张亦弛，张 晖

（中通服咨询设计研究院有限公司，南京 210019）

工信部于9月7日正式印发了《关于调整223-235MHz频段无线数据传输系统频率使用规划的通知》（工信部〔2018〕165号文），明确了7MHz带宽用于电力等行业无线数据传输与能源互联网应用，为电网公司的230MHz无线通信专网的建设提供了频点的政策保障。[1]国家电网通信网规划中指出，到“十三五”末，国家电网将初步建成有效覆盖全网范围C类国家电网有限公司已开展了电力无线专网产业培育、标准制定、实验验证、联合创新等建设前期的准备工作，其中230MHz无线专网在浙江海盐、广州花都等地规模试点的建设效果也已得到了验证，目前230MHz无线系统已经具备完善的商用能力，后期的进一步推广将成为不可逆转的趋势。

相比运营商使用的4G网络，采用230MHz低频段的电力无线专网具有覆盖距离远的巨大优势，能够减少站点建设规模，大大降低投入成本，特别适合广域覆盖，能够满足各项电力业务对时延、带宽和可靠性的需求。但目前230MHz无线专网的建设规模还很小，外界机构和学者对其开展的研究相对有限，同时电力专网采用的频段和带宽与目前移动运营商采用的仍存在一定的差异，不能简单地类比传统运营商网络对230MHz网络的性能进行评估，因此迫切需要对230MHz电力无线专网的性能进行研究和探讨。在基站的建设过程中，天线的高度直接影响信号的覆盖效果，成为基站规划和建设的关键点，必须选择合适的天线挂高，才能使网络的通信质量和覆盖效果最优，实现良好的社会和经济效益，本文以Y市为例，研究了不同供电等级区域内230MHz通信基站天线挂高与其覆盖效果之间的联系，为后期230MHz电力无线专网的建设提供一定的参考。

1 理论模型

1.1 最大路径损耗

无线信号传播过程为BBU→馈线→跳线→天线→无线环境→终端设备。[2]在整个信号传播过程，无线信号受多种影响因素的共同作用呈衰落趋势。一个基站的覆盖能力受到基站设备发射功率、天线增益、无线传播的空间损耗及终端的灵敏度等多方面决定，一般地有以下公式进行定量分析和计算：

式中，Pr为终端的接收电平；Pt为最大发射功率；Gt为发射天线的增益；PL为电磁波传播的空间损耗；Gr为接收天线的增益；Lc为综合损耗。

通常情况下，接收端接收的信号强度应不小于能够正确地把有用信号拿出来的最小接收功率，即接收机的灵敏度。因此，当无线基站和终端确定时，即接收机灵敏度、最大发射功率、发射/接收天线增益确定，取一定的综合损耗作为冗余后，即可得出该无线系统空间在保持一定的通信质量时在传播中所能允许的最大损耗，即：

1.2 链路预算

覆盖范围与传播过程中的各种路径损耗、链路平衡和天线高度等因素有关，这些因素相互影响、作用。[3]如何优化各影响参数，确定每个基站电磁波传播的最大距离，获得最优的覆盖效果，便是链路预算的工作内容。

对于平坦地形上的链路预算普遍采用COST231-Hata模型，由COST231-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：[4]

式中，fc为载波频率，取230MHz；CM为大城市中心校正因子：

hre为手持终端高度，取1.5m；α（hre）为天线校正因子，α（hre）=（1.1logfc-0.7）×hre-（1.56logfc-0.8）；hte为 天 线 挂 高 ；Ccell，Cterrain，CM均为不同场景下选择的常量；d为传播距离。

不难得出，当最大路径损耗、载波频率、终端高度一定时，传播距离与天线挂高之间的数学关系为：

式中，A为常数。由此看出，基站覆盖半径与天线挂高的关系并非简单的线性关系，图1给出了两者之间的数学关系，可见随着天线挂高的增加，基站能够实现最大覆盖半径的增加，即天线挂高越高覆盖距离就越远。

图1 不同天线挂高（m）对基站覆盖半径（km）的数学关系

但通过对天线高度增加产生的增益的变化趋势进行分析，发现在不同站高下增加天线挂高，产生的增益是不同的，呈边际递减趋势。当天线挂高在55米以上时，天线挂高增加带来的增益减小，同时相应的成本也在增加，而带来的经济效益却很小，因此从链路预算的理论上分析得出，不能一味通过增加天线高度的方式来增加信号的覆盖效果。

2 仿真验证

2.1 单基站覆盖能力预测

利用仿真软件以及Y市50米精度的仿真地图对Y市供电区域内A、B、C、D四种供电等级内的无线基站覆盖能力进行仿真，选取位置理想的配变电站作为典型基站点位，模拟出周围实际环境，以230MHz网络为例，对不同供电等级内基站的覆盖半径进行预测，得出天线挂高增加对站点覆盖半径的关系如表1所示：

表1 四类供电区域典型覆盖半径与天线挂高（单位：千米）

由表1可以看出，每类区域中随着天线挂高的增加，单个基站能够覆盖的范围逐渐扩大，但每种供电等级内覆盖效果的增益有所区别，如图2所示：

图2 四类供电区域典型覆盖半径与天线挂高变化趋势图（单位：千米）

可见，D类区域内的天线挂高对于基站覆盖能力趋势线最为陡峭，效益最大，D类区域基本为广袤农村地区，遮挡物少，适当增加天线高度对覆盖范围的提升效果明显，因此覆盖效果在天线挂高在[40，50]米这个区间内的增长显著，但当天线高度超过50米之后趋于平缓，增加的效益开始减少，55米以后通过增加天线挂高所能带来的覆盖收益很小。相对地，A类、B类地区基本处于城市密集区域，楼宇较多，信号被遮挡，能量容易被建筑物、车辆、人体吸收，损耗较大，因此产生的效益很小，通过提升天线高度来改善覆盖的效果不明显。

2.2 对覆盖质量的影响

随着天线挂高的增加，除带来覆盖范围的扩展之外，也会带来一些负面的影响，并且这种影响也难以忽视，需要进行权衡。

2.2.1 信号质量恶化

由于基站发射功率一定，覆盖区域的增加，相当于对覆盖区域内的信号强度进行了“稀释”，导致原先接收良好的区域信号质量有了恶化，信号优良（RSRP Level≥-95dBm）的区域变小，会对移动终端的上行速率、收发成功率产生不利影响，造成“丢包”、“掉话”情况的出现，影响接入网络的质量。以A类区域内的兴庆110kV变电站为例，图3为该站点天线挂高由30米逐渐提升至50米时，无线信号质量的仿真。

图3 兴庆110kV变电站天线挂高覆盖效果对比图

由图3可见，当挂高30、35米时，信号优良（RSRP Level≥-95dBm）的区域出现在基站附近，40米以后信号整体质量逐渐下降，如RSRP Level≥-95dBm区域已基本消失，覆盖质量按信号场强汇总后如图4所示：

图4 兴庆110kV变电站覆盖质量统计图（左：挂高30米，右：挂高50米）

信号普通（RSRP Level≥-105dBm）的各类区域占总体覆盖区域的比例均出现了下降，如信号强度在区间[-85，-95]内的覆盖比例从挂高30米时的4.61%下降至挂高50米时的0.60%。

2.2.2 出现“越区覆盖”

越区覆盖是由于小区覆盖距离过远，导致相邻的基站信号覆盖区域的重合，在这个区域内容易产生孤岛效应，上下行不平衡甚至频率干扰。引起终端频繁、错误的切换，产生大量的切换失败，以及无切换关系导致掉话。当天线挂高一味增加，使覆盖范围不断扩大时，就可能出现“越区覆盖”的现象，增加了网络后期优化的难度。仿真结果显示，当LW城区内园艺110kV与东山220kV变电站两试点基站挂高达到50米时，存在信号覆盖重合区域，需要建设时进一步进行网络优化，将两个站点信号的干扰降低。

图5 LW城区越区覆盖位置示意图

2.3 总体覆盖效果预测

以Y市LW地区为例，将LW地区试点的D类以上供电区域内的8座无线试点基站的天线挂高由原先的45米提升至55米，通过仿真，覆盖效果对比如图6所示。

图6 挂高45米（左）、挂高55米（右）覆盖效果对比图

汇总计算得出LW市C类及C类以上供电区域的无线信号覆盖率（RSRP Level≥-115dBm）由原先69%提升至74%，考虑新建铁塔每高10米成本增加10万至15万不等，建造成本增加约95万，相比代价提升效果并不明显。一般地，在C类以上供电等级区域内天线挂高应控制在45米以内，以35至40米为宜，D类地区可以适当提高至50米。

3 结束语

提升天线挂高的方法可以扩大基站无线信号覆盖范围，但除D类供电区域以外，提升能力有限，天线挂高大于55米后，投入将大于由此带来的效益，一般地在C类以上供电等级区域内天线挂高以35至40米为宜，D类地区可以适当提高至50米。提升天线挂高在扩大基站无线信号覆盖范围的同时，也带来了信号场强的下降，越区覆盖的可能，牺牲了覆盖区域内的覆盖质量。

文章创新点：

国家电网无线专网标准已经明确，以230MHz为基础的无线电力专网建设将成为必然趋势，但目前对230MHz无线基站的研究较少，尤其天线挂高与覆盖效果的关系少有人关注，本文通过对某市不同等级内天线挂高对覆盖的研究，给出最优的高度，为230MHz基站的实际建设提供了参考。