智能电网TDLTE 230M产品可行性分析报告.docx
《智能电网TDLTE 230M产品可行性分析报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电网TDLTE 230M产品可行性分析报告.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能电网TDLTE230M产品可行性分析报告
TD-LTE230MHz产品市场
可行性分析报告
DTM
版本:
1.0
文档更新记录
1引言
1.1编写目的
对进入电力市场提供产品研发建议，阐述TD-LTE230MHz在电力市场的前景，在技术方面的可行性分析，产品推向市场后可带来的效益进行预估。
为决策人员、管理人员、技术人员、营销人员提供建议和参考。
1.2产品定义
产品名称：
TD-LTE230MHz无线宽带系统
项目提出者：
政企网事业部
用户：
国家电网、南网电网、地方电网
1.3项目背景
2009年是中国智能电网启动的元年，2010年中央政府和许多地方政府在当地两会的工作报告中，密集提及“智能电网”战略，由此我国全面拉开智能电网建设，成为政府拉动经济的新热点。
2012年07月17日国务院提出实施“宽带中国”工程，指出加强3G网络纵深覆盖，支持具有自主知识产权的3G技术TD-SCDMA及其后续演进技术TD-LTE产业链发展，科学统筹3G及其长期演进技术协调发展。
两大战略工程给TD-LTE技术带来无限市场机会，通信是智能电网的神经传输网络，电网需要一种高带宽、高稳定性、低时延、广覆盖的网络，为智能电网的信息化、自动化、互动化提供坚强支撑，可结合自身优势在智能电网配电、用电环节的通信和信息化领域开拓市场，帮助电力公司解决“最后一公里”网络覆盖、高带宽、低时延等问题。
我司与国网电力科学研究院深国电公司合作进行了TD-LTE1.4GHz无线宽带系统在用电采集、负荷控制、配电自动化、高清视频等智能电网业务领域的系统对接验证，并开始进行1.4GHz无线模块与集中器的集成，预计在2012年11月将会有凉两个试点进行验证，验证通过后将会在国网大规模推广，但同时了解到国网公司更倾向于230MHz产品，因为从覆盖面和成本方面考虑，此频段更具优势，因此希望与有实力的厂商共同研发和推广此频道产品，希望能够与国网一同向国家各部委争取230MHz周边频点为电网所用，共同推进230MHz产品落地，并最终实现以TD-LTE230MHz产品为主，1.4GHz/1.8GHz产品为辅的多频段组网模式，共同为电网智能化的国家战略添砖加瓦。
1.4名词解释
列出文档中用到的专门术语的定义和缩写词的原文。
1.5参考资料
与项目有关的已发表的资料
文档中所引用的资料，所采用的软件标准或规范。
2可行性研究的前提
2.1产品要求
功能：
在原有产品的基础上，实现230MHz频段端到端的产品，并与1.4GHz/1.8GHz共用核心网
性能：
达到上行峰值速率2mbps以上，下行峰值速率2mbps以上；安全性需要有加密算法，通过安全部门认证；时延小于100ms
安全与保密要求：
系统研发期间应保密，截止到试点实施验证
完成日期：
项目立项后4个月内完成
2.2产品目标
（1）开发出高带宽、广覆盖、低时延的电力专有频段TD-LTE230MHz的无线宽带专网系统；
（2）展示高科技研发能力，植根于智能电网信息化事业，塑造成电力通信网络专家形象；
（3）最小的成本投入，高质量的产品输出；
（4）为客户的业务系统提供高效网络支持，加强配用电通信网络；
（5）超越现有的电力行业应用的无线系统，成为光纤网络之外的首选网络。
2.3产品条件和限制
（1）产品的生命周期：
TD-LTE230MHz电力无线宽带系统是一系列产品，包括EPC、BBU、RRU、CPE、天线等，此产品应是可持续演进的，为电力长期服务，为公司带来可持续效益；
（2）可利用信息和资源：
可在现有产品的基础上进行开发，可通过与国网电科院深国电公司确定产权和分工界面合作开发，并有普天成功案例可循；
（3）产品研制成功后，与深国电公司合作进行试点验证，验证成功后双方签署市场推广或采购协议。
（4）国电在县域网络规划中，2012年底是试点阶段，2013年和2014年是全面建设阶段，2015年是巩固提升阶段，因此最佳时间是即刻开始进行研发，争取在2013年上半年进行试点，下半年推广，在市场上占领先机。
3对现有系统的分析
智能电网依托的是一个以IP为核心的完整的信息架构和基础设施体系，实现对电力客户、电力资产、电力运营的持续监视，利用信息化、自动化技术手段提高电网公司的管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。
我国的智能电网规划建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网。
图表1智能电网架构图
智能电网中传递电力流和业务流，电力流是从电厂到用户的方向进行传递，承载于电力传输层，即从发电、输电、变电、配电到用电的基础电力网络，而智能电网的核心就是将电力合理地、经济地传送到用户侧；智能业务流则由智能业务层和信息通信层，智能业务层包括针对电网各个环节的智能发电、智能电网和智能用电等几部分智能系统组成，形成电力自动化调度和双向能源市场，而信息通信层就是依托于现有基础电网以承载智能业务的基础通信网络，负责将电网各环节的数据传递到中心，以及各个智能业务系统间高速安全地信息交互。
3.1电力通信网现状
目前国内实施的配电自动化项目中，中压通信接入网主要采用公用移动通信（GPRS、CDMA）、中压电力线载波、光纤专网等多种通信方式。
光纤专网通信方式包括光调制解调器（Modem）、工业以太网、无源光网络（PON）等技术。
公司10KV线路和中压通信光缆情况如下表所示。
华北
华东
华中
东北
西北
西藏
合计
10KV线路（公里）
569912
653148
896974
404069
256822
12854
2793779
中压通信接入网光缆（公里）
14638
20628
14938
5408
7423
0
63035
农网
7999
2304
6708
1302
4232
0
22545
光缆与一次线路配比
2.57%
3.16%
1.67%
1.34%
2.89%
0
2.26%
目前，城市10KV配电站点通信覆盖率为17.51%，其中GPRS覆盖率11.17%，中压电力线载波覆盖率2.24%，光纤覆盖1.5%，CDMA覆盖率1.44%，其他通信方式覆盖率1.16%。
在所有通信方式中，GPRS比重占63.8%，中压电力线载波占12.78%，光纤专网占8.58%，CDMA占8.23%，其他6.62%。
见下图所示。
图表2城市10KV配电网通信方式分布图
农网10KV配电站点共计2494408点，其中通信覆盖站点18751个，通信覆盖率为0.75%，其中GPRS覆盖率0.29%，光纤覆盖率0.25%，CDMA覆盖率0.1%，中压电力线载波覆盖率0.06%，其他通信方式覆盖率0.05%。
在所有通信方式中，GPRS公网方式的比重占38.12%，光纤专网占33.54%，CDMA占13.81%，中压电力线载波占7.61%，其他方式占6.92%。
如下图所示。
图表3农村10KV配电网通信方式分布图
目前，已开展配电自动化试点工作的几个典型城市分别采用不同通信方式解决配电自动化通信需求。
北京对柱上开关大多采用无线公网方式，开闭所采用专用光纤通信方式；上海主要采用中压电力线载波通信方式；杭州、厦门、银川、南京、成都等城市采用以光纤通信为主，无线及载波为补充的通信组网方式。
在用电信息采集系统建设方面，截止2010年，公司城市及直管直供县电网为2.4亿户，城市用电信息采集覆盖率为26.21%。
其采用的远程通信技术，GPRS占76.65%，230MHz专用无线占13.69%，CDMA占2.96%，其他（PSTN，中压PLC等）占5.96%，光纤仅占0.74%。
图表4用电信息采集系统远程通信方式
在本地通信技术方面，电力线通信与RS-485混合组网占45.94%，电力线通信端到端占15.02%，二者合计（用到PLC的）共计占61%，其他（短距离无线、有限电视网络等）占39.04%。
图表5用电信息采集系统本地通信方式分布图
智能电网最终体现在配电侧、用电侧的服务能力，让用电客户从日常生产和生活中直接感受到智能电网带来的诸多益处，极大提升客户感知服务。
然而目前由于配用电通信能力所限，配用电环节部分业务无法理想实现。
通信网络覆盖能力、传输能力、稳定性、安全性成为信息化的短板，限制了电网智能化进程，需要加强网络建设。
●配电网覆盖面广且复杂，实现配网的自动化，满足配用电功能需求；
●用电客户通过多渠道访问方式能够及时了解电网供电、停电情况，客户主动响应电力需求侧，合理有序用电。
●供电公司通过远程网络在线采集客户的用电情况，分析和挖掘客户需求，提高供电质量，提高客户满意度。
●电网与客户的互动化、供电可靠性、故障排除能力都需要通信信道的坚强支撑。
3.2系统应用场景现状
我司现有系统支持公网频段、以及针对行业的1.4GHz、1.8GHz频段，电网公司对230MHz频段有明确需求，国网电科院深国电公司希望与有实力的通信公司共同开发TD-LTE230MHZ系列产品，支持智能电网各环节应用，解决“最后一公里”传输问题，实现数据的双向互动控制，达到电力流、信息流、业务流融合。
目前的应用场景如下图：
图表6TD-LTE230MHz无线宽带系统在智能电网的典型应用场景
3.3系统存在的问题
“十二五”末，国家电网公司要满足用电信息采集城市及直管直供县“全覆盖、全采集、全费控”目标，10KV配电变压器用电信息采集远程通道总覆盖率达到100%，其中光纤专网占25.67%。
目前仅用电信息采集一项业务，电网企业每年就要向电信运行商缴纳高达2亿的GPRS/CDMA使用费用，租用公众运行商的网络使用费用将会大规模增长，如果使用专网费用将会为电网企业节约可观的网络通信费用。
虽然电网公司有自己的230MHz数传电台，但主要有以下几点问题：
（1）点对点通信容量小：
传统230MHz无线通信采用点对点的应答方式，在同一时刻、同一频点下主站只能与一个终端数据通信，因此在同一个频点下，系统在一定时间范围内能够通信的终端数量是有限的，一般一个基站所覆盖的终端数不超过1000台。
这也是制约230MHz大范围应用的主要瓶颈。
（2）带宽窄采集周期长：
传统230MHz无线通信属于窄带通信，采用点对点轮询方式进行通信，采集一个终端数据需2-5分钟不等，通讯盲区需要通过中继站进行中继，采集效率较低。
（3）频率资源少利用率低：
230MHz频率资源只有15对双工频点和10个半双工频点，在同一地区使用接近的频率资源容易产生串扰现象，所以在使用时一般都避开频率接近的频点使用，频率利用率较低。
（4）专业性强维护工作量较大：
230MHz无线终端的电台需要与主站电台的频点一致，终端设备需进行频率设置。
在通信的信号调制上比较复杂，容易受到同频干扰和交调干扰的影响，在组网前需要进行现场测试和组网设计，所以在安装、运行、维护上需要有一定专业技能，而且系统运行的性能取决于维护情况。
（5）核心网设备、终端设备、通信模块主要依赖于进口，外形尺寸较大，能够支持的终端类型有限。
可见电网的配电和用电环节通信基础薄弱，通信技术手段面临着可靠性较差，带宽小、时延高、可靠性差、性价比低等问题，因此需建设自己的无线宽带专网，改造230MHz无线传输技术，因此从覆盖的经济性、频率资源情况来看TD-LTE技术较为适合。
3.4系统发展趋势分析
根据智能配电网通信业务需求，智能配网通信网主要以光纤通信实现重点保障，无线通信实现广泛覆盖，载波通信作为接入补充的方案，技术方案结构图如图：
图表7可行性技术架构方案
110kV站覆盖光纤通信，纵联保护装置、配网自动化监测节点、分布式能源站、独立储能站、重要负荷管理节点需要覆盖光纤，实现装置之间和到配电调度之间的光纤通信通道。
要求采用具有自愈功能的155MSDH环网或100M工业以太环网方式。
智能电表台区集中点和设备运行状态监测节点在光通信覆盖之外节点采用宽带无线通信或租用公网无线通信方式。
实现智能电表双向信息和设备运行状态信息到配网管理站的无线通道。
每个无线接入点流量为5K，汇聚到110kV变电站基站流量为12M。
智能电表到台区集中根据距离远近，采用RS485电缆、Wifi、载波等方式灵活接入，实现智能电表的广泛接入。
台区集中点至智能电表流量为0.01K，汇聚后流量为5K。
4所建议技术可行性分析
4.1系统描述
TD-LTE是第三代（3G）移动通信标准TD-SCDMA的长期演进版本，采用OFDM、MIMO等技术，使系统性能上有很大提升（20MHz带宽下，峰值速率下行100Mbps、上行50Mbps）。
TD-LTE230无线宽带系统是采用TD-LTE核心技术开发出的针对电力通信专网应用的无线宽带通信系统。
4.2系统优越性
TD-LTE230M通信系统解决了传统230MHz数传电台无法解决的带宽小、频率利用率低、容量小、维护困难等问题，主要技术和应用指标对比如下
比较项目
TD-LTE230系统
数传电台
峰值数据吞吐量
1.5Mbps
19.2kbps
支持业务类型
支持宽带业务，具备多媒体传输能力
只能支持现有窄带业务
容量
每基站可同时在线2000台终端，支持50台并发通信
每基站最多接入1000台终端，只支持点对点通信
采集周期
并发采集，采集周期短
轮询点对点通信，采集周期长
频谱效率
最高达5bps/Hz
0.7bps/Hz
业务延迟
延迟小
延迟大
网管功能
具备网管功能（基于IP）
不具备网管能力
传输可靠性
强
较弱
终端发射功率
200mW
5-25W
传统230Mhz数传电台为模拟数传电台，在频谱规划中无线信道分配的带宽通常比较窄，而且相邻信道之间还要保留一定的间隔，造成频率利用率低，只能实现窄带点对点通信；TD-LTE230M通信系统利用频谱聚合技术充分利用了230MHz电力专用频率资源，实现了宽带的大幅提升，支持IP通信，实现了并发采集，提高了系统容量和传输可靠性，具备了网管能力，除能够支持用电信息采集外还能够支撑移动办公和视频监控业务。
TD-LTE230M技术与传统230MHz数传电台相比较除性能、容量、可维护性有很大提升外，在型式上也有很大改进，模块在外形尺寸上已经能够支持所有类型的用电信息采集终端，在运行功耗上只有几百毫瓦，能够有效的降低。
具备了大范围推广的条件。
4.2.1覆盖能力提升
在相同设备制式、相同的基站和终端射频指标、相同的天线高度、满足相同的边缘速率情况下，对于相同的无线环境（无论密集市区还是郊区），根据HataCost231模型，
L=46.3+33.9*log（f）-13.82*log（Hbs）-a（Hms）+（44.9-6.55*log（Hbs））*log（d）+Cm
其中：
L为路损，单位dB；f为中心频率，单位MHz；d为终端到基站的距离，单位Km；Hbs为基站天线高度，单位m；a（Hms）为UE修正因子，单位dB；Cm为城市修正因子。
本方案中按照农村环境进行评估，Cm=-23.59dB；发射天线高度按35米，接收天线高度按1.5米评估，a（Hms）=0.057dB；因此，得出路损结果：
L=46.3+33.9*log（F）-13.62*log（35）-0.057+（44.9-6.55*log（35））*log（d）-23.59
各频段使用带宽及中心频点以及路损结果如下：
带宽（Mhz）
中心频点（Mhz）
路损结果
230Mhz
10
225
L=81.35+34.79*log（d）
1400Mhz
20
1450
L=108.79+34.79*log（d）
1800Mhz
20
1790
L=111.90+34.79*log（d）
从路损计算公式可以得出，如果在相同的传播环境下，最大允许路损相同的情况下，根据路损公式可以得出不同频段间基站覆盖距离的关系式：
33.9*log（f2/f1）=34.79*log（d1/d2）
可以不同频段之间的覆盖距离与其频点成反比，频点越高，覆盖距离越小；反之频点越低，覆盖距离越大。
为了方便比对，特设置以下参数（本文后面的分析都沿用此参数）：
f1=225mhz,d1=14.54km;
f2=1450mhz,d2=2.36km;
f3=1790mhz,d3=1.92km;
从上面的链路预算结果得出也印证了这一结论：
f1覆盖距离14.54公里，距离最远；f2覆盖距离2.36公里，覆盖距离次之；f3覆盖距离为1.92公里，覆盖距离最短。
覆盖距离决定了基站的半径大小；基站半径决定覆盖面积。
单纯从覆盖差异来看（不考虑容量因素）,使用高频段组网比使用低频段组网，需要基站的数量将更多；例如使用f3组网需要的基站数量是使用f2组网的（2.36/1.92）*（2.36/1.92）=1.5倍；f2组网需要的基站数量是f1组网的（14.54/2.36）*（14.54/2/36）=37.9倍。
实际组网过程种不仅要考虑路损预算，还需要考虑小区的容量和用户的速率要求，但依据电网对数据的需求，第一种230M方案具有较大的优势。
4.2.2带宽能力提升
f1、f2、f3三种频段可利用带宽分别是10Mhz、20Mhz、20Mhz;不同带宽提供的业务能力也有所差异：
TD-LTE提供了灵活的上下行时隙配置方案，下面以时隙配置1：
2:
1:
2（2U2D），计算单用户的峰值速率如下表：
频段
带宽（Mhz）
下行峰速（双流）
上行峰速
f1
10
41.16Mbit/s
9.16Mbit/s
f2
20
82.32Mbit/s
19.57Mbit/s
f3
20
82.32Mbit/s
19.57Mbit/s
因为f1频段能提供的有效带宽是f2、f3带宽的一半，其单用户上下行峰速也是其他两个频段的一半。
带宽越小，提供的PRB资源越少，在相同目标速率要求下，能容纳的用户数越少，即容量受限；带宽越大，提供的PRB资源越多，在相同目标速率要求下，能容纳的用户数多。
依据电网在容量、覆盖、速率三方面的因素考虑，虽然f2、f3速率和容量具有优势，但f1在速率和容量已经完全满足电网需求，因此从覆盖能力决定的经济性来看，它更具优势，且与原有技术比带宽能力大大提升。
4.3系统研究内容
（1）研究TD-LTE技术在电力无线通信系统中的应用
根据配电网业务模型，研究TD-LTE在电力无线通信系统中的组网策略、网络指标、网络环境、业务需求等。
研究TD-LTE电力无线宽带无线系统在配用电侧的应用模式。
（2）研究电力频谱聚合、同频组网及多小区干扰抑制技术；
电力无线宽带通信系统要求在223.025-235MHz频段内40个离散子带上工作，为了灵活高效利用频谱资源，提高系统传输速率，拟研究离散频带的载波聚合技术提高系统频谱利用率。
主要研究爱内容包括：
带内非连续载波聚合方案设计，多载波控制信道设计以及支持载波聚合模式的射频（RF）单元的参数设计和指标设计等。
（3）电力无线通信网络若实现长距离覆盖和支持多用户接入，需研究结合中继、协同传输模式的同频组网技术以及多小区干扰抑制技术，主要包括：
频率复用方案设计、物理层干扰删除技术，网络层干扰协同技术，通过资源的协同调配以协调不同校区之间的干扰，研究高效的频率复用干扰协同方法以及负载平衡机负载管理方法。
（4）研究电力无线信息安全技术
为了保证电力无线通信网络的数据安全性，需要对网络的安全技术进行研究。
主要研究内容包括：
电力通信系统安全需求分析；防止非法用户接入鉴权技术；防止空口接口窃听的加解密技术以及基于EPS的网间安全技术研究。
（5）研究无线网络的广覆盖技术
本项目的TD-LTE系统应该克服传统基站覆盖距离不足，需要大量部署的缺点，需要研究广覆盖技术，增大业务覆盖面积。
研究的关键技术包括智能天线、MIMO、波束赋形、双流、增强基站发射功率等，同时采用这些技术增强空口宽带，满足宽带业务的需求。
（6）研究动态带宽分配技术
标准TD-LTE系统支持下行链路速率大于上行链路速率，相比之下，配用电通信领域，数据传输具有明显的反对称性，上行链路的数据传输量大，下行链路的数据传输量小，需根据电力系统特点设计TDD上下行时隙动态切换技术，实现带宽的动态分配。
（7）研究无线宽带技术和光纤、载波通信、微功率无线等技术的互补和无缝融合技术；
为适应未来无线通信技术融合的趋势以及电力无线通信系统的实际需要，研究多种通信技术的无缝融合技术，主要研究点包括：
无缝切换技术研究；区分业务的QoS保障研究；最优网络选择研究；安全机制研究等。
（8）研发适合于电力无线宽带系统的无线基站设备
研究适应于电力无线宽带系统使用的无线基站的多种形态，基站采用宏覆盖基站及补盲覆盖的微基站两种基本形态设备。
同时为对于建设在地下室的开闭所和配电房，基站无线信号不能直接覆盖或覆盖质量不好，研究小型直放站设备，将信号引入室内。
研究基站光纤拉远技术，增加基站设置灵活性，降低信号衰减。
（9）研发微型化、模块化电力无线宽带通信系统终端
电力无线宽带通信系统终端是上行传输配电网信息的重要载体，因此需要设计适合电力信息传输的无线宽带系统终端。
终端应具有以下特性：
符合电力系统相关设备规范；具备FE，RS232，RS485不同的接口，已与现存的RTU，FTU，TTU，DTU等设备相连；终端可采用外接天线的形；如果需要，可采用架高方式，增加基站的覆盖范围。
4.4系统预期效果
（1）用户层面：
●为客户降本增效；
●使客户产品选择达到多样性；
●LTE技术先进性。
（2）公司层面：
●提升公司品牌，开电力行业先河，为公司打开行业市场，增大影响力；
●为公司带来可持续经济效益，是公司效益新的增长点；
●达到公司产品多样性，实现异频组网；
●使智能电网市场通信领域产业链丰富，为中国的电网事业做出贡献；
●为央企合作开先河，成为典范。
4.5技术可行性评价
目前电力无线通信系统技术不统一，传输速率低，组网不灵活，不能有效支撑智能电网新业务。
电力无线宽带通信的需求是在223.025-235MHz频段范围40个离散子带（每个子带25KHz）上工作，这与LTE系统设计本质上有很大不同。
现有LTE系统最小支持1.4MHz带宽，工作频段都在500MHz以上，因此若LTE技术直接应用在电力无线通信中首先需要对现有的LTE传输方式进行修改，例如系统参数、帧结构设计、时频资源块、资源调度方式、多址接入方式等；另一方面，为了达到电力无线通信系统的单扇区更高的通信速率要求，需要对离散频谱资源进行载波聚合优化利用；标准TD-LTE系统支持下行链路速率大于上行链路速率，相比之下，配用电通信系统中，数据传输具有明显的反对称性，上行链路的数据传输量大，下行链路的数据传输量小，根据电力系统特点设计时分双工传输方式，实现上下行时隙动态切换，需要特别考虑；此外，若实现长距离覆盖和支持多用户接入，电力无线宽带通信网络必须解决同频组网方式和多小区干扰抑制等关键问题。
虽然有诸多问题需要解决，但总体来说技术可行，问题解决难度不大。
5所建议系统经济可行性分析
5.1项目投入
升级会员 