彭 艷，彭雄根（.綠地集團江蘇事業(yè)部，江蘇南京 00；.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇南京 009）

0 引言

近年來，我國從國家層面積極推動“互聯(lián)網+”在電力行業(yè)的落地，支撐智能電網的全面建設。2015 年7 月，國務院頒布了《關于積極推進“互聯(lián)網+”行動的指導意見》，明確提出要通過互聯(lián)網促進能源系統(tǒng)扁平化，推進能源生產與消費模式革命；國家發(fā)改委、國家能源局相繼聯(lián)合頒布了《關于促進智能電網發(fā)展的指導意見》，明確指出發(fā)展智能電網是實現我國能源生產、消費、技術和體制革命的重要手段，是發(fā)展能源互聯(lián)網的重要基礎。

從電力行業(yè)自身業(yè)務來看，國家電網運檢［2017］6 號文中規(guī)定，配電自動化三遙終端原則上以電力光纖通信為主，對于不具備電力光纖通信條件的末梢配電終端，采用無線專網通信方式，禁止使用無線公網承載控制功能；精準負荷控制業(yè)務要求毫秒級控制，采用專用通道，下行無線通道時延小于50 ms，禁止使用無線公網承載控制功能。因此，隨著智能電網建設項目的推進，配電自動化、負荷控制等控制類業(yè)務迫切需求解決“最后一公里”的通信接入問題，實現多業(yè)務“安全、智能、泛在、柔性”接入。

從技術、經濟、工程等多個角度綜合分析，光纖網絡穩(wěn)定可靠、帶寬高，是電力通信接入網不可或缺的重要組成部分，但其具有建設難度大、投資高、維護困難等特點，難以實現全覆蓋，也不能支持移動應用。4G 作為新一代無線通信的演進技術，它采用了OFDM、MIMO、64QAM 等關鍵技術和扁平化的網絡結構，可以顯著提高數據傳輸速率和降低數據傳輸時延；4G也是一種安全性很高的技術，北京、南京已經全面建成4G 無線政務專網，充分驗證了4G 專網的安全性和可靠性。因此4G 高帶寬、低時延、高安全性等性能可有效滿足智能電網各環(huán)節(jié)業(yè)務及控制類業(yè)務的安全接入需求。

但是，4G 專網本質上是屬于無線網絡，無線網絡的覆蓋和接入等指標均為概率指標，其可靠接入的程度還是無法真正和光纖接入相比。尤其是在基站出現故障的時候，需要考慮采用一些輔助的方式來保證系統(tǒng)接入的可靠性。配電自動化、精準負荷控制等主體控制類業(yè)務雖然對可靠性要求較高，但對接入業(yè)務速率要求很低，而雙層冗余覆蓋方案能夠在基站出現故障的時候，在可靠性和接入帶寬之間進行折中，基本滿足控制類業(yè)務的需求。

1 雙層冗余覆蓋概述

1.1 需求分析

由于應用的針對性和特殊性，多數行業(yè)的4G無線專網一般只考慮室外薄覆蓋，不需要考慮深度覆蓋問題，如南京4G 無線政務專網只考慮城市道路的覆蓋，江蘇海事4G 無線專網只考慮長江航道的覆蓋。電力4G無線專網與其他無線專網相比有其相同點，也有其特殊性。相同點為電力4G 無線專網也只需要考慮室外覆蓋，即使有很多終端位于封閉或半封閉的室內環(huán)境中，但因為其終端位置的固定性，一般通過CPE 將室外信號引入室內進行覆蓋；特殊性在于：電力業(yè)務中的配電自動化、精準負荷控制等控制類業(yè)務對可靠性和安全性要求高，控制類業(yè)務可能受系統(tǒng)檢修、故障影響，薄覆蓋網絡一般無法滿足其業(yè)務需求。

1.2 基本原理

雙層冗余覆蓋的思路是確保控制類無線終端可被2層信號覆蓋，當某個基站故障或檢修時，終端可以快速切換到鄰近基站，業(yè)務將不受影響（見圖1）。

圖1 雙層冗余覆蓋示意圖

根據國家電網《電力無線專網規(guī)劃設計技術導則》（Q/GDW 11664-2017），電力4G無線專網一般是按RSRP＞-115 dBm，RS-SINR＞-3 dB 進行規(guī)劃。在控制類業(yè)務較集中的區(qū)域采用雙層冗余覆蓋方案，意味著區(qū)域內的控制類業(yè)務終端至少能收到2 個RSRP＞-115 dBm 的基站信號，覆蓋標準更高。由于RSRP 信號的重疊覆蓋，對同頻組網的4G 系統(tǒng)而言，是否有很嚴重的同頻干擾？下面主要從2個方面來分析。

a）所有基站正常工作，即網絡結構沒有被破壞。電信運營商在規(guī)模部署4G 網絡時，一般是按RSRP＞-105 dBm 或RSRP＞-100 dBm 進行規(guī)劃，城區(qū)基站覆蓋半徑一般為200～500 m。從組網的實際性能看，并不存在嚴重的同頻干擾問題。而電力4G 無線專網覆蓋標準比公網低，城區(qū)基站覆蓋半徑在900 m 及以上，同頻干擾程度不會比運營商大。而且，雙層冗余覆蓋方案中，如果覆蓋標準是RSRP＞-115 dBm，重疊覆蓋比例很高；但如果覆蓋標準是RSRP＞-105 dBm，重疊覆蓋比例會下降很多，這種相對性也決定了采用雙層冗余覆蓋方案的電力4G無線專網和運營商公網一樣，一般不存在嚴重的同頻干擾問題。

b）當某個基站因故障或檢修導致服務中斷，即網絡結構被破壞。由于蜂窩結構遭到了破壞，覆蓋的部分區(qū)域將可能會出現諸如無主導頻的問題，下面將基于該問題，進行定量分析和仿真驗證。

1.3 方案特點

1.3.1 方案應用的針對性

因電力行業(yè)智能電網的推進和建設，國家電網等公司將配電自動化、精準負荷控制等控制類業(yè)務的可靠性和安全性提到很高的水平。雙層冗余覆蓋方案雖然在網絡側沒有革新，但在業(yè)務的保障上是一種切實可行的針對性方案，基本能夠保證當某個基站因故障或檢修導致服務中斷時，控制類終端能夠快速接入到其他基站，滿足其基本的接入需求。

1.3.2 覆蓋范圍的區(qū)域性

從某地（市）配電自動化、精準負荷控制等控制類業(yè)務的分布情況看，固定的業(yè)務終端主要分布在城區(qū)和郊區(qū)（供電負荷在C 類及以上地區(qū)），具有分布的大區(qū)域性，其中，精準負荷控制業(yè)務主要分布在主城區(qū)，配電自動化業(yè)務主要分布在主城區(qū)、開發(fā)區(qū)、工業(yè)園等。因此雙層冗余覆蓋方案的應用范圍主要是在主城區(qū)和郊區(qū)。

1.3.3 保障網絡可靠性的應急預案

個別基站服務中斷后，故障的恢復或其他基站工參的調整往往需要較長時間。雙層冗余覆蓋方案旨在解決控制類終端在基站服務中斷過程中的可靠接入問題，是一種針對基站故障問題的有效應急預案。

2 雙層冗余覆蓋干擾分析

2.1 總體說明

評估網絡覆蓋效果，需要同時考慮RSRP、RSSINR等指標。

RSRP：在3GPP 協(xié)議中，RSRP 定義為在考慮測量頻帶上，承載小區(qū)專屬參考信號的資源粒子（RE）的功率貢獻的線性平均值，可以認為RSRP 代表了每個子載波的功率大小，它是作為小區(qū)選擇的判據。但它是RE級別的功率，一般為-70～-120 dBm。

RS-SINR：RS-SINR 在終端定義為RS 有用信號與干擾的比值，它沒有在3GPP 進行標準化。SINR 代表業(yè)務信道的質量，直接決定了業(yè)務速率。因RS-SINR與SINR 之間有極強的聯(lián)動性，可以作為CQI反饋的依據，在業(yè)務調度中發(fā)揮作用。不同的CQI 對應不同的MCS 和SINR 門限，最低階的CQI（=1）等效SNR 閾值（BLER=10%條件下）為-6～-7 dB，低于該值，接收機無法解調的概率很大，或者即使能解調，但業(yè)務接入的穩(wěn)定性也得不到保障。

雖然電力無線專網以RS-SINR＞-3 dB 進行規(guī)劃，但控制類業(yè)務帶寬要求低，根據CQI 與MCS 的對應關系，最低階CQI 也能實現單RB 超過20 kbit/s 的速率。因此，在評估雙層冗余覆蓋方案是否能滿足低帶寬控制類業(yè)務需求時，可以將RS-SINR 的評估標準下降到-6 dB左右。

實際網絡拓撲結構并非標準的蜂窩結構，任何一個基站的斷開都是一個特例，并不具備代表性。下面將用標準蜂窩結構替代實際網絡進行分析。

相關網絡結構參數如下。

站間距：1 500 m（小區(qū)覆蓋半徑1 000 m，參考某地（市）電力公司無線專網鏈路預算（見表1））。

表1 某地（市）電力公司無線專網鏈路預算

傳播模型：Cost231-HATA模型（城區(qū)）。

系統(tǒng)頻率：1 790～1 800 MHz。

時隙配置：UL∶DL=3∶1。

上行邊緣速率：128 kbit/s。

其他參數與某地（市）電力公司規(guī)劃參數一致。

2.2 面覆蓋場景

如圖2所示，某一基站斷開前：標準蜂窩結構面覆蓋場景中，干擾嚴重的區(qū)域一般位于3 個小區(qū)的交界處，如A、B。A處：較強信號為1、3、5，次強信號主要為2、4、6，其他信號相對更弱。B 處：較強信號為3、4、5，次強信號主要為1、7，其他信號相對更弱。

某一基站斷開后：干擾最嚴重的區(qū)域轉移至斷開基站所在的位置C 處。該位置較強信號為5、9、12，次強信號主要為1、2、7、8、10、11，次強信號個數相對斷開前有增加，其他信號相對更弱。

圖2 標準蜂窩結構面覆蓋場景干擾的分析

因此，某一基站斷開前后，根據較強信號和次強信號的個數，可以定性認為：該基站所在區(qū)域（C 處）的干擾比原網絡干擾嚴重的區(qū)域（A、B等處）還要強。

2.3 線覆蓋場景

如圖3所示，某一基站斷開前：標準蜂窩結構線覆蓋場景中，干擾嚴重的區(qū)域一般位于3 個小區(qū)的交界處。如A、B 處：A 處較強信號為1、2、3，B 處較強信號為4、5、6，次強信號主要為2、4、6，其他信號相對更弱。

圖3 標準蜂窩結構線覆蓋場景干擾的分析

某一基站斷開后：原來A、B 兩處干擾嚴重的區(qū)域轉移至斷開基站附近的位置C 處。該位置C 處較強信號為1、5、6，其他信號相對更弱。

3 雙層冗余覆蓋仿真驗證

3.1 面覆蓋場景

根據各基站服務小區(qū)范圍的預測，某一基站斷開后，3個強信號和6個次強信號匯聚于斷開基站的所在區(qū)域，如圖4所示。

根據仿真結果，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內，滿足RSRP≥-115 dBm 的重疊覆蓋小區(qū)個數不低于4個的面積覆蓋率為100%，滿足RSRP≥-115 dBm的重疊覆蓋小區(qū)個數不低于1 個的面積覆蓋率的要求。因此，面覆蓋網絡中，通常RSRP 屬于過覆蓋，某一基站斷開后，一般會有其他基站的RSRP 在該基站處能滿足RSRP≥-115 dBm的要求。

圖4 標準蜂窩結構的面覆蓋場景服務小區(qū)分布圖

如圖5所示，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內，RS-SINR≥-6 dB 的覆蓋率降低不到20 個百分點，但該基站與周邊一圈基站原有的小區(qū)交匯處，RSSINR有所改善。

因此，面覆蓋網絡中，某一基站斷開后，區(qū)域的RS-SINR 分布發(fā)生變化，有部分區(qū)域會降低到接收機解調門限以下，雙層冗余覆蓋效果還需要附加其他措施來保證。

3.2 線覆蓋場景

根據各基站服務小區(qū)范圍的預測，某一基站斷開后，3個強信號匯聚于斷開基站所在區(qū)域，如圖6所示。

根據仿真結果，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內，滿足RSRP≥-115 dBm 的重疊覆蓋小區(qū)個數不低于1個的面積覆蓋率為100%，滿足RSRP≥-105 dBm的重疊小區(qū)個數不低于1個的面積覆蓋率下降32.6個百分點。

線覆蓋網絡中，某一基站斷開后，一般會有其他基站的RSRP在該基站處能滿足RSRP≥-115 dBm的要求。

如圖7所示，某一基站斷開后，原該基站覆蓋區(qū)域內，RS-SINR≥-6 dB的覆蓋率基本維持不變，和前述理論分析結果一致。線覆蓋網絡中，某一基站斷開后，區(qū)域內RS-SINR 的覆蓋率能夠滿足網絡覆蓋的要求，雙層冗余覆蓋有效。

4 雙層冗余覆蓋效果及保障方案

4.1 覆蓋效果

圖5 標準蜂窩結構的面覆蓋場景RS-SINR分布

圖6 標準蜂窩結構的線覆蓋場景服務小區(qū)分布圖

綜上所述，應用于4G電力無線專網中的雙層冗余覆蓋方案，因場景不同，覆蓋效果也不同。對于面覆蓋場景，某一基站斷開后，斷開基站附近區(qū)域主要干擾信號數量發(fā)生改變，該基站部分覆蓋區(qū)域內的RSSINR 下降較為明顯，并集中在該基站附近，雙層冗余覆蓋效果還需要附加其他措施來保證；對于線覆蓋場景，某一基站斷開后，斷開基站附近區(qū)域內主要干擾信號數量并未發(fā)生明顯改變，RS-SINR 的覆蓋率能夠滿足網絡覆蓋的要求，雙層冗余覆蓋有效。

但是，由于控制類終端業(yè)務帶寬要求較低，可靠性要求較高，只需要解決終端接入的可靠性問題，就基本能滿足控制類業(yè)務的要求。

4.2 保障方案

4.2.1 控制類終端采用定向天線

基站斷開后，定向接收天線可以降低落入接收機的干擾信號強度，在性能嚴重惡化的區(qū)域RS-SINR 將有2～3 dB的增益，有超過10%面積的RS-SINR 提升到解調門限值以上，意味著有90%以上的區(qū)域RS-SINR將超過最低解調門限，控制類業(yè)務基本能夠成功接入。但是，采用定向天線是以降低基站斷開前終端接收信號信噪比為代價的。

4.2.2 加強設備級的可靠性

主設備可靠性。為了提高基站主設備的可靠性，可對基站主設備的關鍵部件按1+1主備配置。

電源設備可靠性。電力無線專網基站主要選址于自有變電站、辦公樓或營業(yè)部等自有物業(yè)，位于變電站的基站，電源供應一般具有較高的可靠性，可根據變電站機房現有電源的條件，增加DC/DC 變換器和AC/DC變換器等；位于辦公樓與營業(yè)部的基站，供電方式可參考運營商的建設標準，在上述基礎上，配置蓄電池，避免因市電的突發(fā)性中斷帶來的影響。

傳輸可靠性。不管是突發(fā)性的光纜線路阻斷還是光纖鏈路阻斷，或是進行光纜割接，都可能會造成明顯的通信中斷，造成不同嚴重程度的影響。為了提高傳輸的可靠性，對重要傳輸光纜線路建議采用雙路由的方案。

圖7 標準蜂窩結構的線覆蓋場景RS-SINR分布

4.2.3 應急響應機制

基站斷開后，雙層冗余覆蓋方案只能解決控制類終端的基本接入問題，若要對控制類終端提供更可靠的保障，還需要參考運營商的保障措施，加大基站斷開后的應急保障力量的投入：成立網絡維護部門，完善應急響應機制，加強對無線專網的維護，遇到火災、自然災害、意外情況等造成無線網絡中斷的緊急事件時，應急響應機制能夠迅速啟動，縮短搶修時間，盡可能降低對業(yè)務的影響。

5 結束語

由于薄覆蓋的4G無線專網無法滿足配電自動化、精準負荷控制等控制類業(yè)務的可靠性要求，在網絡規(guī)劃時，可考慮采用雙層冗余覆蓋方案，解決因單個基站故障或檢修時控制類業(yè)務終端無法接入的問題。但雙層冗余覆蓋方案因場景不同，覆蓋效果也不同。本文基于面覆蓋和線覆蓋場景，研究和驗證了針對控制類業(yè)務的雙層冗余覆蓋方案的效果，并針對雙層冗余覆蓋方案的不足，提出了相應的保障方案和建議。