电力无线专网双覆盖建设方案探讨

熊耀伟 魏生辉 王义刚 江西省邮电规划设计院有限公司 南昌市 330002

0 前言

电力通信网中大部分应用业务关系到电网运行指标（诸如实时监控、电力抢修），对于网络接续要求往往是工业级标准，因此电力系统通信网络相对于公共通信网络对于网络的稳定性、健壮性指标要求更高，对于站点故障导致的业务无法接入的容忍度更低，在对基站设备厂家、安装维护服务提出更高要求的同时，如何尽可能降低站点故障带来的脱网影响，值得深入研究。

故障容错往往通过冗余备份来实现，比如1+N热备或冷备。但目前电力专网频率资源有限，且LTE同频组网的特点导致同站空口1+N备份即意味着N倍的同频干扰，网络无法正常工作。因此，通过周围站的应急补盲来缓解局部问题成为一种可能的解决方案，但是重叠覆盖区控制不好反而会带来不必要的系统内干扰，正常网络性能无法保证。本文章将此重叠覆盖方式定义为冗余覆盖。

表1 空口载波配置

表2 设备参数配置

表3 上行不同业务的无线质量要求（参考鼎桥设备参数）

1 参数设置

本期设置的参数情况说明，其中的空口载波配置、设备参数设置、上行不同业务的无线质量要求：

干扰影响因素有本系统内干扰和本频段内外部系统干扰，系统内负载取50%，干扰余量取3dB，外部干扰有很多不确定因素，将按不同区域预留干扰余量，综合上述因素，本报告分析计算中上行干扰余量取值如下：

表4 上行干扰余量取值

表5 基站天线挂高

区域覆盖概率取95%,阴影衰落方差8dB。传播模型选取COST231-Hata。建站规模工程余量：20%。即考虑到实际建站过程中的网络不规则，以及电力系统业务以固定点为主，在最终考虑小区半径时，将考虑20%的覆盖面积冗余

2 分析方案

2.1 上行链路预算覆盖分析

通过上行链路预算工具，以及20%工程余量，可得出各业务、各场景下的链路预算计算小区半径以及考虑工程余量后小区半径为：

表6 考虑工程余量后小区半径表

通过仿真及上述表格可知，在以PS128连续覆盖为条件情况下，当网络中出现断站，周围站几乎没有补盲能力，由于站间距较大，天线下倾角较小，下倾角可调余地非常有限，也无法达到补盲的效果。因此，通过缩小站间距（增密站址）来提高断站后的补盲效果成为必要的选项。

2.2 理论蜂窝网络结构仿真冗余覆盖分析

通过缩小站间距来实现冗余覆盖需要从上行和下行两个维度来分析。

2.2.1 上行冗余覆盖半径分析

根据规则蜂窝结构，上行其他条件（干扰）不变的情况下，当出现一个站断站时，周围站补盲深度需求约为1.5倍小区半径：

图1 断站补盲示意图

因此，如果要实现上图补盲效果，冗余建站小区半径取值应为常规建站小区半径的2/3，另考虑工程中建站的不确定性，覆盖面积保留20%余量，各区域常规建站和冗余建站小区半径分别如下：

表7 不同业务冗余覆盖半径对应表

需要注意的是，断站前的大部分断站区域业务速率是高于边缘速率的，且速率越高的区域，由于越靠近断站，而越远离补盲站，所以，断站前后的业务速率差更大。

2.2.2 下行干扰理论分析

图2 断站下行干扰示意图

以上图为例，断站后，网络拓扑结构破坏，断站中心为干扰最恶劣位置，当断站后，下行主覆盖信号可能包括三个小区：C1、C2、C3。四天线场景，RS Boost 3dB：

考虑另外6 个旁瓣扇区指向该点角度天线增益-7.45dB，则RS-SINR(C1)≈1/(6.16*Cell_Load +Noise/RSC1)

上述分析显示，下行边缘的RS-SINR则随着负载增加，恶化厉害，在目前只考虑2个干扰小区，未考虑覆盖Margin,下行负载50%情况下，边缘RS-SINR已经很低，如果再考虑非主干扰的6个扇区，则RS-SINR恶化更明显，所以，冗余覆盖的短板更多在于下行的干扰导致的信号质量恶化。

因此冗余覆盖的前提条件是，下行的负载必须不能太高。

2.3 理论蜂窝网络结构仿真冗余覆盖分析

由于链路预算对于电平与干扰的分析忽略了天线波瓣的影响，特别对于干扰的分析由于没有考虑更多小区的干扰，分析相对比较简单，因此，部署给定小区半径规则蜂窝网络，通过预测仿真分析可以得到更加详尽的理论数据并验证链路分析中的结果。

下面先来分析一下网络规划以及网络优化中一个重要调整参数，天线下倾角设置对于全网干扰的影响，并得出不同场景下下倾角设置的推荐值；再以市区为例，按照冗余覆盖小区半径建站条件下，分析各个指标的覆盖情况。

通常在不同场景下，天线下倾角有不同的配置策略。以下图为例，有三种下倾角策略：

（1）A点作为小区边缘，主要适用于尽可能扩大电平覆盖，常用于GSM网络农村场景；

（2）B点作为小区边缘，综合考虑电平覆盖和对于周围小区干扰，多用于GSM市区，CDMA、LTE小区边缘电平较弱，下行负载不高的场景（覆盖受限场景）；

（3）C点作为小区边缘，严格控制小区间干扰，常用于CDMA以及LTE站间距很小，下行负载较高的场景（干扰受限场景）。

图3 下倾角设置方案ABC

以上述下倾角A、B、C策略，可得在市区冗余覆盖场景下，天线下倾角分别为（天线垂直半功率角6度）：

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下面重点从信号覆盖值RSRP以及RS-SINR两个维度进行分析，具体分析如下：

2.3.1 市区场景上行业务覆盖

下面分别表示采用两种下倾角方案，冗余建站场景下，正常网络状态、出现单站断站状态情况下的覆盖比例。

表8 市区冗余建站四种情况下上行覆盖统计表

从上表中可以看出，以下倾角方案B和下倾角方案C布站，正常网络下，边缘速率都可以实现PS512Kbps，在下倾角方案C下，靠近小区中心位置可以实现更好的上行速率；当断站后，下倾角方案C不进行下倾角优化，周围站的补盲效果不理想，而下倾角方案B，PS128Kbps补盲效果明显，并做到几乎全面补盲。

在下倾角方案C中，断站后，调整三个主补盲扇区下倾角可以发现也可以做到PS128的全面补盲。

图4 调整三个扇区下倾角5->2度补盲效果图

表9 三种冗余补盲效果对比表

从图表中可以看出，第三种方案达到了更好的补盲效果，但是这是通过调整下倾角所带来的，在工程实施中需要具备两个条件：1. 全网需配备可远程调整下倾角的天线系统；2. 及时发现断站点，根据事先准备的应急方案远程调整下倾角。相对来说这个两点带来的缺点是成本的提高和工程优化维护的复杂度，需综合非技术因素来考虑是否采用。

2.3.2 市区场景下行RS-SINR覆盖

在下行达到30%load时，下倾角方案B和下倾角方案C下，RS-SINR冗余覆盖表现如下：

图5 2度下倾角和5度下倾角冗余覆盖对比

表10 2度下倾角和5度下倾角冗余覆盖统计表

由上表可见，两种下倾角方案下，断站后，补盲区域的RS-SINR均能达到-5dB以上，且下倾角方案C更优，体现了C的控制干扰能力。

结合本节和下倾角方案分析章节中的内容，在不断站条件下，30%Load时，目标区域内RS-SINR覆盖可以做到-2dB以上，当断站之后，RS-SINR边缘恶化到-5dB,比链路分析中最大值-0.8dB低约4dB，比再多考虑6个旁瓣扇区的-2.7dB小2.3dB，可见链路分析过程中无法考虑的（IOther/RSC1）因素（包括第二圈的站），对于干扰的贡献还是比较大，因此，链路分析结果与仿真中的实际值差别较大。

冗余分析结论

综上所述，利用冗余覆盖方案建站时，小区半径选择为正常小区半径的2/3即可以满足要求；下倾角选择方案C时，当出现断站后上行补盲不理想，而选择B时，出现断站后上行补盲效果明显；而无论采用下倾角方案B还是C，下行RS-SINR覆盖表现类似。

3 实际案例

3.1 双覆盖的设计原则

依据《电力无线专网建设技术要求》中针对双覆盖要求：基站信号对承载生产控制类业务的终端必须双覆盖。管理信息类业务终端原则上需双覆盖，由于本期基站数量不足或者边缘区域等使得部分区域管理信息类业务终端暂时不能满足双覆盖的，可通过增加蓄电池的保电时间、回传网传输业务采用双路由、通信终端采用公专多模等加强保障。

3.2 双覆盖的设计依据

根据无线链路预算初步得出无线基站在不同的分布场景（密集城区、一般城区、郊区、农村）无线信号传播的距离，得出单基站在不同场景内的覆盖半径。

通过冗余建站，理论上选择小区半径为正常半径的2/3，选择合理的下倾角方案，当出现断站后，周围站小区基本能够对断站区域实现覆盖，能够满足承载生产控制类业务的终端双覆盖的要求，断站区域的RSRP、RS-SINR也能够满足要求。

本期双覆盖设计依据现有铁塔公司的租赁站点以及自有物业的站址，原则上满足基站信号对承载生产控制类业务的终端实现双覆盖。

3.3 双覆盖的具体方案及分析

本方案首先对正常情况下网络的表现作分析，然后再针对单站进行断站分析，对此获得断站后的冗余覆盖效果。

根据上面的正常情况下仿真结果RSRP及RS-SINR值二个角度分析可以看出，云龙区簇目标分析区域覆盖良好，RS-SINR绝大部分可以做到-3dB以上，在站间距较大的边缘区域，也可以达到-4～-6dB以上。

（1）根据覆盖区域、RSRP、RS-SINR等指标，对云龙区簇小区覆盖分析如下：

图6 簇小区覆盖图

（2）大王庙机房

分析：按照上图区域内的4个站点分布，经单站的开站、闭站仿真计算，整簇中间区域同时满足RSRP≥-115dBm及SINR≥-3dBd的双覆盖比例为79.30%，控制类业务双覆盖比例为80.83%，详见下表：

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目前针对双重覆盖的统计值，是指在网络设计接受同频干扰的情况下统计，可供参考。实际网络建成后，会对网络进行优化调整，在消除同频干扰和提升覆盖性能的情况下，双重覆盖的数值会有所下降。

3.4 双覆盖提升方案

（1）终端天线，根据现场情况，安装位置选择处于相对开阔的区域，并提高天线安装高度；

（2）双覆盖区域内，终端采用全向天线，便于接收多方向信号；终端位置由于信号较弱、干扰较强的，为了获得更高的收发增益，降低上下行干扰，根据现场情况采用带增益的定向天线，达到接入网络的目的；

（3）在站点断开的情况下，通过调整工参、基站抢修等方式进行运维保障。