衷宇清1，王  敏1，孫  穎1，王  浩1，陳永濤1，謝  凱2，余曉東2

　　（1. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620；2. 普天信息技術有限公司，北京 100080）

　　摘  要： TD-LTE無線寬帶通信技術已在電力行業大規模應用，用于承載配電網通信系統的計量、配電自動化業務，該技術在工程實施過程中時常遇到諸如地下室、樓宇死角等區域信號難以覆蓋的問題，導致這些區域里電房的計量、配電終端無法實現自動化。本文介紹了一種工作在開放頻段的無線中繼系統設計方案，相關產品已批量應用到TD-LTE230無線寬帶通信網絡中，有效解決了無線網絡信號盲區難以覆蓋的問題，該方案通過技術經濟測算也具有可推廣價值。

　　關鍵詞： TD-LTE；無線中繼系統；信號盲區；計量自動化；配電自動化

0 引言

　　第四代移動通信系統LTE是國際主流開發的通信系統，TD-LTE230電力無線通信系統（簡稱“LTE230”）是以第四代移動通信技術為基礎，結合電力已有的230 MHz頻譜資源為電力系統提供高性能的無線通信專網解決方案，滿足堅強電網的通信和信息化發展需求。該系統在廣州花都區大規模應用過程中，常遇到居民小區、大型寫字樓或者商場內部的地下室、樓宇死角等信號盲區無法覆蓋的難題。

　　目前，對于信號盲區多采用終端天線拉遠或者終端拉遠方式進行解決，但方案存在拉遠距離近、施工量大、物業協調困難等問題。在這種情況下，本文提出一種基于開放頻段的無線中繼系統解決方案。

1 無線中繼系統解決方案

　　1.1 LTE230系統介紹

　　LTE230系統是針對電力行業無線通信應用需求，基于OFDM、自適應編碼調制、自適應重傳等LTE核心技術，使用電力行業在230MHz頻段已有授權頻譜資源研發的無線數據通信系統，支持包括用電信息采集、配電自動化、視頻傳輸等電力業務，并能根據電力用戶需求不斷進行改進與定制。該系統具有廣覆蓋、海量用戶、高可靠性、高速率傳輸、實時性強、安全性強、頻譜適應性強等特點。LTE230網絡拓撲結構圖如圖1所示。

　　1.2 無線中繼系統介紹

　　無線中繼系統工作在開放頻段，基于ZigBee無線技術，具備自組網能力，支持多跳傳輸。該系統的主要設計指標是能與遠距離傳輸的LTE230終端通信模塊配套使用，解決LTE230電力無線專網在大面積覆蓋時遇到的地下室、樓宇死角等信號覆蓋差的問題。無線中繼系統與LTE230系統組網方案如圖2所示。

　　無線中繼系統與LTE230系統的組網方案具有以下特點：

　　（1）視距1 200 m；

　　（2）Mesh網絡；

　　（3）開放頻段，抗干擾能力強；

　　（4）支持多跳。

　　1.2.1  總體設計

　　（1）網絡拓撲圖

　　無線中繼系統支持自組網，支持mesh網絡，任意節點都可以互相通信，支持多跳傳輸，最終通過AP連接外網。網絡拓撲圖如圖3所示。

　　（2）網絡層次架構

　　無線中繼系統采用四層網絡架構，分別為物理層(PHY)、媒介訪問控制層(MAC)、網絡層(NWK)、應用層(APP)。如圖4所示。

　　1.2.2  系統組成

　　整個無線中繼系統由接入點（AP）、終端節點（ED）兩部分組成，內含嵌入式模塊，其中AP負責遠距離LTE230信號與無線中繼系統近距離信號的轉換；ED負責與電力行業終端（計量自動化、配電自動化終端）進行對接。

　　（1）接入點（AP）

　　接入點AP負責遠距離LTE230信號與無線中繼系統近距離信號的轉換，同時支持LTE230網絡和無線中繼系統近距離通信網絡，該設備符合IP65防護等級支持室外安裝。該設備主要安裝在建筑物外或樓體間的入口等LTE230信號較好的區域，用于接收LTE230的信號，并轉化為無線中繼系統信號，與地下室內的其他無線中繼系統設備通信。

　　（2）終端節點（ED）

　　終端節點負責最后與電力終端進行對接，將電力終端信號轉換為無線中繼系統信號，該終端體積小，功耗低，便于安裝，支持串口傳輸，采用24 V供電方式。

　　（3）電源系統

　　從實際應用環境來看，無線中繼系統在多數情況下，需要安裝在居民樓、大型樓宇等地點，需要與第三方物業進行協調獲準后方可進行安裝。特別是取電問題是方案是否可行的關鍵。

　　接入點AP采用220 V交流供電加備用鋰電池的方式。220 V交流電通過地下室或樓體間內的應急供電系統或者樓梯間照明系統進行供電。

　　考慮到樓道內部供電可靠性不高，設備內部增加了鋰電池供電模塊，當外部電源穩定時系統正常工作，同時鋰電池進行充電，當外部電源故障后，鋰電池進行供電，可維持系統正常運行4~5天。接入點AP的內部結構如圖5所示。

　　1.2.3  技術指標

　　無線中繼系統技術指標如表1所示。

2  無線中繼系統現網應用情況

　　2.1  地下室覆蓋測試

　　2.1.1  現場環境

　　某小區電房在地下車庫，從電房到車庫入口非直視路徑距離約30多米，雖然在LTE230基站覆蓋范圍內，但是由于距離地面較遠，LTE230信號無法覆蓋。

　　2.1.2  系統安裝

　　地下室離地面距離較遠，但中間沒有多道墻體和門體阻隔，通過現場信號測試，采用一個接入點AP就可將LTE230信號延伸覆蓋至電房。無線中繼系統接入點AP安裝現場如圖6所示。

　　2.1.3  系統調試

　　首先，測試地下車庫入口處230信號強度，RSRP為-95 dBm，SNR大于10 dB，滿足LTE230的安裝要求。

　　將模擬無線中繼系統信號源安放于電房配變監測終端內，攜帶便攜無線中繼系統模塊測試下一個接收點，對誤塊率進行測試。誤塊率低于1%的最遠點就是下一個安裝點。安裝點主要選擇在有供電，且便于解決的地方，避免對建筑物產生破壞，同時注意安裝的美觀性。

　　確定安裝點后，進行設備的安裝，安裝完成后對天線的位置進行調整。使用專用的無線中繼系統模擬信號源和監控終端對每一個終端的轉發包和反饋包進行監控和匹配，如果存在丟包或反饋不正常的情況則對天線安放位置進行微調，直到數據傳輸正常為止。

　　最后，搭建模擬主站，進行LTE230 + 無線中繼系統的全鏈路測試。從模擬主站發包進行還回測試，每包20 B，模擬主站進行接收并統計丟包率，發送1 000包，收到994包,測得丟包率小于1%。

　　2.2  測試結果

　　2.2.1  室內同層最遠距離測試

　　測試地下室環境下無線中繼系統模塊一跳的覆蓋距離，測試條件預置位：發射功率為50 mW，空口速率設置為19.2 kb/s，帶寬設置為200 kHz，頻偏設置為60 kHz，視距77 m左右。測試方案如圖7所示。測試結果如表2。

　　2.2.2  室內隔層傳輸能力測試

　　隔層條件下，發送點位于某大廈B1層，接收點位于大廈3層，測試方案如圖8所示。測試結果如表3。

　　2.2.3  室內隔層斜穿傳輸能力測試

　　隔層條件下（斜穿穿透方向），發送點位于大廈1層西南角，接收點位于B1層東北角（距離40 m）。室內隔層斜穿傳輸能力如圖9所示。測試結果如表4。

　　2.2.4  穿門測試

　　發送點和接收點分別位于鐵門兩側，穿門損耗為20 dBm，穿門測試方案如圖10所示。

　　2.2.5   測試結果

　　在丟包率小于2%的情況下測試結果如表5。

　　（1）通過無線中繼系統無線轉接，僅通過一跳將LTE230終端從地下室轉地面門口處，信號強度從-125 dBm提升到-103 dBm實現了地下室測試效果；

　　（2）無線中繼系統信號穿透能力、繞射能力強，信號穩定，丟包率低；

　　（3）接入點AP，利用樓梯口的應急燈進行取電，順利解決了安裝取電的問題，

　　（4）接口聯通順暢，安裝簡潔。

　　2.2.6  系統優點總結

　　基于開放頻段的無線中繼系統通信方案具有以下優點：

　　（1）采用受保護頻段，干擾相對較少；

　　（2）采用無線中繼方式，避免了拉線等施工難題，對物業破壞小，物業協調簡單；

　　（3）支持220 V市電，并備有應急鋰電池，電源供應穩定可靠，容災性強；

　　（4）無線傳輸支持HARQ等重傳機制，保證系統傳輸質量。

3  結論

　　無線中繼系統的設計研發解決了LTE230無線寬帶通信系統信號盲區的覆蓋問題，多數情況下，無線中繼系統僅需要“一跳”即可以實現無線信號的轉接，網元增加量少，后續LTE230網管系統將增加對無線中繼系統終端的網絡管理功能，無線中繼系統設備是否故障在網管中心一目了然，大大減小了系統維護的復雜度。

　　通過現網運行測試顯示無線中繼系統穩定，能夠滿足計量自動化、配電自動化業務的承載需求。作為對LTE230系統信號覆蓋重要的補充手段，無線中繼系統免去布線的復雜工作量，簡單易行，經濟效益也較天線拉遠等方式明顯，可做為配電通信網建設中信號的計量中繼、配電中繼推廣應用。

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