(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 引 言

傳統(tǒng)的水利建設(shè)項(xiàng)目往往采用粗放型管理，普遍存在管理能力與水平相對(duì)滯后的問題，大量資料仍以手工作業(yè)為主，工程管理部門難以及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地了解工程發(fā)展?fàn)顩r及變化趨勢(shì)，導(dǎo)致管理目標(biāo)無法量化。在水資源日益緊缺的今天，每一滴水都要物盡其用，傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)不滿足當(dāng)下需求，應(yīng)對(duì)水資源實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。而對(duì)水資源進(jìn)行精細(xì)化管理，就需要對(duì)水資源信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控渠系運(yùn)行情況，并相應(yīng)采取措施，以實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主的水利信息化。在水利信息化過程中，對(duì)前端信息的采集是重點(diǎn)，而對(duì)這些信息的有效傳輸則是重中之重。

水利工程的信息傳輸一般采用傳統(tǒng)的有線傳輸方式，但大多數(shù)水利工程由于受水資源地理位置限制，需從位置偏僻的水庫(kù)、河流中取水，而工程管理部門往往離工程位置較遠(yuǎn)。這種項(xiàng)目的有線光纜敷設(shè)就需要采取破路、過橋等一系列施工措施，其投資高、難度大，需協(xié)調(diào)的企業(yè)和部門也很多。考慮到這些問題，必須尋找一條有別于有線通信的無線通信方式來解決此類項(xiàng)目中信息的傳輸問題，滿足工程長(zhǎng)期運(yùn)行的需求。

2 工程概況

引長(zhǎng)入連工程位于內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣境內(nèi)，主要由取水泵站樞紐工程和輸水管線工程兩部分組成。取水泵站從長(zhǎng)沙壩水庫(kù)內(nèi)雷公田處抽水至2000m3高位水池后，經(jīng)長(zhǎng)度18.541km管道以重力流方式，先后輸水至川威集團(tuán)成渝釩鈦基地和已成船石湖水庫(kù)。通信系統(tǒng)根據(jù)工程特點(diǎn)，須將視頻監(jiān)視及泵站控制的數(shù)據(jù)匯聚至泵站高位水池，再經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳至大壩管理局處。大壩管理局不在輸水線路上，且距泵站約20km，途經(jīng)河流、公路和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，敷設(shè)光纜非常困難。

高位水池和大壩管理局的地理位置如圖1所示。

3 無線傳輸特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

3.1 無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)部開始出現(xiàn)以低頻段TD-LTE為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸系統(tǒng)。TD-LTE作為我國(guó)自主專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為3GPP審核的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，TD-LTE有著如下的特點(diǎn)：

a.傳輸時(shí)延：用戶面時(shí)延(單向)小于5ms，控制面時(shí)延小于100ms。

b.帶寬靈活選擇：5km半徑范圍內(nèi)效果優(yōu)秀，5～30km屬于可接受范圍內(nèi)的下降，最大支持100km半徑覆蓋。

c.系統(tǒng)容量：下行達(dá)到100Mb/s，上行達(dá)到30Mb/s，頻譜效率達(dá)到3GPP R6的2～4倍，提高小區(qū)邊緣用戶的使用效果。

d.移動(dòng)性支持：0～120km/h移動(dòng)速度下高性能，最大支持300km/h移動(dòng)速度。

TD-LTE基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TD-LTE基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

TD-LTE無線專網(wǎng)，與光纖方案對(duì)比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2.1 信息安全性

TD-LTE是中國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本土企業(yè)掌握從芯片到終端的所有技術(shù)，在端到端的全產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域具有自主研發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在安全體系設(shè)計(jì)方面，TD-LTE在傳統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，在AN和SN之間、ME和SN之間和歸屬網(wǎng)絡(luò)HE和SN之間均進(jìn)行雙向安全保護(hù)。

在安全層次設(shè)計(jì)方面，針對(duì)3G只有一層安全缺陷，TD-LTE采用了分層安全機(jī)制，即分為AS層和NAS層，通過這種分層保護(hù)的安全架構(gòu)，使LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)的安全威脅降到最低。

在鑒權(quán)機(jī)制設(shè)計(jì)上，TD-LTE對(duì)鑒權(quán)流程進(jìn)行了深度優(yōu)化，能夠保證UE穩(wěn)定且安全接入，有效杜絕非法用戶的連接。

在安全保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)上，TD-LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全都是基于可選的算法來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)核心算法確定后，TD-LTE依次進(jìn)行信令的加密和完整性保護(hù)，以及用戶數(shù)據(jù)的加密。

3.2.2 工程實(shí)施

TD-LTE專網(wǎng)的建設(shè)非常方便，能夠最大程度上節(jié)省人力、物力和財(cái)力。無線專網(wǎng)采用無線電波實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，泵站內(nèi)視頻、數(shù)據(jù)及語音信息通過專網(wǎng)基站實(shí)現(xiàn)逐級(jí)回傳，無須進(jìn)行線纜的敷設(shè)，能夠減少征地，減小資金投入，加快工程實(shí)施進(jìn)度。TD-LTE專網(wǎng)設(shè)備集成度高，設(shè)備安裝方便、調(diào)試簡(jiǎn)單、建網(wǎng)速度快，可以有效減少施工時(shí)間。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性

TD-LTE無線專網(wǎng)具備強(qiáng)大的擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模伸縮自如，適應(yīng)不同規(guī)模應(yīng)用。TD-LTE可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的接入，一個(gè)基站可以同時(shí)支持多個(gè)終端的接入，在新建數(shù)據(jù)采集點(diǎn)時(shí)，可以通過安裝一個(gè)終端設(shè)備，就近接入現(xiàn)有的基站設(shè)備中，實(shí)施起來非常方便，避免大量的工程實(shí)施工作量。

TD-LTE已具備從系統(tǒng)、終端、芯片，到測(cè)試設(shè)備的完善的商用產(chǎn)業(yè)鏈布局，全球已經(jīng)規(guī)模商用部署，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)、電信、聯(lián)通的4G網(wǎng)絡(luò)全部使用了TD-LTE技術(shù)，為水利行業(yè)使用TD-LTE提供了條件，水利行業(yè)也應(yīng)順應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展，采用先進(jìn)而方便的4G無線通信技術(shù)。

4 通信需求

本工程需要將高位水池處的10路視頻信號(hào)和1路泵控信號(hào)回傳到位于水庫(kù)管理局的監(jiān)控中心，視頻采用1080P分辨率，壓縮格式采用H.265。視頻信號(hào)和泵站信號(hào)的流量需求分析如表1所列。

表1 視頻信號(hào)和泵站信號(hào)的流量需求分析

從表1中分析，在定碼率的情況下，流量需求約為23Mb/s，考慮到視頻信號(hào)和泵控信號(hào)的峰值流量波動(dòng)，總流量需求在22～30Mb/s。

5 方案比選

本工程通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上述通信需求，擬定兩個(gè)通信方案，即光纖通信和TD-LTE無線專網(wǎng)。

5.1 技術(shù)方案比較

5.1.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

a.本工程位于丘陵地區(qū)，開挖光纜溝工程實(shí)施難度大，光纖網(wǎng)絡(luò)只能沿河架設(shè)，無形中增加了光纖敷設(shè)的距離，初步估計(jì)光纜長(zhǎng)度約為26km，且野外光纖維護(hù)非常不便。

b.無線專網(wǎng)天線擬設(shè)置于高位水池桿塔上，由于高位水池的地理位置高于附近的山頭，如采用25m高鐵塔進(jìn)行無線傳輸，沿線幾乎無遮擋，將有較好的視距。

5.1.2 設(shè)備選擇

a.光纖通信傳輸主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖數(shù)字傳輸設(shè)備，利用沿線敷設(shè)的光纖構(gòu)成1.25G復(fù)用段保護(hù)結(jié)構(gòu)，技術(shù)體制采用基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)MSTP(Multi-Service Transfer Platform)系統(tǒng)，內(nèi)嵌RPR技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)TDM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送。

根據(jù)業(yè)務(wù)需要，在泵站和大壩管理局分別配置1套光傳輸SDH設(shè)備。傳輸設(shè)備利用沿線光纜組成1.25G 1+1 MSP保護(hù)。設(shè)備內(nèi)核心單板均配置1+1保護(hù)，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供2M、10M、100M、1000M等多種業(yè)務(wù)接口。

b.無線專網(wǎng)擬采用低頻段TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，將視頻、泵站控制信號(hào)和數(shù)據(jù)回傳到大壩管理局。低頻段TD-LTE信號(hào)繞射能力強(qiáng)，空間損耗小，相對(duì)于運(yùn)營(yíng)商采用的高頻段，空間中傳播衰耗減少10～20dB，覆蓋距離有幾倍以上的提升。

整個(gè)LTE系統(tǒng)由核心網(wǎng)，BBU基站和終端CPE組成。核心網(wǎng)和BBU(基帶處理單元)可以完成網(wǎng)絡(luò)管理、終端鑒權(quán)、安全認(rèn)證以及基帶信號(hào)處理。CPE可以接收基站所發(fā)數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。

兩個(gè)通信方案在技術(shù)上各有優(yōu)劣，其比較見表2。

表2 方案優(yōu)劣比較

5.2 投資比較

經(jīng)表3中比較，采用光纖通信與TD-LTE無線專網(wǎng)設(shè)備總體費(fèi)用相當(dāng)。

表3 投資比較

5.3 結(jié) 論

雖然TD-LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)比光纖網(wǎng)絡(luò)在通信設(shè)備上的投資多，但TD-LTE通信技術(shù)在2014年才開始商用，還屬于新興技術(shù)，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，此部分費(fèi)用會(huì)逐年降低，而光纖網(wǎng)絡(luò)在光纜鋪設(shè)過程中的征地移民成本會(huì)逐年升高，且在丘陵地區(qū)實(shí)施和維護(hù)均很困難，故TD-LTE無線專網(wǎng)方案相對(duì)光纖通信而言在本工程實(shí)施中的難度和投資均有優(yōu)勢(shì)。

6 無線傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

方案將使用400MHz TD-LTE基站對(duì)高位水池進(jìn)行覆蓋，將高位水池處匯聚的10路視頻信號(hào)和1路泵控信號(hào)回傳到大壩管理局，整個(gè)LTE系統(tǒng)由核心網(wǎng)、BBU基站和終端CPE組成。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 TD-LTE系統(tǒng)組成

核心網(wǎng)設(shè)備將安裝于大壩管理局機(jī)房?；居葿BU和RRU組成，BBU將安裝于機(jī)柜內(nèi)，RRU靠近天線安裝。終端采用CPE將安裝于高位水池處，可將匯聚的10路視頻信號(hào)和1路泵控信號(hào)回傳到大壩管理區(qū)監(jiān)控中心。

7 組網(wǎng)示意

整個(gè)組網(wǎng)方案由前端LTE網(wǎng)絡(luò)和微波回傳網(wǎng)絡(luò)組成。在鐵塔位置山頭上建立LTE基站，對(duì)高位水池周圍進(jìn)行覆蓋。在鐵塔位置與大壩管理局之間建立微波鏈路，將LTE網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)回傳到大壩管理局。

整個(gè)方案的規(guī)劃如圖4所示。

7.1 高位水池—鐵塔傳輸

高位水池與鐵塔之間有3個(gè)較高的山頭，擬在高位水池山頂處建立25m的鐵塔，那么高位水池與鐵塔之間將有較好的視距，LTE覆蓋可以達(dá)到較好的效果(見圖5)。

圖4 組網(wǎng)示意圖

7.2 鐵塔—水庫(kù)管理局傳輸

鐵塔與水庫(kù)管理局之間沒有任何遮擋，有較好的視距?？山⑽⒉ㄦ溌穼⒁曨l流最終回傳到水庫(kù)管理局(見圖6)。

圖6 鐵塔—水庫(kù)管理局的高度配置情況

8 扇區(qū)規(guī)劃

根據(jù)3GPP協(xié)議TR 25.913(R9)E-UTRA和E-UTRAN的要求，峰值數(shù)據(jù)速率在標(biāo)準(zhǔn)UE配置下，應(yīng)能在20 MHz帶寬下分配100Mb/s瞬時(shí)下行鏈路峰值速率和50Mb/s的瞬時(shí)上行鏈路峰值速率。

而用戶的峰值速率與終端能力等級(jí)有關(guān)，截至目前，3GPP共定義了8個(gè)等級(jí)的LTE終端，不同等級(jí)的終端對(duì)MIMO、UL-64QAM以及每幀中所能傳送的最大傳輸塊大小(TransportBlockSize，TBS)的支持都不盡相同，所支持的上下行峰值速率亦然，具體參見表4。

表4 LTE UE能力等級(jí)

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，20MHz帶寬時(shí)，采用Cat3UE的下行理論峰值速率約100Mb/s，上行理論峰值速率約50Mb/s；采用Cat5UE的下行峰值速率可達(dá)150Mb/s，上行峰值速率約為75Mb/s。Cat5UE進(jìn)行測(cè)試時(shí)，近點(diǎn)處下行和上行的單UE的吞吐率能夠分別達(dá)到127Mb/s和60Mb/s(見表5)。使用Cat3UE，近點(diǎn)處的下行和上行單UE吞吐率基本能夠達(dá)到90Mb/s和50Mb/s左右。

10MHz帶寬時(shí)，Cat3UE和Cat5UE的下行理論峰值速率約為75Mb/s，Cat3UE上行理論峰值速率約為25Mb/s，Cat5UE上行理論峰值速率可達(dá)37.5Mb/s。表5的數(shù)據(jù)中，近點(diǎn)處的單UE的下行吞吐量通常大于60Mb/s，實(shí)測(cè)Cat3UE上行峰值速率通常高于20Mb/s，實(shí)測(cè)Cat5UE上行理論峰值速率最高能達(dá)到33Mb/s。下行吞吐率隨無線環(huán)境的變差而降低，而在上行，隨著無線環(huán)境變差，發(fā)射功率會(huì)逐步提升直到最大發(fā)生功率限制，在達(dá)到最大發(fā)射功率之前，上行吞吐率基本保持不變。

表5 內(nèi)場(chǎng)測(cè)試單扇區(qū)吞吐率統(tǒng)計(jì)

由于整個(gè)項(xiàng)目流量需求達(dá)到了22～30Mb/s，故為了更好地滿足流量需求，保證項(xiàng)目質(zhì)量，本項(xiàng)目將采用雙載波進(jìn)行覆蓋，其中一個(gè)小區(qū)采用20MHz帶寬進(jìn)行覆蓋，另一個(gè)小區(qū)采用10MHz帶寬進(jìn)行覆蓋，小區(qū)覆蓋規(guī)劃如圖7所示。

項(xiàng)目推薦使用400MHz頻段。Cell_1采用10MHz帶寬小區(qū)覆蓋。Cell_2采用20MHz帶寬小區(qū)覆蓋。而采用20MHz和10MHz的帶寬小區(qū)，完全滿足本工程的通信帶寬需求。

9 結(jié) 語

水利行業(yè)如今已經(jīng)進(jìn)入信息化、智慧化時(shí)代，在位于偏僻之處、距離長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜的水利工程中，采用傳統(tǒng)的有線光纖傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，費(fèi)用高昂，施工困難，后期系統(tǒng)擴(kuò)容不易。而通過使用4G模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，可以很方便地在復(fù)雜地形區(qū)域建立通信鏈路，能夠節(jié)約人力物力。根據(jù)本文分析與仿真結(jié)論，TD-LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)完全能夠在水利項(xiàng)目上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。但與此同時(shí)，無線通信技術(shù)作為水利行業(yè)內(nèi)的新興技術(shù)，在應(yīng)用過程中仍然存在諸多需要技術(shù)人員去解決與克服的問題，這就要求我們正視無線通信技術(shù)在水利行業(yè)中的作用與意義，著力推動(dòng)具有水利行業(yè)特色的通信技術(shù)發(fā)展變革，為水利信息化、智慧化建設(shè)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。