(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 引 言

传统的水利建设项目往往采用粗放型管理，普遍存在管理能力与水平相对滞后的问题，大量资料仍以手工作业为主，工程管理部门难以及时、准确、全面地了解工程发展状况及变化趋势，导致管理目标无法量化。在水资源日益紧缺的今天，每一滴水都要物尽其用，传统的管理方式已经不满足当下需求，应对水资源实现精细化管理。而对水资源进行精细化管理，就需要对水资源信息进行实时采集，实时监控渠系运行情况，并相应采取措施，以实现以计算机技术为主的水利信息化。在水利信息化过程中，对前端信息的采集是重点，而对这些信息的有效传输则是重中之重。

水利工程的信息传输一般采用传统的有线传输方式，但大多数水利工程由于受水资源地理位置限制，需从位置偏僻的水库、河流中取水，而工程管理部门往往离工程位置较远。这种项目的有线光缆敷设就需要采取破路、过桥等一系列施工措施，其投资高、难度大，需协调的企业和部门也很多。考虑到这些问题，必须寻找一条有别于有线通信的无线通信方式来解决此类项目中信息的传输问题，满足工程长期运行的需求。

2 工程概况

引长入连工程位于内江市威远县境内，主要由取水泵站枢纽工程和输水管线工程两部分组成。取水泵站从长沙坝水库内雷公田处抽水至2000m3高位水池后，经长度18.541km管道以重力流方式，先后输水至川威集团成渝钒钛基地和已成船石湖水库。通信系统根据工程特点，须将视频监视及泵站控制的数据汇聚至泵站高位水池，再经通信网络传至大坝管理局处。大坝管理局不在输水线路上，且距泵站约20km，途经河流、公路和乡镇，敷设光缆非常困难。

高位水池和大坝管理局的地理位置如图1所示。

3 无线传输特点和优势

3.1 无线传输的特点

随着通信技术的发展，行业内部开始出现以低频段TD-LTE为技术标准的无线传输系统。TD-LTE作为我国自主专利知识产权的4G标准，已经成为3GPP审核的国际标准之一，TD-LTE有着如下的特点：

a.传输时延：用户面时延(单向)小于5ms，控制面时延小于100ms。

b.带宽灵活选择：5km半径范围内效果优秀，5～30km属于可接受范围内的下降，最大支持100km半径覆盖。

c.系统容量：下行达到100Mb/s，上行达到30Mb/s，频谱效率达到3GPP R6的2～4倍，提高小区边缘用户的使用效果。

d.移动性支持：0～120km/h移动速度下高性能，最大支持300km/h移动速度。

TD-LTE基本网络结构如图2所示。

图2 TD-LTE基本网络结构

3.2 无线传输的优势

TD-LTE无线专网，与光纤方案对比，具有非常明显的优势。

3.2.1 信息安全性

TD-LTE是中国自主研发的技术标准，本土企业掌握从芯片到终端的所有技术，在端到端的全产业链领域具有自主研发技术优势。

在安全体系设计方面，TD-LTE在传统架构上进行了改进，在AN和SN之间、ME和SN之间和归属网络HE和SN之间均进行双向安全保护。

在安全层次设计方面，针对3G只有一层安全缺陷，TD-LTE采用了分层安全机制，即分为AS层和NAS层，通过这种分层保护的安全架构，使LTE/SAE网络的安全威胁降到最低。

在鉴权机制设计上，TD-LTE对鉴权流程进行了深度优化，能够保证UE稳定且安全接入，有效杜绝非法用户的连接。

在安全保护机制设计上，TD-LTE系统的数据安全都是基于可选的算法来实现的，当核心算法确定后，TD-LTE依次进行信令的加密和完整性保护，以及用户数据的加密。

3.2.2 工程实施

TD-LTE专网的建设非常方便，能够最大程度上节省人力、物力和财力。无线专网采用无线电波实现信息的传输，泵站内视频、数据及语音信息通过专网基站实现逐级回传，无须进行线缆的敷设，能够减少征地，减小资金投入，加快工程实施进度。TD-LTE专网设备集成度高，设备安装方便、调试简单、建网速度快，可以有效减少施工时间。

3.2.3 网络扩展性

TD-LTE无线专网具备强大的扩展性，网络规模伸缩自如，适应不同规模应用。TD-LTE可以实现点到多点的接入，一个基站可以同时支持多个终端的接入，在新建数据采集点时，可以通过安装一个终端设备，就近接入现有的基站设备中，实施起来非常方便，避免大量的工程实施工作量。

TD-LTE已具备从系统、终端、芯片，到测试设备的完善的商用产业链布局，全球已经规模商用部署，国内三大运营商移动、电信、联通的4G网络全部使用了TD-LTE技术，为水利行业使用TD-LTE提供了条件，水利行业也应顺应通信技术的发展，采用先进而方便的4G无线通信技术。

4 通信需求

本工程需要将高位水池处的10路视频信号和1路泵控信号回传到位于水库管理局的监控中心，视频采用1080P分辨率，压缩格式采用H.265。视频信号和泵站信号的流量需求分析如表1所列。

表1 视频信号和泵站信号的流量需求分析

从表1中分析，在定码率的情况下，流量需求约为23Mb/s，考虑到视频信号和泵控信号的峰值流量波动，总流量需求在22～30Mb/s。

5 方案比选

本工程通信网络根据上述通信需求，拟定两个通信方案，即光纤通信和TD-LTE无线专网。

5.1 技术方案比较

5.1.1 网络建设

a.本工程位于丘陵地区，开挖光缆沟工程实施难度大，光纤网络只能沿河架设，无形中增加了光纤敷设的距离，初步估计光缆长度约为26km，且野外光纤维护非常不便。

b.无线专网天线拟设置于高位水池杆塔上，由于高位水池的地理位置高于附近的山头，如采用25m高铁塔进行无线传输，沿线几乎无遮挡，将有较好的视距。

5.1.2 设备选择

a.光纤通信传输主干网络采用光纤数字传输设备，利用沿线敷设的光纤构成1.25G复用段保护结构，技术体制采用基于SDH的多业务传送平台MSTP(Multi-Service Transfer Platform)系统，内嵌RPR技术，可以同时实现TDM、以太网等业务的接入、处理和传送。

根据业务需要，在泵站和大坝管理局分别配置1套光传输SDH设备。传输设备利用沿线光缆组成1.25G 1+1 MSP保护。设备内核心单板均配置1+1保护，为各业务系统提供2M、10M、100M、1000M等多种业务接口。

b.无线专网拟采用低频段TD-LTE网络，将视频、泵站控制信号和数据回传到大坝管理局。低频段TD-LTE信号绕射能力强，空间损耗小，相对于运营商采用的高频段，空间中传播衰耗减少10～20dB，覆盖距离有几倍以上的提升。

整个LTE系统由核心网，BBU基站和终端CPE组成。核心网和BBU(基带处理单元)可以完成网络管理、终端鉴权、安全认证以及基带信号处理。CPE可以接收基站所发数据，也可以将数据发送给基站，作为整个网络连接的一个节点转发设备。

两个通信方案在技术上各有优劣，其比较见表2。

表2 方案优劣比较

5.2 投资比较

经表3中比较，采用光纤通信与TD-LTE无线专网设备总体费用相当。

表3 投资比较

5.3 结 论

虽然TD-LTE网络对比光纤网络在通信设备上的投资多，但TD-LTE通信技术在2014年才开始商用，还属于新兴技术，随着无线通信技术的不断发展，生产规模的不断扩大，此部分费用会逐年降低，而光纤网络在光缆铺设过程中的征地移民成本会逐年升高，且在丘陵地区实施和维护均很困难，故TD-LTE无线专网方案相对光纤通信而言在本工程实施中的难度和投资均有优势。

6 无线传输系统方案设计

方案将使用400MHz TD-LTE基站对高位水池进行覆盖，将高位水池处汇聚的10路视频信号和1路泵控信号回传到大坝管理局，整个LTE系统由核心网、BBU基站和终端CPE组成。系统组成如图3所示。

图3 TD-LTE系统组成

核心网设备将安装于大坝管理局机房。基站由BBU和RRU组成，BBU将安装于机柜内，RRU靠近天线安装。终端采用CPE将安装于高位水池处，可将汇聚的10路视频信号和1路泵控信号回传到大坝管理区监控中心。

7 组网示意

整个组网方案由前端LTE网络和微波回传网络组成。在铁塔位置山头上建立LTE基站，对高位水池周围进行覆盖。在铁塔位置与大坝管理局之间建立微波链路，将LTE网络采集的数据回传到大坝管理局。

整个方案的规划如图4所示。

7.1 高位水池—铁塔传输

高位水池与铁塔之间有3个较高的山头，拟在高位水池山顶处建立25m的铁塔，那么高位水池与铁塔之间将有较好的视距，LTE覆盖可以达到较好的效果(见图5)。

图4 组网示意图

7.2 铁塔—水库管理局传输

铁塔与水库管理局之间没有任何遮挡，有较好的视距。可建立微波链路将视频流最终回传到水库管理局(见图6)。

图6 铁塔—水库管理局的高度配置情况

8 扇区规划

根据3GPP协议TR 25.913(R9)E-UTRA和E-UTRAN的要求，峰值数据速率在标准UE配置下，应能在20 MHz带宽下分配100Mb/s瞬时下行链路峰值速率和50Mb/s的瞬时上行链路峰值速率。

而用户的峰值速率与终端能力等级有关，截至目前，3GPP共定义了8个等级的LTE终端，不同等级的终端对MIMO、UL-64QAM以及每帧中所能传送的最大传输块大小(TransportBlockSize，TBS)的支持都不尽相同，所支持的上下行峰值速率亦然，具体参见表4。

表4 LTE UE能力等级

在实验室测试中，20MHz带宽时，采用Cat3UE的下行理论峰值速率约100Mb/s，上行理论峰值速率约50Mb/s；采用Cat5UE的下行峰值速率可达150Mb/s，上行峰值速率约为75Mb/s。Cat5UE进行测试时，近点处下行和上行的单UE的吞吐率能够分别达到127Mb/s和60Mb/s(见表5)。使用Cat3UE，近点处的下行和上行单UE吞吐率基本能够达到90Mb/s和50Mb/s左右。

10MHz带宽时，Cat3UE和Cat5UE的下行理论峰值速率约为75Mb/s，Cat3UE上行理论峰值速率约为25Mb/s，Cat5UE上行理论峰值速率可达37.5Mb/s。表5的数据中，近点处的单UE的下行吞吐量通常大于60Mb/s，实测Cat3UE上行峰值速率通常高于20Mb/s，实测Cat5UE上行理论峰值速率最高能达到33Mb/s。下行吞吐率随无线环境的变差而降低，而在上行，随着无线环境变差，发射功率会逐步提升直到最大发生功率限制，在达到最大发射功率之前，上行吞吐率基本保持不变。

表5 内场测试单扇区吞吐率统计

由于整个项目流量需求达到了22～30Mb/s，故为了更好地满足流量需求，保证项目质量，本项目将采用双载波进行覆盖，其中一个小区采用20MHz带宽进行覆盖，另一个小区采用10MHz带宽进行覆盖，小区覆盖规划如图7所示。

项目推荐使用400MHz频段。Cell_1采用10MHz带宽小区覆盖。Cell_2采用20MHz带宽小区覆盖。而采用20MHz和10MHz的带宽小区，完全满足本工程的通信带宽需求。

9 结 语

水利行业如今已经进入信息化、智慧化时代，在位于偏僻之处、距离长、环境复杂的水利工程中，采用传统的有线光纤传输方式进行数据传输，费用高昂，施工困难，后期系统扩容不易。而通过使用4G模块进行无线数据传输，可以很方便地在复杂地形区域建立通信链路，能够节约人力物力。根据本文分析与仿真结论，TD-LTE无线通信网络完全能够在水利项目上进行实际应用。但与此同时，无线通信技术作为水利行业内的新兴技术，在应用过程中仍然存在诸多需要技术人员去解决与克服的问题，这就要求我们正视无线通信技术在水利行业中的作用与意义，着力推动具有水利行业特色的通信技术发展变革，为水利信息化、智慧化建设发挥其应有的作用。