發(fā)布的230 MHz 技術(shù)規(guī)范（Q/GDW 11806-2018）中的要求。

表4 230 MHz和1 800 MHz對(duì)比表

1 800 MHz 產(chǎn)業(yè)鏈成熟，供貨的廠家眾多，競爭充分，全國已經(jīng)建成多張1 800 MHz TD-LTE 專網(wǎng)，涵蓋了無線政務(wù)、公共安全、軌道交通、電力、石化、機(jī)場港口等多個(gè)重點(diǎn)行業(yè)。目前，1 800 MHz 頻率資源申請(qǐng)有難度，覆蓋上弱于230 MHz，更適合下行大帶寬的業(yè)務(wù)。