智能電網(wǎng)通信網(wǎng)新組網(wǎng)技能TD LTE無線專網(wǎng)

    智能電網(wǎng)，是建立在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)平臺基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，構(gòu)建貫穿發(fā)、輸、變、配、用電和調(diào)度全環(huán)節(jié)、全電壓等級的新一代電網(wǎng)。

    智能電網(wǎng)最重要的特征是具備“自愈”能力，能夠自主將電網(wǎng)中的問題部件從系統(tǒng)中隔離出來并且在很少或不用人為干預(yù)的情況下可以使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。實現(xiàn)這一點需要依靠現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)對智能電網(wǎng)中各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)不間斷實時測量和監(jiān)測，基于采集到的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的處理算法實現(xiàn)預(yù)警、檢查并采取相應(yīng)的控制行動。

    同時，由于智能電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)部署著大量的具備標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)通信能力的設(shè)備和業(yè)務(wù)終端，使得網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境更加復(fù)雜，智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)必須具備抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力，最大限度地降低各種網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致的后果和快速恢復(fù)供電服務(wù)，避免損失。

    可以說智能電網(wǎng)的發(fā)展離不開通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在智能電網(wǎng)覆蓋范圍不斷擴展，承載業(yè)務(wù)不斷增加，對信息安全要求越來越高的今天，如何快速、低成本的構(gòu)建一個能夠廣泛覆蓋智能電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，同時又能盡可能保證安全性的新一代通信網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)一個重要的研究課題。

    TD–LTE無線專網(wǎng)通信技術(shù)簡介

    移動通信技術(shù)已經(jīng)從2G、3G發(fā)展到4G（第四代通信網(wǎng)的簡稱絡(luò)技術(shù)）,包括和FDD-LTE兩種工作模式，兩個模式間只存在較小的差異，相似度達90%，TD即時分雙工(TimeDivisionDuplexing)，是移動通信技術(shù)使用的雙工技術(shù)之一，與FDD頻分雙工相對應(yīng)。TD-LTE通信技術(shù)具備高寬帶，穿透力強，覆蓋范圍廣，語音數(shù)據(jù)一體化的L特點，除了民用領(lǐng)域應(yīng)用外，在各種需要專業(yè)集群調(diào)度、高速數(shù)據(jù)傳輸、高清無線視頻傳輸?shù)念I(lǐng)域，也具備非常巨大的應(yīng)用價值。

    隨著2013年12月4日中國移動、中國電信和中國聯(lián)通三大運營商正式獲得TD-LTE制式的4G牌照,以TD-LTE技術(shù)為代表的4G技術(shù)與產(chǎn)品開始正式大規(guī)模在全行業(yè)開展應(yīng)用。相對3G技術(shù)，TD-LTE技術(shù)可以提供最大100Mbit/s與上行50Mbit/s的理論峰值傳輸速率，速度提高了近50倍。而實際應(yīng)用中，由于單個基站需要同時承載的接入數(shù)不同，實際傳輸速率在理論值的1/10至1/5,即使這樣的傳輸速度，TD-LTE技術(shù)依舊可以基本滿足傳輸高清視頻所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，這在3G時代是很難高質(zhì)量實現(xiàn)的。

    普通民眾現(xiàn)在已經(jīng)可以方便的購買到符合各大運營商標(biāo)準(zhǔn)的4G手機，這些手機包括一些4G接入上網(wǎng)設(shè)備都是工作在公共4G網(wǎng)絡(luò)上，實際使用時需要占用所在基站的網(wǎng)絡(luò)帶寬，傳輸速度根據(jù)基站接入客戶數(shù)不同而不同，無法保障每個用戶的接入帶寬，同時相對較高的數(shù)據(jù)流量費用也限制了普通民眾在4G環(huán)境下使用高清視頻等多媒體業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)的開放性和標(biāo)準(zhǔn)化客觀上也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)存在一定的安全隱患；如果用這樣的網(wǎng)絡(luò)來承載一些行業(yè)用戶的專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，顯然是不合適的。

    在這樣的背景下，TD-LTE無線專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，它和面向普通公眾提供通話、數(shù)據(jù)服務(wù)的公網(wǎng)通信技術(shù)最大的區(qū)別就是工作的頻譜不一樣，4G公網(wǎng)的頻譜是：中國移動-1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中國聯(lián)通-2300-2320MHz、2555-2575MHz；中國電信-2370-2390MHz、2635-2655MHz。而TD-LTE無線專網(wǎng)工作的頻段主要是1.4G(1447MHz-1467MHz)和1.8G（1785MHz-1805MHz），具體頻段申請由各省市無線電管理機構(gòu)管理。

    除頻段外，TD-LTE無線專網(wǎng)和公網(wǎng)技術(shù)幾乎完全一樣，由于專網(wǎng)和公網(wǎng)完全隔離，不會受到公眾應(yīng)用的影響，同時沒有公眾網(wǎng)絡(luò)運營費用的支出，其專有頻段和專用通信設(shè)備的組網(wǎng)模式也最大程度杜絕了各種信息安全隱患和非法侵入的產(chǎn)生；相對于目前WIFI等其它無線組網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)有線組網(wǎng)技術(shù),TD-LTE專網(wǎng)在大型城域組網(wǎng)建設(shè)上具備安全性高、組網(wǎng)靈活快捷，成本相對較低等特點；同時，基于TD-LTE的4G專網(wǎng)技術(shù)局部頻譜資源豐富、效率高的特點，在當(dāng)前各地加強智慧城市建設(shè)的大背景下，相關(guān)應(yīng)用容易受到政府支持，所需頻段可以方便的在無線電管理機構(gòu)進行申請；

    TD-LTE的主要優(yōu)勢包括：

    1）帶寬和上下行速率可靈活配置

    LTE支持成對或非成對頻譜，可靈活支持1.4M、2.5M、5M、10M、15M、20M系統(tǒng)帶寬，在20MHz頻譜帶寬下可提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率。該速率可以滿足多監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)傳輸需求，徹底解決無線視頻傳輸速率的瓶頸。

    2）更低的系統(tǒng)時延

    用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100ms。更低的時延有利于保證無線視頻監(jiān)控的實時性。

    3）支持100Km半徑的小區(qū)覆蓋，能夠為350Km/h高速移動用戶提供大于100kbps的接入服務(wù)。這可滿足大部分移動設(shè)備的監(jiān)控需求，對LTE廣域無線視頻監(jiān)控具有重要意義。

    對比目前成熟應(yīng)用的基于WIFI（802.11n）的WLAN無線組網(wǎng)技術(shù)，TD-LTE專網(wǎng)具備更高的通信帶寬和更好的安全性。

    TD-LTE無線專網(wǎng)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景

    目前已有有部分政府、行業(yè)單位開始應(yīng)用TD-LTE無線專網(wǎng)來構(gòu)建一些城域范圍內(nèi)可移動的、靈活的專項應(yīng)用，比如公安、交通管理部門開始部署TD-LTE無線專網(wǎng)，并基于專網(wǎng)開展移動車輛視頻監(jiān)控、移動單兵多媒體指揮調(diào)度、移動辦公等高傳輸帶寬的應(yīng)用系統(tǒng)實踐。

    同樣的，可以將TD-LTE無線專網(wǎng)用于智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，其易組網(wǎng)、高安全和高帶寬的特點很適合智能電網(wǎng)地域分布廣泛、測量監(jiān)控點多、對可靠性和高帶寬能力要求較高的需求，能夠較好滿足智能配用電業(yè)務(wù)實時大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、傳輸以及安全可靠通信等方面的綜合需要，可以為我國發(fā)展智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)提供一種新的組網(wǎng)技術(shù)。

    TD-LTE無線專網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中可以作為應(yīng)急檢修搶救、視頻監(jiān)控、移動OA、配電自動化、負(fù)荷管理、用電信息采集等多種業(yè)務(wù)需求的通信承載網(wǎng)絡(luò)，其典型的系統(tǒng)應(yīng)用組網(wǎng)圖參考如下：

    主要組成包括：

    1）TD-LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)

    包括基站、核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺，其中基站根據(jù)覆蓋范圍、接入數(shù)量有所不同，應(yīng)急應(yīng)用中基站和核心網(wǎng)設(shè)備可以合二為一，快速配合后臺管理進行部署；

    2）TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)接入設(shè)備

    實現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)有線IP網(wǎng)絡(luò)、無線（WiFi）IP網(wǎng)絡(luò)、RS485工業(yè)總線、RS232串口等各種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接入、路由設(shè)備，是構(gòu)建傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的橋梁；

    3）TD-LTE融合監(jiān)控設(shè)備

    將TD-LTE技術(shù)直接和SCADA數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)攝像機相融合，構(gòu)建4G傳感器、4G數(shù)據(jù)采集器、4G攝像機等新一代TD-LTE無線專網(wǎng)融合監(jiān)控設(shè)備，無需外置轉(zhuǎn)換設(shè)備，提高設(shè)備的集成度，簡化架構(gòu)和提高系統(tǒng)的可靠性；

    4）TD-LTE訪問終端

    主要是各種TD-LTE單兵設(shè)備，基于新一代開放智能手機平臺和智能平板電腦平臺，采用安卓操作系統(tǒng)，可以用于移動指揮調(diào)度、視頻通信對講、線路巡檢、移動辦公業(yè)務(wù)、移動會議電視等各種移動應(yīng)用，作為現(xiàn)場管理、操作、維護人員的專業(yè)裝備，整合TD-LTE高速無線傳輸能力，大幅度提高無線移動辦公的效率和效果；

    TD-LTE無線專網(wǎng)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)變電站視頻監(jiān)控組網(wǎng)中的設(shè)計舉例

    1）需求分析

    以110V變電站為例，一般需要20個左右攝像機，需要通過4G鏈路上傳視頻數(shù)據(jù)，每個點位的網(wǎng)絡(luò)攝像機需要同時上傳2Mbps的TCP存儲流和2Mbps的UDP實況流，即一個攝像機點位需要4Mbps的帶寬，另外UDP流有可能是組播。在變電站的各個地方，有辦公用房，也有可能需要用4G手持終端設(shè)備查看視頻圖像，以及語音通話等功能。假設(shè)同時在用4G手持終端的是并發(fā)不超過50，流量以下行為主，單個手持終端速率在2Mbps。

    2）設(shè)計思路

    一般變電站的面積覆蓋半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LTE的理論覆蓋半徑，主要考慮上行容量的分配，設(shè)計S1/1/1的定向基站，建議安裝于變電站建筑的樓頂，由于每個攝像機需要4Mbps的帶寬，考慮攝像機分別平均分配接入S1/S2/S3扇區(qū)。無線配置采用下行2×2MIMO64QAM/上行SIMO16QAM，針對無線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)特點，推薦采用1DL:3UL子幀配置，單小區(qū)峰值上行速率26.24Mb/s，單小區(qū)峰值下行速率51.68Mb/s。視頻監(jiān)控存儲方式分為本地存儲和中心存儲。對于視頻錄像要求高安全等級的用戶，一般采用中心存儲方案，前端設(shè)備會一直將實時視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行臋C房的存儲服務(wù)器上進行存儲。以單扇區(qū)上行容量為20Mb/s為例，如果單路攝像機采用占用2Mb/s（720P），則單扇區(qū)可承載10路720P高清視頻；如果攝像機采用1Mb/s（D1），則單扇區(qū)的可承載13~20路D1格式標(biāo)清視頻；如果攝像機采用512kb/s（CIF），則單扇區(qū)可承載40路CIF格式視頻。本LTE視頻監(jiān)控解決方案可采用上下行3:1的子幀配比，從而大大提高上行業(yè)務(wù)吞吐量，滿足大容量視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)需求。如：在單基站S1/1/1的配置下，可支持141個攝像頭，每個攝像頭512kbps的帶寬。

    3）擴容分析

    根據(jù)變電站后期規(guī)劃，主要是容量受限，可根據(jù)基站的配置，最大可配置為12*20MHz2path的小區(qū)，詳見下表：基站接口板與容量的關(guān)系

    基站接口板配置容量

    1*CCU+1*TDDBPUTDD:2*20MHz8path/4*20MHz2path/8*20MHz1path

    1*CCU+1*TDDBPUTDD:2*20MHz8path/4*20MHz2path/8*20MHz1path

    1*CCU+2*TDDBPUTDD:4*20MHz8path/8*20MHz2path/16*20MHz1path

    1*CCU+3*TDDBPUTDD:6*20MHz8path/12*20MHz2path/24*20MHz1path

    4）基站安裝基本要求

    核心網(wǎng)設(shè)備（EPC）和基站（BBU）放置于機房，BBU通過光纖直接和EPC連接，或者通過交換機接口與核心網(wǎng)通信，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和基帶處理；射頻單元（RRU）與BBU間以及RRU之間通過光纖連接；RRU負(fù)責(zé)無線射頻處理,設(shè)備之間的連接詳見下圖：

    5）LTE無線專網(wǎng)設(shè)備

    a）核心網(wǎng)設(shè)備（EPC）

    根據(jù)用戶數(shù)、吞吐量等確定服務(wù)器硬件配置。

    b）基站設(shè)備（BBU）

    無線標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE3GPPR9

    支持帶寬5/10/15/20MHz

    容量12´20MHz2通道

    外觀尺寸2U/19英寸：88mm×480mm×368mm(H×W×D)

    滿配重量<12kg

    供電方式交流~220v(140V~300V)；直流-48V（-40V~-57V）

    滿載功耗不大于300W

    IR接口10G\5G\2.5G×2/基帶板

    S1接口GE

    安裝方式機柜、機架、掛墻

    級聯(lián)最大支持級聯(lián)4級RRU

    防護等級IP20

    業(yè)務(wù)能力BBU每扇區(qū)支持的激活態(tài)（RRC連接非DRX狀態(tài)）用戶數(shù)不低于400，RRC連接用戶數(shù)不低于1200；

    BBU支持高速用戶(超過350km/h)；

    BBU支持100Mbps的單小區(qū)下行峰值速率；

    BBU支持50Mbps的單小區(qū)上行峰值速率；

    BBU支持BBU和RRU間時間延遲測量和補償

    同步模式支持GPS,1588同步

    c）射頻處理設(shè)備（RRU）

    無線標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE3GPPR9

    工作頻率1.8GHz，可定制

    支持帶寬5/10/15/20MHz

    靈敏度-104dBm

    容量2通道

    發(fā)射功率20W/通道

    整機效率27%

    體積355mm×285mm×147mm(長×寬×厚)

    滿配重量15kg

    供電方式交流~220v(140V~300V)；

    直流-48V（-40V~-57V）

    IR接口10G´2

    安裝方式抱桿安裝、掛墻安裝和立架安裝

    級聯(lián)最大支持級聯(lián)4級RRU

    防護等級IP65

    6）話音及組播

    采用基于LTE的寬帶集群無線解決方案，將節(jié)省大量基礎(chǔ)設(shè)施投資，減少設(shè)備數(shù)量，降低運行維護成本；語音、數(shù)據(jù)、視頻一體化通信將提高作業(yè)效率，減少運營成本。為滿足工程需要，選用第三方調(diào)度服務(wù)器實現(xiàn)話音及組播功能。調(diào)度系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)，將視頻、語音、數(shù)據(jù)調(diào)度等多業(yè)務(wù)融合一體，系統(tǒng)建立群組通信時間小于500ms，系統(tǒng)可靈活劃分組群，不同群組間互不影響。

    7）變電站干擾分析

    高壓架空輸電線的無線電干擾是高壓送變電工程對周圍環(huán)境影響的重要考核指標(biāo)之一，包括導(dǎo)線電暈、絕緣子表面局部放電和金具的電暈，當(dāng)運行電壓在100kv以上（通常導(dǎo)線表面電位梯度>12kv/cm）時，第一種根源占據(jù)主導(dǎo)地位，成為不可消除的，屬線路固有的特性。因此，導(dǎo)線電暈通常是高壓線路無線電干擾的主要根源。電暈干擾電平主要是造成對附近居民的收音機、電視機等電器的干擾，對電視頻段接收產(chǎn)生干擾的主要是火花放電，但電暈現(xiàn)象會在項目投入運行后逐步減弱并趨于穩(wěn)定，無線電干擾不會對人產(chǎn)生危害。

    為保護廣播電視等正常通信，國家出臺了高壓交流架空送電線無線電干擾值標(biāo)準(zhǔn)對高壓交流架空送電線在正常運行時的無線電干擾加以限制。

    特高壓輸電導(dǎo)線的電磁干擾主要由電暈放電產(chǎn)生，干擾可達到GHz級別以上，無線電信號導(dǎo)線電暈干擾的頻率范圍較寬，但是占有帶寬有限，主要能量集中在＜10MHz，測試中如果發(fā)現(xiàn)在(0.15—30)MHz頻段內(nèi)某頻率點的干擾場強特別大，應(yīng)該用頻譜儀隨機帶的耳機進行監(jiān)聽，判斷是否在此頻點附近有廣播的影響。如果是因為廣播影響，應(yīng)在此頻點±5%的范圍內(nèi)進行偏頻測量。

    隨著頻率增高干擾分量的幅值下降非常迅速,下圖為交流1000KV交流特高壓試驗示范工程輸電線路運行后經(jīng)觀測統(tǒng)計的無線電干擾（單位dB，其基準(zhǔn)值為0dB對應(yīng)1μV／ｍ）頻譜特性，從圖中可以看出到頻率下降到10MHz以后，干擾幅值相對于0.5MHz已下降了約30dB，基本已淹沒于背景噪聲中。

    初步結(jié)論：

    --4G使用的頻段在2GHz左右,與交流高壓變電站的無線電干擾頻段差別很大，變電站的建設(shè)不會影響該地的移動通信4G網(wǎng)絡(luò)；

    --在特高壓線路帶電和不帶電實驗條件下得到的GPS觀測點坐標(biāo)基本一致，基本沒有受到特高壓線路帶電與不帶電的明顯影響。

    結(jié)束語

    伴隨著以TD-LTE技術(shù)為代表的4G技術(shù)在中國的大力推廣應(yīng)用,國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出多家有實力的企業(yè)在傳輸組網(wǎng)設(shè)備、專網(wǎng)芯片、數(shù)據(jù)采集終端、視頻采集終端等各個領(lǐng)域開發(fā)出或即將開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，比如大唐移動、烽火虹信推出了完整的端到端TD-LTE無線專網(wǎng)傳輸解決方案產(chǎn)品，華為、上海亮衡推出的全頻段TD-LTE無線專網(wǎng)芯片，浙江宇視、浙江大華等推出的4G專網(wǎng)監(jiān)控攝像機和單兵終端等產(chǎn)品等，在政策、廠商和用戶需求的共同推動下，相信不久的將來，TE-LTE無線專網(wǎng)通信技術(shù)會在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮出越來越重要的作用。