智能电网通信网新组网技能TD LTE无线专网

    智能电网，是建立在现代通信网络平台基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，构建贯穿发、输、变、配、用电和调度全环节、全电压等级的新一代电网。

    智能电网最重要的特征是具备“自愈”能力，能够自主将电网中的问题部件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态。实现这一点需要依靠现代通信网络对智能电网中各个环节实现不间断实时测量和监测，基于采集到的数据和相应的处理算法实现预警、检查并采取相应的控制行动。

    同时，由于智能电网的各个环节部署着大量的具备标准IP网络通信能力的设备和业务终端，使得网络安全环境更加复杂，智能电网通信网络必须具备抵御网络攻击的能力，最大限度地降低各种网络攻击导致的后果和快速恢复供电服务，避免损失。

    可以说智能电网的发展离不开通信网络的发展，在智能电网覆盖范围不断扩展，承载业务不断增加，对信息安全要求越来越高的今天，如何快速、低成本的构建一个能够广泛覆盖智能电网各个环节，同时又能尽可能保证安全性的新一代通信网络成为当前智能电网建设一个重要的研究课题。

    TD–LTE无线专网通信技术简介

    移动通信技术已经从2G、3G发展到4G（第四代通信网的简称络技术）,包括和FDD-LTE两种工作模式，两个模式间只存在较小的差异，相似度达90%，TD即时分双工(TimeDivisionDuplexing)，是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD频分双工相对应。TD-LTE通信技术具备高宽带，穿透力强，覆盖范围广，语音数据一体化的L特点，除了民用领域应用外，在各种需要专业集群调度、高速数据传输、高清无线视频传输的领域，也具备非常巨大的应用价值。

    随着2013年12月4日中国移动、中国电信和中国联通三大运营商正式获得TD-LTE制式的4G牌照,以TD-LTE技术为代表的4G技术与产品开始正式大规模在全行业开展应用。相对3G技术，TD-LTE技术可以提供最大100Mbit/s与上行50Mbit/s的理论峰值传输速率，速度提高了近50倍。而实际应用中，由于单个基站需要同时承载的接入数不同，实际传输速率在理论值的1/10至1/5,即使这样的传输速度，TD-LTE技术依旧可以基本满足传输高清视频所需的网络带宽需求，这在3G时代是很难高质量实现的。

    普通民众现在已经可以方便的购买到符合各大运营商标准的4G手机，这些手机包括一些4G接入上网设备都是工作在公共4G网络上，实际使用时需要占用所在基站的网络带宽，传输速度根据基站接入客户数不同而不同，无法保障每个用户的接入带宽，同时相对较高的数据流量费用也限制了普通民众在4G环境下使用高清视频等多媒体业务，网络的开放性和标准化客观上也导致网络存在一定的安全隐患；如果用这样的网络来承载一些行业用户的专业数据传输业务，显然是不合适的。

    在这样的背景下，TD-LTE无线专网技术应运而生，它和面向普通公众提供通话、数据服务的公网通信技术最大的区别就是工作的频谱不一样，4G公网的频谱是：中国移动-1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中国联通-2300-2320MHz、2555-2575MHz；中国电信-2370-2390MHz、2635-2655MHz。而TD-LTE无线专网工作的频段主要是1.4G(1447MHz-1467MHz)和1.8G（1785MHz-1805MHz），具体频段申请由各省市无线电管理机构管理。

    除频段外，TD-LTE无线专网和公网技术几乎完全一样，由于专网和公网完全隔离，不会受到公众应用的影响，同时没有公众网络运营费用的支出，其专有频段和专用通信设备的组网模式也最大程度杜绝了各种信息安全隐患和非法侵入的产生；相对于目前WIFI等其它无线组网技术和标准有线组网技术,TD-LTE专网在大型城域组网建设上具备安全性高、组网灵活快捷，成本相对较低等特点；同时，基于TD-LTE的4G专网技术局部频谱资源丰富、效率高的特点，在当前各地加强智慧城市建设的大背景下，相关应用容易受到政府支持，所需频段可以方便的在无线电管理机构进行申请；

    TD-LTE的主要优势包括：

    1）带宽和上下行速率可灵活配置

    LTE支持成对或非成对频谱，可灵活支持1.4M、2.5M、5M、10M、15M、20M系统带宽，在20MHz频谱带宽下可提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率。该速率可以满足多监控终端的数据传输需求，彻底解决无线视频传输速率的瓶颈。

    2）更低的系统时延

    用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。更低的时延有利于保证无线视频监控的实时性。

    3）支持100Km半径的小区覆盖，能够为350Km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务。这可满足大部分移动设备的监控需求，对LTE广域无线视频监控具有重要意义。

    对比目前成熟应用的基于WIFI（802.11n）的WLAN无线组网技术，TD-LTE专网具备更高的通信带宽和更好的安全性。

    TD-LTE无线专网通信技术在智能电网通信网络中的应用前景

    目前已有有部分政府、行业单位开始应用TD-LTE无线专网来构建一些城域范围内可移动的、灵活的专项应用，比如公安、交通管理部门开始部署TD-LTE无线专网，并基于专网开展移动车辆视频监控、移动单兵多媒体指挥调度、移动办公等高传输带宽的应用系统实践。

    同样的，可以将TD-LTE无线专网用于智能电网通信网络建设中，其易组网、高安全和高带宽的特点很适合智能电网地域分布广泛、测量监控点多、对可靠性和高带宽能力要求较高的需求，能够较好满足智能配用电业务实时大规模数据采集、传输以及安全可靠通信等方面的综合需要，可以为我国发展智能电网通信网络提供一种新的组网技术。

    TD-LTE无线专网技术在智能电网通信网络中可以作为应急检修抢救、视频监控、移动OA、配电自动化、负荷管理、用电信息采集等多种业务需求的通信承载网络，其典型的系统应用组网图参考如下：

    主要组成包括：

    1）TD-LTE传输网络

    包括基站、核心网设备、网络管理系统和网络业务平台，其中基站根据覆盖范围、接入数量有所不同，应急应用中基站和核心网设备可以合二为一，快速配合后台管理进行部署；

    2）TD-LTE标准接入设备

    实现将标准有线IP网络、无线（WiFi）IP网络、RS485工业总线、RS232串口等各种网络转换为TD-LTE网络的网络接入、路由设备，是构建传统网络和4G网络的桥梁；

    3）TD-LTE融合监控设备

    将TD-LTE技术直接和SCADA数据采集设备、网络摄像机相融合，构建4G传感器、4G数据采集器、4G摄像机等新一代TD-LTE无线专网融合监控设备，无需外置转换设备，提高设备的集成度，简化架构和提高系统的可靠性；

    4）TD-LTE访问终端

    主要是各种TD-LTE单兵设备，基于新一代开放智能手机平台和智能平板电脑平台，采用安卓操作系统，可以用于移动指挥调度、视频通信对讲、线路巡检、移动办公业务、移动会议电视等各种移动应用，作为现场管理、操作、维护人员的专业装备，整合TD-LTE高速无线传输能力，大幅度提高无线移动办公的效率和效果；

    TD-LTE无线专网通信技术在智能电网变电站视频监控组网中的设计举例

    1）需求分析

    以110V变电站为例，一般需要20个左右摄像机，需要通过4G链路上传视频数据，每个点位的网络摄像机需要同时上传2Mbps的TCP存储流和2Mbps的UDP实况流，即一个摄像机点位需要4Mbps的带宽，另外UDP流有可能是组播。在变电站的各个地方，有办公用房，也有可能需要用4G手持终端设备查看视频图像，以及语音通话等功能。假设同时在用4G手持终端的是并发不超过50，流量以下行为主，单个手持终端速率在2Mbps。

    2）设计思路

    一般变电站的面积覆盖半径远远小于LTE的理论覆盖半径，主要考虑上行容量的分配，设计S1/1/1的定向基站，建议安装于变电站建筑的楼顶，由于每个摄像机需要4Mbps的带宽，考虑摄像机分别平均分配接入S1/S2/S3扇区。无线配置采用下行2×2MIMO64QAM/上行SIMO16QAM，针对无线视频监控业务特点，推荐采用1DL:3UL子帧配置，单小区峰值上行速率26.24Mb/s，单小区峰值下行速率51.68Mb/s。视频监控存储方式分为本地存储和中心存储。对于视频录像要求高安全等级的用户，一般采用中心存储方案，前端设备会一直将实时视频数据传输到中心机房的存储服务器上进行存储。以单扇区上行容量为20Mb/s为例，如果单路摄像机采用占用2Mb/s（720P），则单扇区可承载10路720P高清视频；如果摄像机采用1Mb/s（D1），则单扇区的可承载13~20路D1格式标清视频；如果摄像机采用512kb/s（CIF），则单扇区可承载40路CIF格式视频。本LTE视频监控解决方案可采用上下行3:1的子帧配比，从而大大提高上行业务吞吐量，满足大容量视频监控业务需求。如：在单基站S1/1/1的配置下，可支持141个摄像头，每个摄像头512kbps的带宽。

    3）扩容分析

    根据变电站后期规划，主要是容量受限，可根据基站的配置，最大可配置为12*20MHz2path的小区，详见下表：基站接口板与容量的关系

    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）基站安装基本要求

    核心网设备（EPC）和基站（BBU）放置于机房，BBU通过光纤直接和EPC连接，或者通过交换机接口与核心网通信，负责数据传输和基带处理；射频单元（RRU）与BBU间以及RRU之间通过光纤连接；RRU负责无线射频处理,设备之间的连接详见下图：

    5）LTE无线专网设备

    a）核心网设备（EPC）

    根据用户数、吞吐量等确定服务器硬件配置。

    b）基站设备（BBU）

    无线标准TD-LTE3GPPR9

    支持带宽5/10/15/20MHz

    容量12´20MHz2通道

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

    满配重量<12kg

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

    满载功耗不大于300W

    IR接口10G\5G\2.5G×2/基带板

    S1接口GE

    安装方式机柜、机架、挂墙

    级联最大支持级联4级RRU

    防护等级IP20

    业务能力BBU每扇区支持的激活态（RRC连接非DRX状态）用户数不低于400，RRC连接用户数不低于1200；

    BBU支持高速用户(超过350km/h)；

    BBU支持100Mbps的单小区下行峰值速率；

    BBU支持50Mbps的单小区上行峰值速率；

    BBU支持BBU和RRU间时间延迟测量和补偿

    同步模式支持GPS,1588同步

    c）射频处理设备（RRU）

    无线标准TD-LTE3GPPR9

    工作频率1.8GHz，可定制

    支持带宽5/10/15/20MHz

    灵敏度-104dBm

    容量2通道

    发射功率20W/通道

    整机效率27%

    体积355mm×285mm×147mm(长×宽×厚)

    满配重量15kg

    供电方式交流~220v(140V~300V)；

    直流-48V（-40V~-57V）

    IR接口10G´2

    安装方式抱杆安装、挂墙安装和立架安装

    级联最大支持级联4级RRU

    防护等级IP65

    6）话音及组播

    采用基于LTE的宽带集群无线解决方案，将节省大量基础设施投资，减少设备数量，降低运行维护成本；语音、数据、视频一体化通信将提高作业效率，减少运营成本。为满足工程需要，选用第三方调度服务器实现话音及组播功能。调度系统基于IP网络，将视频、语音、数据调度等多业务融合一体，系统建立群组通信时间小于500ms，系统可灵活划分组群，不同群组间互不影响。

    7）变电站干扰分析

    高压架空输电线的无线电干扰是高压送变电工程对周围环境影响的重要考核指标之一，包括导线电晕、绝缘子表面局部放电和金具的电晕，当运行电压在100kv以上（通常导线表面电位梯度>12kv/cm）时，第一种根源占据主导地位，成为不可消除的，属线路固有的特性。因此，导线电晕通常是高压线路无线电干扰的主要根源。电晕干扰电平主要是造成对附近居民的收音机、电视机等电器的干扰，对电视频段接收产生干扰的主要是火花放电，但电晕现象会在项目投入运行后逐步减弱并趋于稳定，无线电干扰不会对人产生危害。

    为保护广播电视等正常通信，国家出台了高压交流架空送电线无线电干扰值标准对高压交流架空送电线在正常运行时的无线电干扰加以限制。

    特高压输电导线的电磁干扰主要由电晕放电产生，干扰可达到GHz级别以上，无线电信号导线电晕干扰的频率范围较宽，但是占有带宽有限，主要能量集中在＜10MHz，测试中如果发现在(0.15—30)MHz频段内某频率点的干扰场强特别大，应该用频谱仪随机带的耳机进行监听，判断是否在此频点附近有广播的影响。如果是因为广播影响，应在此频点±5%的范围内进行偏频测量。

    随着频率增高干扰分量的幅值下降非常迅速,下图为交流1000KV交流特高压试验示范工程输电线路运行后经观测统计的无线电干扰（单位dB，其基准值为0dB对应1μV／ｍ）频谱特性，从图中可以看出到频率下降到10MHz以后，干扰幅值相对于0.5MHz已下降了约30dB，基本已淹没于背景噪声中。

    初步结论：

    --4G使用的频段在2GHz左右,与交流高压变电站的无线电干扰频段差别很大，变电站的建设不会影响该地的移动通信4G网络；

    --在特高压线路带电和不带电实验条件下得到的GPS观测点坐标基本一致，基本没有受到特高压线路带电与不带电的明显影响。

    结束语

    伴随着以TD-LTE技术为代表的4G技术在中国的大力推广应用,国内已经涌现出多家有实力的企业在传输组网设备、专网芯片、数据采集终端、视频采集终端等各个领域开发出或即将开发出相应的产品，比如大唐移动、烽火虹信推出了完整的端到端TD-LTE无线专网传输解决方案产品，华为、上海亮衡推出的全频段TD-LTE无线专网芯片，浙江宇视、浙江大华等推出的4G专网监控摄像机和单兵终端等产品等，在政策、厂商和用户需求的共同推动下，相信不久的将来，TE-LTE无线专网通信技术会在智能电网通信网络中发挥出越来越重要的作用。