衷宇清1，孙 颖1，王 浩1，陈永涛1，林璇霓1，蔡继涛1，余晓东2，谢 凯2
（1. 广州供电局有限公司，广东 广州；2. 普天信息技术有限公司，北京 100080）
摘 要： LTE230系统经过多年的网络建设运营，技术与应用结合日趋成熟，具备大规模组网基础。提出无线专网技术在配网业务大规模组网所需的必要条件，并以此对我国首个LTE230系统大规模实验网的建设、测试情况进行评估，为LTE230系统在配电网网络通信领域大规模组网提供参考。
0 引言
LTE230系统是工作于230 MHz频段的宽带接入系统，该系统具有覆盖广、容量大、成本低、频谱效率高、安全性强等特点，相比光纤、载波、无线公网等传统配用电通信方式具有显著的技术优势，能够解决配电通信网光纤部署施工难的问题，实现城区配电通信网的连续覆盖，满足计量自动化、配电自动化业务需求。
随着230 MHz频段的开放，行业用户可以在230 MHz频段申请5 MHz或更宽频段使用，LTE230无线系统不仅能够支持更大规模的数据业务，还可以支持语音和视频等高实时、高带宽业务。频谱资源的扩充和应用场景的多样化，提升了LTE230系统的使用价值，也促进LTE230网络向小型实验网向大规模组网方向的转变。
近期在广州市花都区建设的LTE230系统大规模实验网采用LTE230系统覆盖花都区500平方公里的区域，接入3 020个配网计量自动化和配网自动化终端。随着本项目LTE230网络建设的不断完善和应用经验的积累，对LTE230系统在大规模应用场景下的频谱适应性、业务传输可靠性、系统安全性和终端接口适应性等方面进行分析和评估，为LTE230系统电力配用电通信网络的大规模组网决策提供参考。
1 LTE230系统介绍
TD-LTE230系统是工作在230 MHz频段上，利用OFDM、频谱聚合、频谱感知等当代先进的无线通信技术，针对电力系统需求进行大量定制的一套无线接入系统。该系统将230 MHz频段上的离散频点聚合使用，能够支持多种业务模型。LTE230采用全IP网络构建，组网灵活。图1为LTE230网络内的架构。LTE230系统由终端、接入网、核心网和操作维护中心组成。终端连接配电、用电信息采集等设备，负责将设备数据发送至接入网。接入网一方面进行数据传输，另一方面，对终端的行为进行控制。核心网作为LTE230系统网络对外IP网络的网关，将接入网的数据发送到电力系统主站。
2 LTE230系统大规模应用能力评估
参考无线公网建设经验，从频谱的适应性、覆盖环境的适应性、业务传输可靠性、终端接口的适应性和系统安全性等方面评估LTE230系统大规模应用能力。
频谱的适应性指的是无线接入系统的频谱资源是否容易获得。频谱资源是限制无线系统能否大规模应用的最重要的限制条件。无线系统的频谱资源需要国家无线频谱政策的保证。作为稀缺的公共资源，频谱资源国际通行的分配方法是通过拍卖竞价的方式。例如印度在2015年3月拍卖了900 MHz和1 800 MHz频谱的使用权，拍卖价格总和为179亿美元。竞价拍卖的方式使得频谱资源的用户承担巨额频谱费用，因此许多无线网络技术采用公共无线频段，公共频段虽然是免费的，但是公共频段自身缺点，如发射功率受限、覆盖范围有限、干扰严重等因素限制了采用公共无线频段的无线接入技术在行业应用的中。
覆盖环境的适应性是指无线系统是否能够很好地覆盖业务区域。随着无线网络规模的扩大，多样化的覆盖场景对网络覆盖提出更高的要求，因此覆盖环境适应性是限制无线系统能否大规模应用的重要限制条件。一个无线系统覆盖适应性强，不但可以减小网络建设实施难度，以较小的网络建设成本覆盖业务区域，并且可以保证业务传输的稳定性和可靠性。一般来讲，覆盖环境的适应性与无线信号的衰减速度、绕射能力和辅助覆盖设备有关。
业务传输可靠性也是无线系统大规模应用的关键因素。随着网络规模的扩大，终端设备数量的增加，以及业务量的增加，系统如何应对无线信号本身的衰落和相互干扰，成为考验无线系统可靠性设计的关键难点。
终端产品适应性也是影响网络大规模应用的因素。无线系统网络规模的增大，意味着大量不同业务和厂家产品的接入。无线系统终端设备应具备标准接口适配来自于不同业务和厂家的产品。
无线网络随处可接入的特性使得无线网络极易受到安全攻击。随着网络规模的扩大，其受到安全攻击的可能性增加。因此无线系统的安全性是限制无线系统大规模应用的因素之一。
下面基于本实验网的实践和测试情况，针对以上限制无线系统大规模应用的因素，对LTE230系统的大规模应用能力进行评估。
2.1 频谱适应性
LTE230系统工作在230 MHz频段，频段范围223.025~225.0 MHz。国家无委规定将230 MHz频段作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段[1]。目前这个频段主要被分配给能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工、建设等行业使用；其中40个授权频点（25 kHz）分配用于电力负荷监控[1]。随着我国智能电网的发展，现有授权带宽已经不能满足行业专网对频谱带宽的需求。而230 MHz频段在其他行业使用得还不充分,大部分频点处于闲置状态。为此国家无委鼓励有频谱需求的行业用户根据自身业务需求申请空闲频点使用。
LTE230系统选择230 MHz频段作为工作频段，保证了用户可以较低成本得到该频段的使用权。LTE230系统对230 MHz的频谱的适用性体现在如下两点：
（1）LTE230的频谱是离散的频点，成梳状交错分布。LTE230系统采用了频谱聚合的技术可以将离散而交错分布的频点聚合，传输宽带业务，扩展了230 MHz频段的业务应用。
（2）230 MHz频段存在数传电台的干扰。LTE230系统采用频谱感知技术[2]感知技术感知干扰，并进行动态干扰规避。
图2是本项目进行的频谱感知的测试结果截图。测试的过程为：先在226频点发送下行数据，随后在226频点产生干扰信号，观察传输流量变化和记录系统工作频点的变化。在终端处观察数据流量，可以发现，当干扰开启时，下行流量骤然下降，随后回升至正常水平，中间的间隔小于1 s。同时，根据终端参数记录数据，发现终端工作的频点发生变化，从226频点跳转至204。测试数据表明，LTE230系统成功采用频谱感知技术启动了干扰规避。
频谱聚合技术、频谱感知和干扰规避技术的采用使得LTE230系统非常适合在230 MHz频段工作。同时230 MHz频段的低成本特性也适合电力行业大规模使用。
2.2 覆盖环境适应性
2.2.1 广域覆盖
LTE230系统的最大特点是覆盖范围广。根据参考文献[3]，无线电波的频率越低，其传播损耗（包括直射和绕射的损耗）越低。LTE230系统工作在230 MHz，覆盖范围广。系统覆盖范半径在密集城区可达3 km，在农村可达30 km。由于LTE230系统在覆盖上的优势，本项目基站站址的选择变得非常简单：所有的基站是建设在变电所、供电局等电力系统自有物业中。电力自有物业的密集度可以满足LTE230系统覆盖半径的要求，并且具备光纤回传设施。选择电力自有物业建设基站免除了站点租用、铺设光纤和物业沟通的大量工作，极大地降低了组网成本，加快了组网建设速度。
LTE230系统在本项目覆盖的情况如表1所示。
本项目覆盖地区为典型城镇环境，既有楼宇密集的住宅小区，又有低矮的小楼。本文采用10个基站覆盖近500 km2的区域，平均覆盖半径为5.6 km。图3为本项目项目路测信号场强显示。表2为本项目路测场强的统计。数据表明LTE230信号覆盖良好，阴影区域小于3%。
本项目覆盖测试结果显示，230 MHz频段因为其良好的绕射性能和很低的传播损耗，非常适合用于覆盖城区等复杂环境，覆盖面积大，覆盖阴影少，极大地降低了网络建设成本。
2.2.2 补盲覆盖
对于室内或地下室等环境的覆盖，主要采用了无线中继的辅助覆盖方案。LTE230系统的无线中继设备包括中继终端设备ED和中继接入设备AP。ED和AP之间通信采用470 MHz公共频段，可以自组网，支持mesh组网和多跳路由。由于LTE230无线中继方案避免了拉线等施工难题，设备安装简单，对物业破坏小，物业协调简单，因此在本项目中使用广泛。图4为无线中继系统多跳示意图。
根据本项目的使用经验，LTE230无线中继系统的覆盖范围在建筑内同一层可以达到70 m，如果相差一层，则通信范围为40 m。如果垂直安装，可以穿透4层楼板。在大多数情况下，只需一跳就可以将信号传输到室外。
综合室外和室内的覆盖经验，笔者认为LTE230系统可以提供完备的成熟解决方案，适合在城市环境进行大规模组网建设。
2.3 业务传输可靠性
LTE230系统采用HARQ，Turbo码等技术减小信道衰落对传输的影响，采用频谱感知、干扰规避等技术对抗230 MHz频段的干扰。在硬件设计中采用了诸如降额设计、容错设计等高可靠性设计技术，并对设备进行了大量环境稳定性测试，保证了LTE230系统业务传输的可靠性。
本项目中，针对业务传输的可靠性，对LTE230系统做了传输稳定性测试，业务接通率测试和抄表成功率测试。
稳定性测试：使用环回工具持续对某终端发送数据包（每间隔10 s发送1个包），记录收发包是否一致，测试持续7×24 h以上，并记录数据收发情况和无线信道的稳定性。测试结果统计，主站共发送60 621个数据包，终端收到60 619个数据包，1周环回业务保持正常，丢包率为0.003%。LTE230无线信道稳定，数据收发正常。
业务接通率测试：对不同地点的终端重复进行断电、上电操作，让终端重复接入LTE230系统，统计成功接入次数。本文选取离基站距离分别为近点、远点和中点的终端进行业务接通率测试。测试结果如表3所示。
LTE230系统稳定，即使在小区边缘，接入成功率为100%。
抄表成功率测试：对小区内集中器终端进行50次抄表测试，测试结果，抄表成功率100%。
业务稳定性测试表明，LTE230系统运行稳定性和可靠性都达到应用要求标准，可以有效支持配电业务的通信需求。
2.4 终端接口标准化
LTE230系统终端需要连接现有行业设备。在本项目中，终端对接的设备包括，配变监测终端设备，低压集抄终端设备，负荷管理终端设备等。设备的接口协议遵从南方电网规定的企业标准。由于设备品牌、生产厂家、生产年代不同，设备接口协议时序，接口管脚顺序等处略有不同，并且终端设备品牌众多，因此终端对接的工作十分繁杂。
LTE230 系统终端接口的对接工作包括终端载板接口管脚位置变更和软件协议适配两个部分。软件内建设备数据库，随着对接设备数量的增加，数据库规模不断增大，目前已经包含近80个设备数据。因此LTE230系统终端已经可以对接大多数在用配变、集抄和负控设备。
2.5 系统安全
LTE230系统采用第四代移动通信技术TD-LTE的安全逻辑模型。包括5个安全域。LTE230安全逻辑结构如图5所示。
五类安全域首先是网络接入安全，LTE230系统提供无线链路安全，用户身份和网络的双向认证，用户身份保护、加密密钥分发、用户数据和信令的加密和完整性保护等。其次是核心网网络系统安全，LTE230提供基站和核心网的双向鉴权和数据加密。第三类是用户安全，LTE230系统提供终端安全实体，保护用户数据加密和认证安全。第四类是应用安全，LTE230支持用户在应用层进行的任何形式的安全交互、实体身份认证、应用数据重放攻击检测等安全功能。第五类是安全特性可见性与可配置能力：用户获得安全性是否开启、服务是否需要安全服务等。这五类安全域有效地保障了LTE230系统安全。
3 结论
LTE230系统经过多年网络的建设和运营，技术和应用日趋成熟，尤其是通过广州市花都项目大规模组网的考验，在频谱的适应性，覆盖环境的适应性，终端接口的适应性，以及安全性上都有具备了大规模组网的能力。
参考文献
[1]中国无线电管理委员会. 关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知（国无管[1991]5号）[Z]. 1991.
[2]HAYKIN S, Cognitive radio: brain-empowered wireless communications[J]. IEEE J. Selected Areas in Communications, 2005, 23(2). 201–220.
[3]郭梯云，邬国扬，张阙盛. 移动通信[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，1996.