CN109150592A - Lte-d2d无线专网的系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LTE‑D2D无线专网的系统架构，适用于分散式配电自动化系统。系统架构包括MME/S‑GW主机、eNode B基站、UE终端和智能终端；智能终端设置在环网柜和公用电房，相应的物理设备为工业交换机；智能终端通过光纤与UE终端连接，UE终端通过LTE‑D2D无线网络与eNode B基站连接，eNode B基站通过光纤与MME/S‑GW连接。本发明的无线资源的管理和调度功能由服务基站实现，核心网不再执行此功能；应用了减少通信时延的技术，降低了业务的平均时延和最大时延。LTE‑D2D无线专网的系统架构使数据流无需经过核心网，避免了基站间的路由寻址，减少了端到端通信时延。

Description

LTE-D2D无线专网的系统架构

技术领域

本发明涉及分散式配电自动化技术领域，具体涉及应用于分散式配电自动化系统的LTE-D2D无线专网的系统架构，

背景技术

随着配电网规模的不断扩大和分布式电源大量接入，分散式配电自动化系统已经成为了配电网的发展趋势。其中，配电网通信是实现配电网保护与控制功能的重要技术手段。目前，由于城市电缆网可以和光纤网一同敷设在电缆沟里，所以城市配电网普遍使用高可靠性的光纤通信。而城郊和农村地区普遍采用架空网，配电线路较长并且分支分段开关数量少。在建设农村配电自动化系统时，敷设光纤的成本相对较高。因此，农村配电网需要采用无线通信技术，以充分发挥覆盖范围大、部署灵活、成本低等优势。

在无线通信技术中，无线专网是最有发展潜力的通信技术之一。这类技术具有带宽容量大、传输速率快、信号覆盖范围广等优点。但是，与光纤通信相比，无线专网的可靠性和实时性仍然比较低。这是由于传统无线专网属于集中式的蜂窝网络，该网络主要是为移动通信设计的。所有的数据都要经过核心网的转发和调度，通信过程涉及多次的路由寻址和节点转发，时延具有较高的随机性。在电网实际应用中，这种技术不满足保护业务低时延的通信需求。因此，现有国内工程很少将无线专网应用于配电网保护业务，只能实现数据采集业务。为了将无线专网应用于配电自动化系统的全部业务，需要引入可靠性和实时性更高的新型无线专网系统架构，并且作出适当的技术改进。

因此，发明一种新的无线专网系统架构，满足高可靠性和高实时性配电自动化系统业务的通信需求，显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供应用于分散式配电自动化系统的LTE-D2D无线专网的系统架构。本发明基于设备至设备(Device to Device，D2D)通信架构的长期演进(LTE)技术。该技术的原理是在传统的LTE网络的基础上，各个终端利用已批准的无线频段进行直接通信，或者是通过单个基站进行通信。无线资源的管理和调度功能由服务基站实现，核心网不再执行此功能。另外，LTE-D2D无线专网应用了减少通信时延的技术，降低了业务的平均时延和最大时延。LTE-D2D无线专网的系统架构使数据流无需经过核心网，避免了基站间的路由寻址，减少了端到端通信时延，是一种较好的配电网通信解决方案。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

LTE-D2D无线专网的系统架构，应用于分散式配电自动化系统，其包括MME/S-GW主机、eNode B基站、UE终端和智能终端；在110kV以上的变电站设置移动性管理实体/服务网关即MME/S-GW主机，相应的物理设备是交换机或服务器，作为上层监控系统；eNode B基站尽可能安装在供电局自有物业，使信号有效覆盖所有安装所述智能终端的配电网节点；用户设备即所述UE终端设置在智能终端安装地点，天线置于室外，相应的物理设备为CPE无线终端；智能终端设置在环网柜和公用电房，相应的物理设备为工业交换机；智能终端通过光纤与UE终端连接，UE终端通过LTE-D2D无线网络与eNode B基站连接，eNode B基站通过光纤与MME/S-GW连接。

进一步地，所述MME/S-GW主机负责汇聚并处理设定范围内智能终端监控信息，监测整体网络通信情况，必要时下发控制命令至智能终端；eNode B基站负责在自身信号覆盖范围内终端的通信转发和控制，包括无线资源管理和调度功能；UE终端负责智能终端与基站之间的通信转发；

智能终端负责收集并处理本配电节点的电压、电流、负荷功率和支路类型及数量信息；周期性地发送电压、电流等监控信息至MME/S-GW主机；在执行故障隔离业务时发送节点状态信息至其他智能终端；在执行自愈恢复业务时发送馈线负载率、节点负荷功率、容量裕度指标信息至其他智能终端。

进一步地，所述分散式配电自动化系统具有两层结构，分别是位于顶层的上层监控系统和位于底层的智能终端；涉及全局信息的分钟级以上时间尺度的控制行为由上层监控系统集中决策，并下发指令到底层智能终端执行；上层监控系统具有网络重构、潮流优化和实时监测三种通信业务；涉及局域信息的毫秒级至秒级的快速控制行为则直接由以配电网节点为控制域的智能终端自主决策和执行。

进一步地，智能终端具有故障隔离和自愈恢复两种通信业务；智能终端与智能终端之间、智能终端与上层监控系统之间存在双向通信需求。

进一步地，所述故障隔离业务是点对点的全双工通信业务，故障隔离业务的通信流量设为22.5字节/包；当配电网发生短路故障时，智能终端立即发送自身状态信息至邻近节点，然后每间隔5ms发送一次自身状态信息；直至本节点恢复正常状态，智能终端才停止发送该信号。

进一步地，自愈恢复业务是点对点的全双工通信业务，它需要传输馈线负载率、本地负荷功率信息，这些信息均为模拟量，模拟量属于采样值(SV)报文，自愈恢复业务的通信流量设为169字节/包；当配电网隔离故障点后，启动自愈恢复业务，智能终端依次交换各种信息，直至业务结束。

进一步地，网络重构、潮流优化和实时监测业务是多点对点的全双工/半双工通信业务，它们属于配电网正常运行时的业务，实时性较低，三种业务都需要传输模拟量，通信流量均设为169字节/包；当配电网完成自愈恢复业务后，启动网络重构和潮流优化业务，由上层监控系统主动收集终端数据，集中下发控制指令；当配电网正常运行时，启动实时监测业务，智能终端每间隔1分钟将自身信息发送至上层监控系统。

进一步地，通过以下方式减少通信时延：

在上行通信过程中，UE终端将缓冲区状态报告和上行数据帧一并发送；

UE终端与基站保持RRC连接状态，使终端始终处于激活状态，从而节省终端唤醒时间。

进一步地，数据帧上行的通信流程包括：首先，基站对信号覆盖范围内的UE终端按设定周期依次调度，如果UE终端有数据需要上传，它将发送调度请求帧至基站，里面包括队列长度、数据大小、优先级信息；基站对调度请求帧进行译码，然后发送调度许可帧，分配设定数量的资源块给UE终端使用；最后，UE终端将缓冲区状态报告和数据帧上传至基站。

数据帧下行的通信流程包括：接收到下行数据帧后，基站向UE终端发送CQI请求帧，并进行时间同步；UE终端接收到请求后，测量参考信号强度和信道状况，并通过CQI帧将这些信息上报给基站；然后，基站使用合适的资源块将数据帧发送至UE终端；经过多次上下行的通信，UE终端才能将数据帧可靠地传输至目的UE终端和MME/S-GW主机。

与现有技术相比，本发明LTE-D2D无线专网适用于配电网长距离的通信，特别是实时性要求高的保护业务，具有如下优点和技术效果：

(1)采用专用的工作频段。目前，短距离的无线通信技术使用无需国家批准的ISM频段，而LTE-D2D无线专网使用政府的授权频段，信号干扰环境是可控的，系统性能得到提高。它还能避免通话业务对无线网络的干扰。

(2)有效减少通信时延。UE终端通过单个基站直接进行通信，使数据流无需经过核心网，避免了基站间的路由寻址，减少了端到端通信时延。

(3)提高通信可靠性。传输路径较短的无线连接能减少误码率，增加可靠性。

(4)提高频谱效率。终端可以复用本基站信号覆盖范围内其它终端的无线资源，从而提高系统的频谱效率和总吞吐量。

附图说明

图1为实施例中LTE-D2D无线专网系统架构示意图。

图2为实施例中分散式配电自动化系统的通信业务框图。

图3为实施例中的上行链路通信流程图。

图4为实施例中的下行链路通信流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

本实施例LTE-D2D无线专网的系统架构采用“集中式+分散式”的混合结构，由MME/S-GW主机、eNode B基站、UE终端和智能终端四个部分组成。在110kV以上的变电站设置移动性管理实体/服务网关(MME/S-GW)主机，物理设备是交换机或服务器，作为上层监控系统。基站尽可能安装在供电局自有物业，使信号有效覆盖所有安装智能终端的配电网节点。用户设备(UE)终端设置在智能终端安装地点，天线置于室外，物理设备为CPE无线终端。智能终端设置在环网柜和公用电房，物理设备为工业交换机。智能终端通过光纤与UE终端连接，UE终端通过LTE-D2D无线网络与eNode B基站连接，eNode B基站通过光纤与MME/S-GW连接。LTE-D2D无线专网的系统架构如图1所示。表1是实现上述架构所需的硬件设备。

表1 硬件设备表

在上述系统架构中，各组成部分的功能如下。(1)MME/S-GW主机负责汇聚并处理一定范围内智能终端监控信息，监测整体网络通信情况，必要时下发控制命令至智能终端。(2)eNode B基站负责在自身信号覆盖范围内终端的通信转发和控制，包括无线资源管理和调度功能。(3)UE终端负责智能终端与基站之间的通信转发。(4)智能终端负责收集并处理本配电节点的电压、电流、负荷功率和支路类型及数量信息；周期性地发送电压、电流等监控信息至MME/S-GW主机；在执行故障隔离业务时发送节点状态信息至其他智能终端；在执行自愈恢复业务时发送馈线负载率、节点负荷功率、容量裕度指标等信息至其他智能终端。

分散式配电自动化系统具有两层结构，分别是位于顶层的上层监控系统和位于底层的智能终端。涉及全局信息的分钟级以上时间尺度的控制行为由上层监控系统集中决策，并下发指令到底层智能终端执行。上层监控系统具有网络重构、潮流优化和实时监测三种通信业务。涉及局域信息的毫秒级至秒级的快速控制行为则直接由以配电网节点为控制域的智能终端自主决策和执行。智能终端具有故障隔离和自愈恢复两种通信业务。分散式配电自动化系统是基于分散式的点对点通信，这种通信业务可以通过LTE-D2D无线专网实现。它有能力承载上述所有的通信业务，图2为分散式配电自动化系统的通信业务框图。智能终端与智能终端之间、智能终端与上层监控系统之间存在双向通信需求。

首先，故障隔离业务是点对点的全双工通信业务。它涉及6种节点状态信息，需要使用3位二进制数表示。本发明用0.5个字节表示。在可用数据前面要加入目的MAC地址和源MAC地址，每个MAC地址的长度为6个字节。因为物理层采用RS(15,11)编码方式，最小编码长度为7.5字节，有效数据长度为5.5字节，所以数据包大小必须为7.5的整数倍。因此故障隔离业务的通信流量设为22.5字节/包。当配电网发生短路故障时，智能终端立即发送自身状态信息至邻近节点，然后每间隔5ms发送一次自身状态信息。直至本节点恢复正常状态，智能终端才停止发送该信号。

自愈恢复业务是点对点的全双工通信业务。它需要传输馈线负载率、本地负荷功率等不同种类的信息，这些信息均为模拟量。根据IEC61850标准，模拟量属于采样值(SV)报文，自愈恢复业务的通信流量设为169字节/包。当配电网隔离故障点后，启动自愈恢复业务，智能终端依次交换各种信息，直至业务结束。

网络重构、潮流优化和实时监测业务是多点对点的全双工/半双工通信业务。它们属于配电网正常运行时的业务，实时性较低。三种业务都需要传输模拟量，因此通信流量均设为169字节/包。当配电网完成自愈恢复业务后，启动网络重构和潮流优化业务，由上层监控系统主动收集终端数据，集中下发控制指令。当配电网正常运行时，启动实时监测业务，智能终端每间隔1分钟将自身信息发送至上层监控系统。

本实施例通过如下方法减少通信时延：

①在上行通信过程中，UE终端将缓冲区状态报告和上行数据帧一并发送。这将节省一次数据帧的通信往返过程，简化了基站的无线资源调度机制。

②终端调度等待时间由40ms压缩10ms。1条主干馈线一般拥有5至10个配电网节点，对应的UE终端的数量为5至10个。如果需要通信的UE终端数量能够控制在一定范围内，在半静态调度的基础上，基站将拥有足够的处理能力支持更加快速的资源调度。

③UE终端与基站保持RRC连接状态，使终端始终处于激活状态，从而节省终端唤醒时间。

图3描述了在LTE-D2D无线专网中数据帧上行的通信流程。首先，基站对信号覆盖范围内的UE终端按一定周期依次调度。如果UE终端有数据需要上传，它将发送调度请求帧至基站，里面包括队列长度、数据大小、优先级等信息。基站对调度请求帧进行译码，然后发送调度许可帧，分配一定数量的资源块给UE终端使用。最后，UE终端将缓冲区状态报告和数据帧上传至基站。

基站接收到UE终端上传的数据帧后，基站通过帧头信息识别数据帧的业务类型和地址信息，对数据帧进行分类。针对点对点通信业务的数据帧，基站通过无线网络转发数据帧至目的UE终端。针对多点对点通信业务的数据帧，基站通过光纤转发数据帧至MMS/S-GW主机。

图4描述了数据帧下行的通信流程。接收到下行数据帧后，基站向UE终端发送CQI请求帧，并进行时间同步。UE终端接收到请求后，测量参考信号强度和信道状况，并通过CQI帧将这些信息上报给基站。然后，基站使用合适的资源块将数据帧发送至UE终端。经过多次上下行的通信，UE终端才能将数据帧可靠地传输至目的UE终端和MME/S-GW主机。

为了提高通信的可靠性，系统在传输数据帧时，采用混合自动请求重传机制(HARQ)。一旦数据帧发生错误且无法纠正，数据接收方将要求发送方重传数据，从而减少误码率。数据重传将延长整个通信过程。综合考虑时延和可靠性，本实施例采用HARQ-Ⅲ型技术和停等式重传协议，考虑最大重传次数N为2。

本实施例中无线网络参数的设置：

(1)为了兼顾信号覆盖范围和传输速率两项性能指标，LTE-D2D无线专网的工作频率设为1.8GHz，调制方式为16QAM。目前主流的通信设备均支持1.8GHz的工作频率。

(2)由于配电自动化系统有多项业务需要全双工通信，而时分复用模式不能实现全双工通信，因此采用频分复用模式。

(3)由于上述的LTE-D2D无线专网主要应用于农村或城郊配电网，因此通信场景设为遮挡物较少的农村场景。基站间距离是1732米，基站高度25米，终端高度15米。

(4)分散式配电自动化系统有多项业务为对等式的点对点通信业务，双向的通信流量大致相等。因此上下行速率配比设为1:1，并且采用相等的上行和下行带宽，分别设为5MHz。

表2 LTE-D2D无线专网参数

本实例的LTE-D2D无线专网的网络参数如表2所示。可见LTE-D2D无线专网的通信性能、可靠性和安全性能够满足分散式配电自动化系统的通信要求。

Claims (10)

1.LTE-D2D无线专网的系统架构，应用于分散式配电自动化系统，其特征在于包括MME/S-GW主机、eNode B基站、UE终端和智能终端；在110kV以上的变电站设置移动性管理实体/服务网关即MME/S-GW主机，相应的物理设备是交换机或服务器，作为上层监控系统；eNodeB基站尽可能安装在供电局自有物业，使信号有效覆盖所有安装所述智能终端的配电网节点；用户设备即所述UE终端设置在智能终端安装地点，天线置于室外，相应的物理设备为CPE无线终端；智能终端设置在环网柜和公用电房，相应的物理设备为工业交换机；智能终端通过光纤与UE终端连接，UE终端通过LTE-D2D无线网络与eNode B基站连接，eNode B基站通过光纤与MME/S-GW连接。

2.根据权利要求1所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，所述MME/S-GW主机负责汇聚并处理设定范围内智能终端监控信息，监测整体网络通信情况，下发控制命令至智能终端；eNode B基站负责在自身信号覆盖范围内终端的通信转发和控制，包括无线资源管理和调度功能；UE终端负责智能终端与基站之间的通信转发；

智能终端负责收集并处理本配电节点的电压、电流、负荷功率和支路类型及数量信息；周期性地发送电压、电流等监控信息至MME/S-GW主机；在执行故障隔离业务时发送节点状态信息至其他智能终端；在执行自愈恢复业务时发送馈线负载率、节点负荷功率、容量裕度指标信息至其他智能终端。

3.根据权利要求1所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，所述分散式配电自动化系统具有两层结构，分别是位于顶层的上层监控系统和位于底层的智能终端；涉及全局信息的分钟级以上时间尺度的控制行为由上层监控系统集中决策，并下发指令到底层智能终端执行；上层监控系统具有网络重构、潮流优化和实时监测三种通信业务；涉及局域信息的毫秒级至秒级的快速控制行为则直接由以配电网节点为控制域的智能终端自主决策和执行。

4.根据权利要求1或3所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，智能终端具有故障隔离和自愈恢复两种通信业务；智能终端与智能终端之间、智能终端与上层监控系统之间存在双向通信需求。

5.根据权利要求4所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，所述故障隔离业务是点对点的全双工通信业务，故障隔离业务的通信流量设为22.5字节/包；当配电网发生短路故障时，智能终端立即发送自身状态信息至邻近节点，然后每间隔5ms发送一次自身状态信息；直至本节点恢复正常状态，智能终端才停止发送该信号。

6.根据权利要求4所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，自愈恢复业务是点对点的全双工通信业务，它需要传输馈线负载率、本地负荷功率信息，这些信息均为模拟量，模拟量属于采样值（SV）报文，自愈恢复业务的通信流量设为169字节/包；当配电网隔离故障点后，启动自愈恢复业务，智能终端依次交换各种信息，直至业务结束。

7.根据权利要求3所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，网络重构、潮流优化和实时监测业务是多点对点的全双工/半双工通信业务，它们属于配电网正常运行时的业务，实时性较低，三种业务都需要传输模拟量，通信流量均设为169字节/包；当配电网完成自愈恢复业务后，启动网络重构和潮流优化业务，由上层监控系统主动收集终端数据，集中下发控制指令；当配电网正常运行时，启动实时监测业务，智能终端每间隔1分钟将自身信息发送至上层监控系统。

8.根据权利要求7所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，通过以下方式减少通信时延：

在上行通信过程中，UE终端将缓冲区状态报告和上行数据帧一并发送；

UE终端与基站保持RRC连接状态，使终端始终处于激活状态，从而节省终端唤醒时间。

9.根据权利要求1所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，数据帧上行的通信流程包括：首先，基站对信号覆盖范围内的UE终端按设定周期依次调度，如果UE终端有数据需要上传，它将发送调度请求帧至基站，里面包括队列长度、数据大小、优先级信息；基站对调度请求帧进行译码，然后发送调度许可帧，分配设定数量的资源块给UE终端使用；最后，UE终端将缓冲区状态报告和数据帧上传至基站。

10.根据权利要求7所述的LTE-D2D无线专网的系统架构，其特征在于，数据帧下行的通信流程包括：接收到下行数据帧后，基站向UE终端发送CQI请求帧，并进行时间同步；UE终端接收到请求后，测量参考信号强度和信道状况，并通过CQI帧将这些信息上报给基站；然后，基站使用合适的资源块将数据帧发送至UE终端；经过多次上下行的通信，UE终端才能将数据帧可靠地传输至目的UE终端和MME/S-GW主机。