基于IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)分析

趙曉坤，高 潔，郭冰潔，曾 建

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

電網(wǎng)是國(guó)家能源結(jié)構(gòu)發(fā)展中十分重要的組成部分，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及日常生活的方方面面都離不開(kāi)電網(wǎng)的支撐。隨著電網(wǎng)技術(shù)和信息通信技術(shù)的快速發(fā)展以及中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)目標(biāo)的提出，為電網(wǎng)的發(fā)展提供了新的方向。隨著智能電網(wǎng)的興起，電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配和用環(huán)節(jié)都需要全面升級(jí)。其中配電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的“最后一公里”，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)起著關(guān)鍵作用[1-2]。

當(dāng)前配電網(wǎng)的通信技術(shù)主要采用包括光纖、電力線載波、無(wú)線公網(wǎng)和無(wú)線專網(wǎng)等[3-4]。光纖通信難以適應(yīng)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)量大、覆蓋面廣、復(fù)雜多元的業(yè)務(wù)特點(diǎn)[1]。電力線載波通信傳輸速率和穩(wěn)定性差，傳輸通信量低，無(wú)法承載部分大流量業(yè)務(wù)[5]。無(wú)線公網(wǎng)通信存在信號(hào)覆蓋盲區(qū)，時(shí)延性高，系統(tǒng)漏洞多，易遭受攻擊，承載能力差，且其運(yùn)營(yíng)成本較高，難以滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需求[6]。隨著“新能源、新業(yè)務(wù)”不斷接入電網(wǎng)中，輸電、變電控制向末端拓展，控制點(diǎn)數(shù)量成百萬(wàn)量級(jí)，電力無(wú)線專網(wǎng)由于是電力業(yè)務(wù)專用，能夠滿足電力系統(tǒng)的電力業(yè)務(wù)對(duì)通信高質(zhì)量的需求，提供可靠的帶寬速率、安全隔離和良好的信號(hào)覆蓋[7]。

電力無(wú)線專網(wǎng)有230 MHz和1800 MHz兩種頻段，分別有適合承載的智能配電網(wǎng)電力業(yè)務(wù)[6]。其中LTE-1800 MHz系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋小、信號(hào)穿透性較差和信號(hào)較弱的缺點(diǎn)，且部分地市的相應(yīng)頻點(diǎn)資源己被其他行業(yè)占用，對(duì)電力無(wú)線專網(wǎng)的建設(shè)造成一定阻礙[8]。2018年9月，工信部下發(fā)《關(guān)于調(diào)整223～235 MHz頻段無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃的通知》，明確了230 MHz頻段7 MHz帶寬用于電力等行業(yè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[9]。同時(shí)明確規(guī)定工信部發(fā)布自電力行業(yè)增加230 MHz的帶寬之日起，不再受理電力1800 MHz頻率的申請(qǐng)。

因此，下面選擇對(duì)IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，分別從IoT-G 230 MHz關(guān)鍵性能指標(biāo)與國(guó)家電網(wǎng)公司(以下簡(jiǎn)稱國(guó)網(wǎng))核心業(yè)務(wù)的匹配度、IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)以及IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展部署進(jìn)行分析，為促進(jìn)IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 IoT-G 230 MHz關(guān)鍵性能指標(biāo)與國(guó)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)需求匹配度

國(guó)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)中基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的需求分析如表1所示，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)主要針對(duì)日常中有關(guān)生產(chǎn)類業(yè)務(wù)。從表中可以得出國(guó)網(wǎng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)對(duì)速率需求為10～100 kb/s；時(shí)延需求為小于50 ms；容量需求為數(shù)千至數(shù)萬(wàn)每平方千米，有低功耗需求；安全需求為高；網(wǎng)絡(luò)需求為廣域連續(xù)覆蓋。

表1 國(guó)網(wǎng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)需求分析

國(guó)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)中擴(kuò)展業(yè)務(wù)的需求分析如表2所示，擴(kuò)展業(yè)務(wù)主要針對(duì)日常中有關(guān)信息化類業(yè)務(wù)。從表中可以得出：國(guó)網(wǎng)擴(kuò)展業(yè)務(wù)對(duì)速率需求為2～4096 kb/s；時(shí)延需求為幾百毫秒至秒級(jí)；容量需求為幾十至上百每平方千米；安全需求為中高；網(wǎng)絡(luò)需求為局域?yàn)橹鳌?/p>

表2 國(guó)網(wǎng)擴(kuò)展業(yè)務(wù)需求分析

IoT-G 230 MHz關(guān)鍵性能指標(biāo)如圖1所示。對(duì)比表1和表2對(duì)國(guó)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)的需求分析，IoT-G 230 MHz支持7 M全帶寬需求，采用10 ms短幀結(jié)構(gòu)以及低時(shí)延免調(diào)度算法，支持20 ms最低空口時(shí)延，支持4.5G D2D 100 dB深度覆蓋，可達(dá)20%覆蓋領(lǐng)先以及0.15 W最低靜態(tài)功耗。綜上， IoT-G 230 MHz關(guān)鍵性能指標(biāo)完全滿足國(guó)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)需求。

圖1 IoT-G 230 MHz關(guān)鍵性能指標(biāo)

2 IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)分析

IoT-G 230 MHz通信技術(shù)基于第三代合作伙伴計(jì)劃的4.5G技術(shù)，面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，適配電網(wǎng)業(yè)務(wù)和頻譜特點(diǎn)，定義了標(biāo)準(zhǔn)3.75 kHz子載波間隔，有效利用窄帶和離散頻譜，符合電力無(wú)線通信接入要求，包括配電自動(dòng)化“三遙”和控制類等低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)[10]。IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)通過(guò)4.5G技術(shù)重耕230 MHz頻譜，并支持向5G平滑演進(jìn)，滿足未來(lái)新興業(yè)務(wù)需求。

IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)除了采用標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE的OFDMA、多進(jìn)多出、小區(qū)間干擾抑制、自適應(yīng)調(diào)制與編碼、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(hybrid automatic repeat request，HARQ)、功率控制等多種技術(shù)外，還根據(jù)電力業(yè)務(wù)和頻譜特點(diǎn)引入離散載波聚合、低時(shí)延、控制信道效率提升、跳頻抗干擾等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 IoT-G 230 MHz離散載波聚合技術(shù)

IoT-G 230 MHz離散載波聚合技術(shù)將經(jīng)過(guò)信道編碼和交織后的信息比特均分為多個(gè)子塊，每個(gè)子塊分配至一個(gè)載波上發(fā)送，從而通過(guò)增加承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的載波數(shù)提升單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，顯著提高傳輸速率。接收側(cè)只需將多個(gè)載波上的接收信號(hào)解調(diào)得到的多個(gè)軟比特信息子塊級(jí)聯(lián)為一個(gè)完整的碼塊，然后經(jīng)過(guò)解交織和信道譯碼，即可獲得完整的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包。相比于長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(long term evolution，LTE)系統(tǒng)復(fù)雜的層二載波聚合技術(shù)，IoT-G 230 MHz采用的物理層離散載波聚合技術(shù)顯著降低了發(fā)送端和接收端的處理復(fù)雜度，匹配230 MHz頻段窄帶載波聚合的特點(diǎn)，有助于提高設(shè)備可支持的聚合載波數(shù)目。IoT-G 230 MHz離散載波聚合技術(shù)如圖2所示。

圖2 離散載波聚合技術(shù)

2.2 低時(shí)延技術(shù)

IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)通過(guò)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無(wú)調(diào)度傳輸、快速反饋模式等關(guān)鍵技術(shù)，滿足毫秒級(jí)控制業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求。

1)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)空中接口物理層幀長(zhǎng)設(shè)計(jì)為10 ms，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等待可承載其傳輸?shù)南滦匈Y源的時(shí)延不超過(guò)10 ms，等待時(shí)延和傳播時(shí)延之和不超過(guò)15 ms。即使考慮業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)因信道小尺度衰落較嚴(yán)重而重傳一次，整體通信時(shí)延也不超過(guò)30 ms，可以滿足毫秒級(jí)控制類業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。IoT-G 230 MHz短幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 短幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2)無(wú)調(diào)度傳輸

當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需通過(guò)物理下行控制信道進(jìn)行調(diào)度時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在空中接口的整體傳輸時(shí)延包含傳輸資源等待時(shí)延、下行控制信息傳輸時(shí)延、下行控制信息處理時(shí)延、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)反饋時(shí)延5個(gè)部分。傳輸資源等待時(shí)延最惡劣情況可接近10 ms。為滿足毫秒級(jí)控制類業(yè)務(wù)低時(shí)延要求，需盡可能節(jié)省其余四項(xiàng)時(shí)延。為此，IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)引入了免調(diào)度傳輸技術(shù)，如圖4所示。

圖4 免調(diào)度算法技術(shù)

無(wú)調(diào)度傳輸技術(shù)中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸無(wú)需經(jīng)過(guò)物理下行控制信道調(diào)度，基站或終端可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的時(shí)頻資源直接將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送至空中?；谠摷夹g(shù)，可節(jié)省下行控制信息傳輸時(shí)延和下行控制信息處理時(shí)延，使空中接口整體傳輸時(shí)延減少10 ms以上，為滿足毫秒級(jí)控制類業(yè)務(wù)低時(shí)延要求提供保障。

3)快速反饋技術(shù)

為減少業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)反饋時(shí)延，IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)還支持快速反饋技術(shù)。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸配置為快速反饋技術(shù)時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其反饋信息均承載于截短的時(shí)頻資源塊傳輸，從而在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其反饋信息之間預(yù)留足夠的處理時(shí)延，使接收端可在當(dāng)前幀即可反饋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是否正確接收，而無(wú)需等待至下一幀反饋?？焖俜答伡夹g(shù)顯著減少了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)反饋時(shí)延，進(jìn)一步保障毫秒級(jí)控制類業(yè)務(wù)低時(shí)延要求得到滿足，如圖5所示。

圖5 低時(shí)延快速反饋技術(shù)

2.3 控制信道效率提升技術(shù)

下行方面，根據(jù)LTE和NB-IoT系統(tǒng)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量突發(fā)性小包傳輸業(yè)務(wù)時(shí)，由于每一次上行或下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或信令的傳輸均需通過(guò)物理下行控制信道調(diào)度，物理下行控制信道的容量通常成為系統(tǒng)容量瓶頸。若上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或信令傳輸?shù)腍ARQ反饋信息也都通過(guò)物理下行控制信道傳遞給終端，則會(huì)進(jìn)一步占據(jù)已非常緊缺的物理下行控制信道資源。為緩解物理下行控制信道的容量問(wèn)題，可引入LTE采用的物理混合自動(dòng)重傳指示信道，對(duì)于每次上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或信令傳輸只需反饋1 bit信息，以替代用物理下行控制信道進(jìn)行反饋所攜帶的數(shù)十比特信息，從而顯著提升HARQ反饋信息的傳輸效率，節(jié)省物理下行控制信道資源。

上行方面，為應(yīng)對(duì)用電信息采集業(yè)務(wù)海量終端接入，IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)的物理上行控制信道支持多用戶間碼分復(fù)用，使多個(gè)用戶對(duì)下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或信令傳輸?shù)腍ARQ反饋信息可采用相同的時(shí)頻資源發(fā)送至基站，從而成倍提升物理上行控制信道的傳輸效率，節(jié)省上行傳輸資源。

2.4 跳頻抗干擾技術(shù)

230 MHz頻段為多個(gè)行業(yè)共同使用，因此，IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)的空中接口設(shè)計(jì)需具備抑制異系統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)窄帶干擾的能力，并盡可能降低對(duì)異系統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)的干擾。為此，IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)采用了跳頻干擾抑制技術(shù)，可通過(guò)靈活的調(diào)度方式對(duì)異系統(tǒng)干擾進(jìn)行規(guī)避。

跳頻是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說(shuō)，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。通過(guò)跳頻技術(shù)，可有效降低異系統(tǒng)對(duì)IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾，同時(shí)也可有效降低對(duì)異系統(tǒng)的干擾。此外，跳頻還可獲取頻率分集增益，提升覆蓋性能，抑制慢變深衰落信道對(duì)終端性能的影響。IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)的上行和下行均支持信道間跳頻技術(shù)。

此外，對(duì)于射頻帶寬受限的低成本窄帶終端，IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)還支持分組跳頻技術(shù)，使得終端在使用載波聚合時(shí)，成員載波成組進(jìn)行跳頻，保證了跳頻后成員載波之間的間距不超過(guò)終端射頻帶寬，從而使低成本終端也可采用跳頻和載波聚合相結(jié)合的方式傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)滿足IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)傳輸速率和傳輸可靠性的要求。

綜上所述，單載波跳頻以25 kHz載波為最小單位跳頻，提升單載波業(yè)務(wù)(如配電自動(dòng)化、用電信息采集)抗干擾能力。分組載波跳頻將多個(gè)25 kHz載波綁定為一組，以載波組為最小單位，在系統(tǒng)指定的載波集合內(nèi)跳頻。

3 IoT-G 230 MHz優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用部署

3.1 IoT-G 230 MHz優(yōu)勢(shì)

基于第2節(jié)對(duì)IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)的分析，總結(jié)出IoT-G 230 MHz九大優(yōu)勢(shì)，分別是全帶寬、低延時(shí)、抗干擾、覆蓋強(qiáng)、低功耗、多樣性、易演進(jìn)、全融合、IPv6。

1)全帶寬。離散載波靈活選擇和聚合，223～226 MHz、229～233 MHz帶寬內(nèi)280個(gè)離散載波靈活選擇，滿足多樣的電力業(yè)務(wù)要求。

2)低時(shí)延。采用10 ms幀長(zhǎng)結(jié)構(gòu)以及無(wú)調(diào)度算法，可達(dá)到空中接口20 ms超低延時(shí)，滿足控制類業(yè)務(wù)時(shí)延需求。

3)抗干擾。跳頻的通信方式，控制信道備份，其有7 M帶寬的跳頻范圍，且分組跳頻支持窄帶聚合，同時(shí)控制信道備份提高其可靠性。

4)覆蓋強(qiáng)。2T2R數(shù)據(jù)信道時(shí)域重復(fù)，最大耦合線損155 dB+。

5)低功耗。簡(jiǎn)化協(xié)議棧，終端模組靜態(tài)功耗小，支持電表和故障指示器。

6)多樣性。采用業(yè)務(wù)切片技術(shù)，資源隔離實(shí)現(xiàn)控制類、采集類業(yè)務(wù)隔離和不同需求。

7)易演進(jìn)。采用類LTE與NB-IoT協(xié)議棧，復(fù)用LTE/NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈，具有更開(kāi)放的生態(tài)能力。

8)全融合?；诤暾綥TE分支開(kāi)發(fā)，架構(gòu)上支持同廠家230 MHz和1800 MHz網(wǎng)絡(luò)融合，保護(hù)投資，簡(jiǎn)化運(yùn)維。

9)IPv6。支持IPv4/v6雙棧，滿足未來(lái)海量終端部署需求。

3.2 IoT-G 230 MHz應(yīng)用情況

目前，IoT-G 230 MHz技術(shù)在無(wú)人值守變電站、配電自動(dòng)化、電力園區(qū)以及輸電線路視頻監(jiān)控等方面已取得突出成績(jī)。

無(wú)人值守變電站的應(yīng)用如圖6所示，其可實(shí)現(xiàn)單基站覆蓋全變電站(典型變電站：200 m×200 m)；50 ms切換時(shí)延，0丟包；單基站可同時(shí)調(diào)度128用戶；具有基于LTE的調(diào)度機(jī)制和抗干擾等特性。

圖6 無(wú)人值守變電站應(yīng)用

配電主站通過(guò)信息交互總線與上一級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、配電GIS系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、營(yíng)銷管理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互。配電自動(dòng)化終端采用IoT-G 230 MHz接入配電自動(dòng)化主站和子站。配電終端包括饋線終端(FTU)、站所終端(DTU)、配變終端(TTU)。

目前配電自動(dòng)化已完成A+、A和B類區(qū)域覆蓋，配電三遙站點(diǎn)2455個(gè)，二遙站點(diǎn)198個(gè)，三遙站點(diǎn)覆蓋率100%。如圖7所示，使用IoT-G 230 MHz電力無(wú)線專網(wǎng)高效回傳，實(shí)現(xiàn)各類終端站點(diǎn)集成交付運(yùn)維。其中接入回傳特點(diǎn)有：專用頻段，任意地形無(wú)需布線；視通/非視通任意組網(wǎng)；支持360°全向部署密集接入；時(shí)分多址(time division multiple access，TDMA)抗干擾，IP67，工作溫度為-40 ℃～+70 ℃、10 kV防雷、 99.99%高可靠；極簡(jiǎn)配置，即插即用，集中監(jiān)控、免現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維；接口豐富RJ45/RS232/RS485/RS422。

圖7 配電自動(dòng)化接入應(yīng)用

3.3 IoT-G 230 MHz未來(lái)發(fā)展部署

集群業(yè)務(wù)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，集群業(yè)務(wù)包括了語(yǔ)音集群業(yè)務(wù)、集群數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及集群補(bǔ)充業(yè)務(wù)，表3詳細(xì)介紹了集群業(yè)務(wù)的類型及其功能。

表3 集群業(yè)務(wù)類型及其功能

根據(jù)表3的介紹，為支持組播呼叫/全播呼叫，空中接口應(yīng)支持組播/廣播功能，以滿足傳輸時(shí)延要求，并顯著提升資源利用率；應(yīng)急通信可能存在部分區(qū)域的基站由于災(zāi)害等因素?zé)o法正常工作的場(chǎng)景，此時(shí)需支持終端間直連通信(direct mode operation，DMO)；應(yīng)急通信需支持通過(guò)終端中繼的方式擴(kuò)展覆蓋至基站難以覆蓋的區(qū)域；跨小區(qū)的移動(dòng)性，支持低時(shí)延切換等。

4 結(jié) 論

智能電網(wǎng)是國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略中十分重要的一部分，智能電網(wǎng)的發(fā)展離不開(kāi)通信技術(shù)的支持。無(wú)線專網(wǎng)在電網(wǎng)中由于是電力業(yè)務(wù)專用，能夠滿足電力系統(tǒng)的電力業(yè)務(wù)對(duì)通信高質(zhì)量的需求，提供可靠的帶寬速率、安全隔離和良好的信號(hào)覆蓋。IoT-G 230 MHz電力已成為智能電網(wǎng)發(fā)展中的關(guān)鍵無(wú)線通信技術(shù)。通過(guò)對(duì)國(guó)網(wǎng)關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)與IoT-G 230 MHz關(guān)鍵性能指標(biāo)的匹配性以及IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)的分析，總結(jié)了IoT-G 230 MHz的九大優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展部署進(jìn)行了展望，為促進(jìn)IoT-G 230 MHz電力無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展提供建議。