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電力無線微波傳輸技術(shù)

  2022-05-06

 一、無線通信技術(shù)概述

目前主流的無線傳輸技術(shù)可分為:高功耗、高速率的廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)(2G/3G/4G蜂窩通信技術(shù)、微波調(diào)制傳輸?shù)龋坏凸?、低速率的廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)(Lora、Sigfox、NB-IoT等);高功耗、高速率的近距離傳輸技術(shù)(WIFI、藍(lán)牙等);低功耗、低速率的近距離傳輸技術(shù)(ZigBee)。

在以無人區(qū)輸電線路視頻回傳為主要業(yè)務(wù)需求的場景下,窄帶和近距離傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)無線技術(shù)并不適用該場景。目前主流的無線視頻監(jiān)控技術(shù)有WLAN(無線局域網(wǎng))、模擬微波調(diào)制技術(shù)、4G/5G移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)。各技術(shù)的特性分析如下:

無線視頻監(jiān)控

(1)WLAN(無線局域網(wǎng))

WLAN(無線局域網(wǎng))與一般傳統(tǒng)的以太網(wǎng)(Ethernet)的概念并沒有多大的差異,只是將以太網(wǎng)的線路傳輸部分(普通網(wǎng)卡--五類線--普通HUB)轉(zhuǎn)變成無線傳輸形式(無線網(wǎng)卡--微波—AP,AP可理解為無線HUB),也可以說是雙向通訊的數(shù)字微波通信。

(2)模擬微波調(diào)制技術(shù)

模擬微波調(diào)制技術(shù)是將視頻信號直接調(diào)制在微波的通道上,通過天線發(fā)射出去,監(jiān)控中心通過天線接收微波信號,再通過微波接收機(jī)解調(diào)出原來的視頻信號。此種監(jiān)控方式?jīng)]有壓縮損耗,幾乎不會產(chǎn)生延時,因此可以保證視頻質(zhì)量,但其只適合點對點單路傳輸,不適合規(guī)模部署,此外因沒有調(diào)制校準(zhǔn)過程,抗干擾性差,在無線信號環(huán)境復(fù)雜的情況下幾乎不可以使用。

(3)4G/5G移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

利用運營商提供的4G/5G無線移動網(wǎng)絡(luò),可實現(xiàn)視頻圖像高質(zhì)量地傳輸。

(4)衛(wèi)星通信技術(shù)

依靠傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星或高通量衛(wèi)星技術(shù),視頻終端通過衛(wèi)星傳輸通道實現(xiàn)點對點的通信。

各類無線視頻監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)缺點可歸納如下:

技術(shù)類型

優(yōu)點

缺點

WLAN

帶寬高、距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)方式靈活

易受干擾、傳輸需無遮擋、跳轉(zhuǎn)延時較大

模擬微波調(diào)制

組網(wǎng)簡單、價格便宜

不適合規(guī)模部署、抗干擾性差

4G/5G

部署方便

信號覆蓋及強度不一,通信費用高

衛(wèi)星通信

區(qū)域覆蓋面廣、傳輸穩(wěn)定

通信費用高、存在“南山效應(yīng)”

二、技術(shù)分析

為實現(xiàn)無人區(qū)輸電線線路視頻監(jiān)控、在線監(jiān)測等業(yè)務(wù)信息回傳,可采用WLAN(無線局域網(wǎng))、衛(wèi)星通信技術(shù)等。

(一)WLAN(無線局域網(wǎng))

目前,Mesh組網(wǎng)和WDS組網(wǎng)均能實現(xiàn)兩個無線接入節(jié)點之間的無線鏈路通信,實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展,可廣泛應(yīng)用于無線視頻監(jiān)控回傳網(wǎng)絡(luò)中,各組網(wǎng)特性分析如下:

(1)WDS組網(wǎng)

WDS組網(wǎng)通過無線網(wǎng)橋連接兩個獨立的局域網(wǎng)段。WDS組網(wǎng)結(jié)構(gòu)包含點對點、點對多點。

目前無線網(wǎng)橋設(shè)備可實現(xiàn)點對點10km以上的遠(yuǎn)距離傳輸,實際數(shù)據(jù)吞吐量不低于200Mbps,整機(jī)功率小于20W。在整個組網(wǎng)中無線網(wǎng)橋根據(jù)節(jié)點作用的不同可實現(xiàn)不同的工作模式:在覆蓋場景下支持AP(基站)工作模式、在接入場景下支持CPE(客戶端)工作模式、在回傳場景下支持WDS工作模式。

(2)Mesh組網(wǎng)

Mesh組網(wǎng)

圖1 典型Mesh組網(wǎng)架構(gòu)

在Mesh網(wǎng)絡(luò)中,如果某個節(jié)點的AP發(fā)生故障,它可以重新再選擇一個AP進(jìn)行通信,數(shù)據(jù)仍然可以高速地到達(dá)目的地,可以有效避免單點故障,所以Mesh網(wǎng)絡(luò)比WDS網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定。

Mesh組網(wǎng)雖然便捷靈活,但整體鏈路帶寬較低并且開銷較大,在鏈路較長、跳接數(shù)量較多的情況下無法保障數(shù)據(jù)的正常傳輸。

(3)Mesh組網(wǎng)與WDS組網(wǎng)的對比

對比項

Mesh組網(wǎng)

WDS組網(wǎng)

可靠性

自動發(fā)現(xiàn)兩個節(jié)點之間的最佳路徑,無單點故障,可靠性高

組網(wǎng)鏈路為靜態(tài)路徑,存在單點故障,可靠性較低

多跳帶寬損耗

開銷較大,整體鏈路帶寬相對較低,多跳帶寬損耗大

帶寬損耗小

單跳延時

Mesh設(shè)備工作在網(wǎng)絡(luò)層,延時相對較大

無線網(wǎng)橋設(shè)備工作在數(shù)據(jù)鏈路層,延時相對較小

成本

可用性

電源

風(fēng)光互補

風(fēng)光互補

場景應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜(網(wǎng)狀網(wǎng)或多鏈路)、受外界因素(車輛通過、施工等)造成信號中斷、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有不固定性的網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目少、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一(層次分明)、不需冗余鏈路、不會因外界因素(車輛通過、施工等)對信號傳輸鏈路進(jìn)行遮擋造成間隙性地中斷以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較為固定的網(wǎng)絡(luò)

(二)衛(wèi)星通信技術(shù)

國內(nèi)衛(wèi)星通信主要采用傳統(tǒng)的Ku衛(wèi)星和高通量通信衛(wèi)星,其中高通量通信衛(wèi)星主要是位于地球同步軌道的中星16號衛(wèi)星、亞太6D衛(wèi)星。目前中星16號衛(wèi)星已實現(xiàn)商用,亞太6D衛(wèi)星還處在在軌試運行階段。“中星16號”衛(wèi)星單站下載和回傳速率最高可達(dá)150Mbps和12Mbps,單站整機(jī)功率約為40W左右。

由于衛(wèi)星遠(yuǎn)端站最大回傳速率較低、“南山效應(yīng)”、功耗較高等問題制約了其在輸電線路視頻回傳業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用。但衛(wèi)星遠(yuǎn)端站可作為無線回傳網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)測點零星補點的手段,也可結(jié)合Wi-Fi橋接技術(shù),在輸電線路或變電站巡檢、應(yīng)急救援時提供近程的通信覆蓋,并且可配置COFDM圖傳設(shè)備將無人機(jī)自主巡檢時視頻畫面通過衛(wèi)星通道實現(xiàn)實時回傳。

三、應(yīng)用場景

按照某輸電線路無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況,可分為以下兩種場景進(jìn)行監(jiān)控信號回傳方案的設(shè)計:

場景一:整條輸電線路無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域零散、無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)間范圍較短。無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域可通過Mesh組網(wǎng)或WDS組網(wǎng)搭建的無線鏈路將業(yè)務(wù)信息匯聚至具備運營商信號的電力鐵塔,通過4G CPE設(shè)備接入運營商電力無線專網(wǎng)APN通道回傳至監(jiān)控中心。

某輸電線路無網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景一

圖2 場景一組網(wǎng)架構(gòu)(示例)

場景二:輸電線路無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域較廣。無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域通過Mesh組網(wǎng)或WDS組網(wǎng)搭建的無線鏈路將業(yè)務(wù)信息直接回傳至就近變電站(就近變電站是指據(jù)輸電線路較近的變電站)。但其能夠?qū)崿F(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離會受制于設(shè)備的帶寬、組網(wǎng)主鏈路跳接次數(shù)等,需根據(jù)實際的變電站兩站之間的距離、需觀察的點位數(shù)量等做進(jìn)一步的業(yè)務(wù)模型分析。

某輸電線路無網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景二

 

圖3 場景二組網(wǎng)架構(gòu)(示例)

對于Mesh組網(wǎng)或WDS組網(wǎng)架構(gòu)的選擇需根據(jù)實際輸電線路沿線觀測點數(shù)量和點位位置進(jìn)行部署,總體組網(wǎng)拓?fù)錇橹麈溌凡捎茫▍R聚節(jié)點間)多跳接力(橋接)的方式,匯聚節(jié)點采用點對多點實現(xiàn)近程覆蓋。而因延時或受帶寬限制使得采用上述兩種組網(wǎng)架構(gòu)的最優(yōu)化情況下仍然存在無法回傳的監(jiān)測點位,可采用衛(wèi)星通信技術(shù)作為補點的手段,從而實現(xiàn)輸電線路無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域監(jiān)測點位監(jiān)控信息的回傳。

 

四、無線傳輸拓?fù)鋱D

單鏈路多跳橋接傳輸拓?fù)鋱D

圖4 單鏈路多跳橋接傳輸拓?fù)鋱D

在戶外電力鐵塔間無遮擋情況下,可通過網(wǎng)橋間多跳橋接方式構(gòu)建傳輸鏈路,傳輸各種視頻信號。最前端使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備。中間鐵塔使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備(三模設(shè)備),該設(shè)備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發(fā)送信號,第三個模塊可用來做無線覆蓋,當(dāng)檢修時,現(xiàn)場檢修人員可通過無線設(shè)備和檢修車輛間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。車輛可通過無線設(shè)備與附近鐵塔上的網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將前端工作人員采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。

 

點對多點橋接傳輸拓?fù)鋱D

圖5 點對多點橋接傳輸拓?fù)鋱D

在戶外電力鐵塔間無遮擋情況下,前端的兩個或多個鐵塔可通過點對多點方式將采集的信息傳輸?shù)揭粋€鐵塔上,然后再通過網(wǎng)橋間多跳橋接方式構(gòu)建的傳輸鏈路將匯總的信息回傳。最前端使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備。中間鐵塔使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備(三模設(shè)備),該設(shè)備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發(fā)送信號,第三個模塊可用來做無線覆蓋,當(dāng)檢修時,現(xiàn)場檢修人員可通過無線設(shè)備和檢修車輛間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。車輛可通過無線設(shè)備與附近鐵塔上的網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將前端工作人員采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。

 

橋接加mesh組網(wǎng)傳輸拓?fù)鋱D

圖6 橋接加mesh組網(wǎng)傳輸拓?fù)鋱D

在戶外電力鐵塔間無遮擋情況下,可通過網(wǎng)橋間多跳橋接方式構(gòu)建傳輸鏈路,傳輸各種視頻信號。最前端使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備。中間鐵塔使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備(三模設(shè)備),該設(shè)備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發(fā)送信號,第三個模塊可用來做無線覆蓋,當(dāng)檢修時,現(xiàn)場檢修人員可通過無線設(shè)備和檢修車輛間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。車輛可通過無線設(shè)備與附近鐵塔上的網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將前端工作人員采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。當(dāng)其中三個或多個鐵塔間均無遮擋時,可設(shè)置mesh組網(wǎng),增強鏈路抗毀性,保證鏈路可靠性。

多鏈路多跳橋接傳輸拓?fù)鋱D

 

圖7 多鏈路多跳橋接傳輸拓?fù)鋱D

 

在戶外電力鐵塔間有遮擋情況下,部分無遮擋鐵塔間可通過網(wǎng)橋間多跳橋接方式構(gòu)建傳輸鏈路,傳輸各種視頻信號,有遮擋的鐵塔無法直接回傳時,可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇附近其他鐵塔進(jìn)行回傳。最前端使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備。中間鐵塔使用mesh自組網(wǎng)設(shè)備(三模設(shè)備),該設(shè)備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發(fā)送信號,第三個模塊可用來做無線覆蓋,當(dāng)檢修時,現(xiàn)場檢修人員可通過無線設(shè)備和檢修車輛間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。車輛可通過無線設(shè)備與附近鐵塔上的網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將前端工作人員采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。


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