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WOASiS无线远程电力抄表项目解决方案(for键桥)

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2

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WOASiS无线远程电力抄表项目
解决方案

无线绿洲通信技术有限公司
二〇一〇年三月

目 录

1 项目概况 1
1。1 前言 1
1。2 试验网目标 1
2 WOASiS 宽带无线接入系统产品简介 1
2。1 基站系列产品 2
2。2 终端系列产品 4
3 试验网解决方案 5
3。1 核心网侧解决方案 5
3.1。1 终端IP地址分配管理 5
3。1。2 终端设备的认证管理 6
3.1.3 网管 7
3.2 无线侧解决方案 7
3。2.1 用户容量分析 8
3。2.2 覆盖范围分析 9
3.2.3 无线侧解决方案 13
4 无线绿洲无线电力专网解决方案的优势 14
4.1 系统安全性 14
4。2 服务质量保证 15
4.3 网络的可扩展性与现有网络的无缝升级 15
4.4 业务的可扩展性 16

II
1 项目概况
1.1 前言
传统的无线抄表系统是通过公网(如GPRS/CDMA/WCDMA）提供采集器的远程接入手段，但由于是从公网租用线路，一方面服务质量难以得到保证，尤其是公网业务比较繁忙时，难以保证终端在线提供服务；另外安全性也存在问题，由于借用公网运营商的网络，难以为此业务提供特殊的安全机制,无法满足电力公司特殊的安全需求；租用线路的费用也是一笔不小的开销。
在本项目中，为解决上述问题，采用建立专网的解决方案，一方面解决公网解决方案中存在的问题，另外还可以在提供电力抄表这种窄带业务的基础上，提供各种宽带业务（上网、应急通信、远程调度、视频监控等）。
1.2 试验网目标
l 试验网网络规模
试验网规模2个基站，分别规划如下:1）电力局大楼，要求覆盖半径2公里内的1小区，接入点30个， 220V供电,低速数据传输；2）南部山区，110千伏变电站，覆盖半径4公里内,20个接入点.
l 业务需求
1）远程电力抄表业务;2）在电力抄表业务基础上，可以扩展新的数据业务:如上网、应急通信、视频监控等.
2 WOASiS 宽带无线接入系统产品简介
在介绍本解决方案之前，先简单地介绍一下无线绿洲的宽带无线接入产品。

2.1 基站系列产品
基站系统是无线绿洲宽带无线通信系统解决方案的关键部分。与传统的宏蜂窝基站和分布式基站相比，为降低用户的网络建设成本，无线绿洲的基站在功能上采用高度集成的设计：
- 一体化的系统设计，结构紧凑，便于安装；
- 基站中集成移动基站和基站控制器功能，即节省了昂贵的基站控制器网元设备,又能支持独立组网；
- 所有的应用和控制均基于标准的IP接口协议，便于和现有网络设备间实现互连互通。
采用这种高集成度的基站设备，用户可以现有宽带网络中进行无缝升级和扩展,网络建设成本较低。
目前WOASiS提供以下两种规格的基站：
1、LT800基站:工作在1785～1805MHz频段。目前LT800有3种型号的基站
- 室外型；
- 便携式；
- 室内型：天线内置在机箱内，同时也兼容天线外置。

室外型 便携式 室内型
2、RW100基站:工作在566～572MHz、586～592MHz频段。目前RW100有室内型基站。

系统指标:
序号
参数名称
指标
0
基站型号
LT800—BS
RW100-BS
1
技术制式
HDMA —TDD
HDMA —TDD
2
工作频率
1785 — 1805MHz
566 - 572MHz；
586 - 592MHz
3
信道带宽
5MHz
5MHz
4
发射功率/天线数
室外/便携式：2W/2天线；
室内型：1W/2天线
10W/2天线
5
最大覆盖距离
3~5Km
15Km
6
扇区数
1
1
7
单基站
Throughput
1、10Mbps（SISO）;
2、19Mbps(MIMO）
1、10Mbps（SISO）；
2、19Mbps（MIMO)
8
单小区支持用户数
256, or 100VOIP用户
256， or 100VOIP用户
9
系统同步时钟源
GPS
GPS
10
以太网接口
100/1000 Base-Tx：1
1000Base—Fx：1个
100/1000 Base-Tx：1
1000Base-Fx：1个
11
机箱尺寸
室外型：460×350×147mm
便携式：360×300×150mm
室内型：415×290× 101mm
680×440×160mm
12
重量
室外型：17Kg
30Kg
13
供电方式
220V AC
48V DC
14
最大功耗
100W
250W
2.2 终端系列产品
配套基站系统，无线绿洲提供的终端产品如下：
- 室外型：提供1785～1805MHz和566~572MHz、586～592MHz频段;
- 手持式：手持式只提供1785～1805MHz频段的产品;
- 室内型：提供1785～1805MHz和566~572MHz、586～592MHz频段.
各种系列的终端产品外观如下图所示：

室外型 手持式 室内型
系统指标：
序号
参数名称
指标
1
终端型号
LT800—UT
RW100-UT
2
无线接入
OFDMA —TDD
OFDMA -TDD
3
工作频率
1785 — 1805MHz
566 — 572MHz
586 — 592MHz
4
信道带宽
5MHz
5MHz
5
最大发射功率
室外/室内型：1或2w,2天线
手持式：200mw，1天线
室外/室内型：1或2w，2天线
6
Throughput
1、10Mbps（SISO）；
2、19Mbps(MIMO)
1、10Mbps（SISO）;
2、19Mbps（MIMO)
7
以太网接口
室外型：1×10/100BaseTx
室内型：5×10/100BaseTx
室外型：1×10/100BaseTx
室内型：5×10/100BaseTx
8
串口
1个
1个
9
机箱尺寸
室外型:232×188×76mm
室内型：228×156×43mm
室外型：236×186×105 mm
室内型：228×156×43mm
10
重量
3Kg
3。5Kg
11
供电方式
室外型：220VAC
室内型：12VDC
室外型：220VAC
室内型：12VDC
12
最大功耗
15W
15W
3 试验网解决方案
在此试验网中，主要解决两个工作区域的远程电力抄表业务，属于较小规模的网络。此项目的总体解决方案如下图所示:

3.1 核心网侧解决方案
无线绿洲的基站采用一体化系统设计，其集中了基站和基站控制器的功能，相当于一个无线路由器设备，因此其对核心网侧没有特殊的要求，就可以与客户现有的网络进行无缝对接。
由于LT800/RW100基站工作在L3设备模式下，基站经过接入路由器或交换机汇聚到核心网后，在核心网侧只需为无线系统解决以下配置管理功能即可：
3.1.1 终端IP地址分配管理
终端用户的IP地址分配，核心网中需要配置一台DHCP Server.一般来说，接入路由器中集成了DHCP Server的功能，也可以专门配置一台DHCP Server,这取决于客户现有网络中的配置，可以直接利用用户现有网络中的DHCP Server实现无线侧终端的IP地址分配管理.

在无线绿洲的解决方案中，每个BS均实现DHCP Relay的功能，为BS下接入的无线终端提供IP地址分配通道,每个基站的无线侧对应一个子网网段，从同一个BS接入的终端分配统一子网网段的IP地址。
DHCP Server必须支持Option82选项,以便识别从不同BS接入的终端，从对应的IP Pool中分配相应的IP地址。通用的DHCP Server均支持Option82选项。
如上图中，电力局大楼BS接入终端分配的IP地址段：192.168。2。x；南部山区BS接入终端分配的IP地址段：192。168.3.x。
3.1.2 终端设备的认证管理
支持对终端设备的认证管理，一方面可以防止非法用户的接入，并提供TEK的动态更新；另外也可以针对不同的用户类型提供差异化的服务，为不同的终端提供不同的Qos服务等级。
User Profile保存在AAA Server中,终端用户接入时，需要向AAA Server发起认证，认证通过的用户才可以接入网络。

设备认证功能取决于客户的需求， AAA Server为选配设备。无线绿洲提供基于Linux的AAA Server用于终端设备的认证管理。
3.1.3 网管
提供基于EMS、WebUI、CLI方式的网管功能,提供:网络配置、版本升级、故障监控、性能统计等网管功能。

基于此试验网的规模较小，采用基于WebUI或CLI方式网管方式即可.
3.2 无线侧解决方案
按照客户提出的网络覆盖规模：
1)电力局大楼，要求覆盖半径2公里内的1小区,接入点30个，每个接入点的速率为19。2Kbps；
2）南部山区，110千伏变电站，覆盖半径4公里内，20个接入点，每个接入点的速率为19。2Kbps.
3.2.1 用户容量分析
从用户数和业务量来看，电力局大楼接入的用户数为30个,用户的业务主要是上行数据上传,每个接入点的上行数据流量是19。2Kbps,下行流量较小。
这样两个地区上行总的带宽分别为：
- 电力局大楼＝30×19.2Kbps＝576Kbps
- 南部山区=20×19.2Kbps＝384Kbps
从LT800或RW100处理能力来看,上下行Throughput分别为：
1、下行Throughput
下表是SISO工作模式下的下行最大Throughput,在3种TDD Profile模式下的对应的各种编码方式下的throughput。如果是MIMO的话，throughput可增加80～90％.

SISO Maximum DL Throughput （Mbps)
DL/UL Ratio
64QAM 5/6
64QAM 3/4
64QAM 2/3
64QAM 1/2
16QAM 3/4
16QAM 1/2
QPSK 3/4
QPSK 1/2
Profile A
9。2
8.27
7。03
5.45
5。45
3.63
2.72
1.82
Prpfile B
7。12
6.43
5。47
4.35
4.35
2.77
2.08
1.38
Profile C
5。88
5.23
4。47
3。49
3。49
2。29
1.74
1.20
2、上行Throughput

Maximum UL Throughput （Mbps)
DL/UL Ratio
16QAM 3/4
16QAM 1/2
QPSK 3/4
QPSK 1/2
Profile A
1.27
0,9
0.7
0。45
Prpfile B
2。25
1。48
1。12
0。78
Profile C
2.74
1.78
1。35
0。90

3、结论
因此从容量上来看，每个覆盖地区配置一个基站即可。
3.2.2 覆盖范围分析
从两个地区的覆盖距离来看:
- 电力局大楼的覆盖半经是2Km；
- 南部山区是4Km。
无线系统的覆盖范围取决于以下因素:
- 天线的类型和增益;
- 天线架设的高度;
- 终端的安装方式
- 基站和终端系统的接收灵敏度；
- 现场的地理环境
1、天线的选择
由于对现场的实际情况还不明了，从客户初步反应的情况来看,是一个圆形覆盖，我们暂定为选择全向天线,天线增益为9bB。
如果覆盖区域为扇行的话，可以选择定向天线,其天线增益更高，可以达到15～17dB，覆盖距离更远。
2、天线的安装高度
根据无线传输理论以及网络建设的综合考虑，权衡基站的覆盖范围、频率干扰等因素,基站的选址不易选择过高，一般建议在城区的全向站以30～50米左右为宜，一般考虑天线高度高出周围建筑物平均高度15～20米为最佳。
天线安装过高，覆盖距离越远，但工程安装难度也越大，另外无线信号传播的越远,干扰可能也越大,所以需要根据客户的实际情况来定。
天线实际的安装高度还需要结合电力局大楼和南部山区基站的现场施工实际情况来定，这里暂定为40m。
3、终端的安装方式
从无线系统的实际应用情况来看，室外信号要远远好于室内信号.终端安装在室外时，其接收/发送性能要远远好于安装在室内。
因此建议：
- 信号比较好的地方终端可以安装在室内走廊；
- 室内信号比较弱的地方终端建议安装在室外(或至少天线要安装在室外,且用定向天线，天线增益可达6dB）。
终端的具体安装情况需要根据各个接入点的现场情况来定，无线绿洲的终端支持室内/室外两种安装方式。
4、基站和终端的接收灵敏度以及系统的链路预算
根据无线绿洲对基站和终端系统的实测结果：
- LT800/RW100基站的接收灵敏度为-98dBm;
- LT800/RW100终端的接收灵敏度为—94dBm.
另外LT800基站的最大发射功率为33dBm,终端的最大发射功率为30dBm;RW100基站的最大发射功率为40dBm,终端的最大发射功率为33dBm。
考虑目前的用户主要为静止接入用户，LT800和RW100系统的链路预算分别为:

a) LT800系统
项目
下行
上行
发
射
参
数
发射功率（dBm)
基
站
33
终
端
30
馈线损耗(dB)
—2
0
发射天线增益(dB)
9
6
发射天线数目
2
2
CDD（dB）
2
0
功率汇聚（dB)
0
6
等效发射功率（dBm）

42

42
接
收
参
数
接收灵敏度（dBm)
终端
—94
基站
—98
接收天线增益(dB)
6
9
接收天线数目
2
2
MRC（dB)
3
3
等效接收灵敏度(dBm）

—103

-110
衰
落
余
量
人体损耗

1

1
快衰落余量

5

5
阴影衰落余量

6

6
总衰落余量

12

12

允许路损

133

140
此时最大的链路预算是133dB（基站为全向天线）;如果基站采用定向天线，最大的链路预算为141dB。
b) RW100系统
项目
下行
上行
发
射
参
数
发射功率(dBm)
基站
40
终端
33
馈线损耗（dB）
—2
0
发射天线增益(dB)
9
6
发射天线数目
2
2
CDD(dB）
2
0
功率汇聚(dB)
0
6
等效发射功率（dBm)

49

45
接
收
参
数
接收灵敏度（dBm）
终端
-94
基站
-98
接收天线增益(dB)
6
9
接收天线数目
2
2
MRC（dB)
3
3
等效接收灵敏度(dBm）

-103

-110
衰
落
余
量
人体损耗

1

1
快衰落余量

5

5
阴影衰落余量

6

6
总衰落余量

12

12

允许路损

140

143

此时最大的链路预算是140dB（基站为全向天线）；如果基站采用定向天线，最大的链路预算为148dB。
5、系统覆盖范围
无线系统的覆盖范围取决于现场的实际情况。在这里我们只能先根据链路预算 ，用COST231模型，以中小城市，农村为模型，计算天线高度和覆盖范围关系如下。
其中链路预算中的各种衰落余量、COST231模型中的校正因子均会根据实际环境进行调整。
a) LT800覆盖距离：
天线高度40m。
工作频率（MHz）
1800
基站天线的有效高度(m)
40
移动台天线的有效高度(m）
2
允许的最大损耗（dB)
133
模型
COST231—HATA
覆盖环境
中小城市
大城市
农村
移动台高度修正因子
1。54848
1.225447
0
校正因子
-12。28
0
—22.52
覆盖半径(km）
2.279988
0.980922
4.078921
天线高度30m.
工作频率(MHz）
1800
基站天线的有效高度(m）
30
移动台天线的有效高度（m)
2
允许的最大损耗(dB)
133
模型
COST231-HATA
覆盖环境
中小城市
大城市
农村
移动台高度修正因子
1。54848
1。225447
0
校正因子
—12.28
0
-22。52
覆盖半径(km)
1.998016
0.876619
3.526493

b) RW100覆盖距离
天线高度40m:
工作频率(MHz）
600
基站天线的有效高度（m)
40
移动台天线的有效高度(m)
2
允许的最大损耗(dB）
140
模型
COST231-HATA
覆盖环境
中小城市
大城市
农村
移动台高度修正因子
1.23358
1.225447
0
校正因子
—12.28
0
-22。52
覆盖半径（km）
10.52756
4。625748
19。23502

天线高度30m：
工作频率（MHz)
600
基站天线的有效高度（m）
30
移动台天线的有效高度(m)
2
允许的最大损耗(dB）
140
模型
COST231—HATA
覆盖环境
中小城市
大城市
农村
移动台高度修正因子
1。23358
1。225447
0
校正因子
-12.28
0
—22。52
覆盖半径（km）
8。903458
3.987589
16。0414

6、覆盖分析总结：
结合LT800和RW100目前已实际应用的情况来看，LT800的最大覆盖距离为4Km，RW100为12Km。另外综上分析，利用LT800或RW100实现本项目，覆盖能力可以满足要求.
3.2.3 无线侧解决方案
从以上用户容量和覆盖范围来分析,电力大楼和南部山区分别用一套基站即可.
1、频段选择
由于对现场的勘探还没有进行,目前初步确定的方案是电力大楼用LT800基站，南部山区用RW100基站.

最终的频段选择根据现场网络测试实际情况来最终落实。
2、终端安装方式
原则上从便于用户安装维护的前提考虑终端的安装方式，只是对于信号较弱的地方要单独处理，安装在室外：
- 信号比较好的地方终端可以安装在室内走廊；
- 室内信号比较弱的地方终端建议安装在室外（或至少天线要安装在室外,且用定向天线，天线增益可达6dB）.
4 无线绿洲无线电力专网解决方案的优势
在本解决方案中，采用无线绿洲的宽带无线接入系统存在以下的优势：
4.1 系统安全性
对于电力专网用户而言，网络的安全性是十分关键的因素之一.在此解决方案中，由于系统的特点，可以从无线侧和有线侧分别提供可靠的系统安全性保障：
1、无线侧
一方面提供用户的接入认证，防止非法用户的接入访问，支持EAP—TLS、EAP-TTLS、EAP-AKA方式的认证；另外提供空口数据的动态加密，支持AES—CCM加密，防止非法用户的监听.
2、有线侧
区别于公网解决方案，从基站侧接入数据直接接入到专网内部网络，与外网完全隔离，避免非法用户的攻击,保证了网络的安全性.
4.2 服务质量保证
由于这个网络是一个专网,专门应用于电力专网用户，与公网普通用户为两张完全不同的无线网络。这样避免了与公网用户争夺网络资源的问题，尤其是公网用户比较繁忙情况下，专网用户可能就得不到资源，无法满足电力用户的业务需求。
在此解决方案中,根据前期确定的网络规划，每个用户可以保证一直在线,并保证相应的服务质量。并且支持按照不同用户的优先级，提供不同的服务等级。
4.3 网络的可扩展性与现有网络的无缝升级
由于LT800/RW100的系统特征，其相当于一个标准的L3无线设备，对外的接口均采用标准的IP接口和IP处理协议，对核心网设备没有特殊的要求，因此系统网络的扩容比较方便,且便于实现与现有网络的无缝升级。
1、系统侧的扩展性
从系统侧来看,可以在保持核心网设备不变的情况下实现系统的扩容，只需在网络路由上做相应的配置，在DHCP Server分配对应IP Pool即可：

在上述的规模组网情况下,支持移动终端在基站间的切换和漫游.由于基站中集成了基站和基站控制器的功能，因此可以在核心网侧不需变更的情况下，支持终端在不同基站间的切换。
2、终端的可扩展性
LT800/RW100终端上除提供用于电力抄表的串口以外,还提供标准的以太网接口,因此一个每个接入点除了可提供19。2Kbps的抄表业务以外，还可以通过以太网接口扩展其它的宽带业务，另外还可以扩展WiFi接口，WiFi AP可以内置在CPE中、或外置。

4.4 业务的可扩展性
LT800/RW100是一个IP宽带无线接入系统,无线接入系统主要完成终端的远程接入功能，因此在此网络架构中除了支持基本的抄表业务外,还可以在此基础上支持以下业务，只需在网络侧配置相应的应用服务器设备即可.
l 图像回传
- 云台摄像机、视频编码器与CPE相连，通过LT800/RW100系统将现场画面实时传送到监控中心；
- 手机/ PDA移动视频监控;
- 云台摄像机、视频编码器与固定网络相连,监控人员只要在网络覆盖区内，就可以利用PDA、智能手机等终端,随时随地掌握监控现场情况。
l 移动办公
LT800/RW100提供无线宽带业务.手持笔记本电脑或掌上电脑，插上网卡或终端模块，即可实现宽带“移动办公”。LT800/RW100系统终端速率上下行高达10Mbps(MIMO模式下，最大可达19Mbps），用户通过LT800/RW100系统可随时随地享受网上冲浪，视频会议，视频点播等宽带无线业务.
l 语音调度指挥
LT800/RW100调度指挥系统在应急指挥工作中真正做到了迅速、准确、高效的调度指挥的功能.LT800/RW100系统提供包括强插、强拆、代接、监听、转接、广播、对讲、会议、通播、组播等调度语音功能。
l 其他领域及应用场合还包括：
- 新兴住宅小区家庭用户宽带无线上网服务、综合信息服务；
- 郊区、乡村提供方便、快捷、低廉的宽带接入和综合信息服务；
- 媒体和广告服务；
- 公共事务管理;
- 无线宽带政务；
- 公安、消防、救护等部门－－图像/语音的实时智能联动平台；
- 城市安全监控；
- 紧急和突发事故指挥和控制；
- 智能交通系统控制；
- 环境监控水利监测和智能调度;
- 民防、抗旱、防汛的远程指挥;
- 政府信息实时发布和电子社区无线信息发布亭；
- 移动指挥车系统；
- 公共事业的数据采集，电力，自来水，煤气数据采集；
- 大型社会活动的现场指挥调度;
- 户外重点公共场所多功能无线宽带大屏幕显示系统等各方面。
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