470～510 MHz频段无线抄表系统干扰共存

许瑞琛，房骥，杜昊，王小波

（国家无线电监测中心检测中心，北京100041）

470～510 MHz频段无线抄表系统干扰共存

许瑞琛，房骥，杜昊，王小波

（国家无线电监测中心检测中心，北京100041）

现行射频规范限制470～510 MHz频段无线抄表系统不能适应电力网络新的通信速率和覆盖范围需求。如何调整相关射频规范，在保障邻频先用通信业务不受干扰的前提下，有效提升无线抄表系统的通信能力成为目前亟待解决的问题之一。针对该问题，首先分析国内450～566 MHz频段频谱划分情况。随后根据国家电网3种无线抄表系统的射频参数，通过确定性计算和射线追踪仿真的方法，研究所述无线抄表系统和邻频广播电视系统、CDMA450系统、铁路列调系统、FDD LTE系统之间的干扰共存情况。最后给出相关射频规范的修改建议。

470～510 MHz；无线抄表系统；射频需求；干扰共存；修改建议

1 引言

无线抄表技术可以使电力网络监控自动化，具有广泛的应用前景。自国家无线电管理机构颁布法规[1]确立470～510 MHz可供无线计量业务应用[2,3]以来，工作在此频段的无线抄表节点已部署近3 000万个，取得巨大的经济和社会效益。然而，单纯测量电流的无线抄表系统已经不能满足电力部门的需求。为了更好地提升能效、报告故障、规范用电习惯，电力部门还需计量其他诸如功率因数、无功功率及分时段计费等参数[2]。新的计量数据需求对承载计量数据传输的无线抄表系统的通信速率和覆盖范围提出了更高的要求。现行射频规范[1]对470～510 MHz频段无线抄表系统的功率及带宽限制使其无法满足所述通信速率和覆盖范围需求。在保障同频邻频通信系统不受干扰的前提下，如何修改现行射频规范，适当放宽470～510 MHz无线抄表系统功率和带宽限制，成为目前亟待解决的问题之一。

2 470～510 MHz无线抄表系统的射频规定及设备射频参数介绍

根据信部无[2005]423号文[1]，470～510 MHz无线抄表系统属于短距离微功率设备中的无线传声器和民用无线电计量仪表设备类型，在用于民用无线电计量仪表时，发射机工作时间不得超过5 s，发射功率限值为50 mW，占用带宽小于200 kHz；若使用频率和当地电视广播电台频率相同时，不得在当地使用；若对当地声音、电视广播接收产生干扰时，应立即停止使用。

现有无线抄表设备一般安装在楼宇中的电箱内，穿墙损耗大。由于其最大发射功率为50 mW，需要在每个楼宇内安装多个无线抄表汇聚节点，造成无线抄表系统部署成本增加。因此，国家电网预部署两种具有更大功率和更大带宽的无线抄表设备。所述3种无线抄表设备相关参数见表1。

表1 现有无线抄表设备和两种新型无线抄表设备的相关参数

由表 1可知，两种新型的无线抄表设备的射频参数和已部署的无线抄表设备差别较大，研究新型无线抄表设备对470～510 MHz同频和邻频设备的干扰共存情况十分必要。所述研究能够为射频规范[1]的调整提供定量和定性的技术建议。

3 450～566 MHz频段频谱划分情况和在用业务情况

主要分析和无线抄表系统同频470～510 MHz及邻频450～470 MHz及510～566 MHz内频谱划分情况和在用业务情况，得到需要研究的无线抄表系统干扰共存分析场景。

根据参考文献[4]，国内450～566 MHz频段频谱划分情况见表2。由表2可知，目前470～510 MHz频段的主要业务为广播业务，450～470 MHz频段主要划分给陆地固定业务和陆地移动业务。

表2 中华人民共和国无线电频率划分规定中450～566 MHz频段频谱划分情况

根据参考文献[2]和参考文献[6]，450～566 MHz频段民用业务见表3。由表3可知，无线抄表系统的邻频系统包括CDMA450系统、铁路列调系统、FDD LTE系统、DTMB（数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制）系统和民用无线计量业务。其中，无线抄表系统和DTMB系统虽然均工作于470～510 MHz频段，但是其工作频段并不重叠。因此，DTMB系统是无线抄表系统的邻频系统。

表3 450～566 MHz民用业务情况

根据参考文献[1]，无线抄表系统需要能够承受其他通信系统的干扰。因此，这里仅研究无线抄表系统对其他通信系统的干扰情况。可通过式（1）[1]判断受扰系统受到干扰的类型。

其中，fI和fV分别表示干扰系统和受扰系统的工作频点，BI和BV分别表示干扰系统和受扰系统的工作带宽。根据表3中无线抄表系统邻频业务的频率和带宽参数，结合式（1），得到所需分析的干扰共存场景见表4。其中，I型和Ⅱ型无线抄表设备和DTMB系统的保护带宽目前还未确定，因此需要分析所述两种无线抄表系统和DTMB系统之间的邻道干扰和带外干扰情况。

表4 干扰共存场景分析

4 无线抄表系统和邻频在用业务的干扰共存分析

首先介绍无线抄表系统的邻频在用业务的系统参数、带外干扰分析方法、邻道干扰分析的方法和传播模型，接着对Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统干扰DTMB系统的ACIR建模，最后通过仿真和确定性计算的方法得到无线抄表系统和邻频在用业务之间的共存条件。

4.1 无线抄表系统同频邻频在用业务的系统参数

CDMA450系统[5]、FDD LTE系统[6]、铁路列调系统[7]和DTMB广播电视系统[8]干扰共存分析所需参数见表5。

表5 各受扰系统干扰共存分析所需参数

4.2 带外干扰分析方法、邻道干扰分析方法和传播模型

（1）带外干扰分析方法

根据参考文献[6]，带外干扰分析方法分以下两步。

步骤1 计算泄露在受扰系统工作带宽内的干扰信号功率PI是否小于通用杂散门限TSEI[1]，如果PI＜TSEI，则判断干扰系统不会对受扰系统造成有害干扰。

步骤2 如果PI＞TSEI，使用受扰系统的保护准则判断干扰系统是否会对受扰系统造成有害干扰。

其中，PI可由式（2）得到，TSEI可由式（3）得到。

式 （2）中，ft和fb分别表示受扰系统工作频带的上下限，PSDI表示干扰信号的功率谱密度。式（3）中，T表示单位带宽上的通用杂散门限，T=-36 dBm/100 kHz=2．511 9× 10-4mW/100 kHz，BV表示受扰系统工作带宽，单位为MHz。PI和TSEI单位为dBm。

（2）邻道干扰分析方法

如图1所示，无线抄表系统一般安装在电井中的电表箱内，无线电波需要经过两层金属隔离物才能向外传播。因为DTMB系统接收端可能安装于室内，也可能安装于室外，所以干扰端至受扰端的传播模型应为室内传播或室内传播和室外传播的组合。目前，并没有普适性的室内传播模型供干扰共存分析使用。因此，这里设计了一种仿真和数值计算相结合的邻道干扰分析方法。

图1 无线抄表系统安装实地

所述邻道干扰分析方法分为4步。

步骤1 通过式（4）计算得到受扰系统和干扰系统之间的安全隔离度LP1，单位为dB。

步骤2 通过建立普通住宅模型并使用射线追踪仿真方法得到室内路损LPS，即无线抄表系统至房屋外墙外多个样本接收点的统计平均损耗，单位为dB。

步骤3 如果LP1＜LPS，则说明室外受扰系统和干扰系统可以实现共存，然后通过设置仿真步长，使用射线追踪仿真方法得到室内受扰系统和干扰系统之间的安全隔离距离。

步骤4 如果LP1≥LPS，则说明室内受扰系统和干扰系统无法实现共存。通过式（5）得到除去穿墙损耗的安全隔离LP2。根据LP2和通用干扰共存传播模型[8]反推得到安全隔离距离d，单位为m。

式（4）和式（5）中，PT表示干扰系统最大发射功率，单位为dBm；GT表示干扰系统的天线增益，单位为dBi；GR表示受扰系统的天线增益，单位为dBi；LT表示干扰系统的插入损耗，单位为dB；LR表示受扰系统的插入损耗，单位为dB；ACIR表示邻道干扰功率比，单位为dB；I表示受扰系统能承受的最大干扰信号功率，单位为dBm，由受扰系统的保护准则得到；LQ为穿墙损耗，单位为dB，由仿真得到。

根据参考文献[8]，国际电信联盟规定：0．1 km距离以下时，干扰共存计算采用Hata模型。因此，步骤4中的传播模型使用Hata模型。

4.3 带外干扰分析

在带外干扰分析中，假设Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表类设备与DTMB系统之间的保护带宽分别为2．5 MHz和250 kHz。根据第4．2节中带外干扰分析方法可知，这种情况下，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表类设备对DTMB系统的干扰属于带外干扰。根据表1、表5及第4．2节中带外干扰分析方法，得到的带外干扰分析计算结果见表6。

表6 无线抄表系统和受扰系统之间带外干扰分析计算结果

由表6可知，3种无线抄表系统对 7种受扰系统不造成有害的带外干扰，可以实现共存。因此，当现有无线抄表设备、Ⅰ型无线抄表设备和Ⅱ型无线抄表设备与DTMB系统分别保证 500 kHz、2．5 MHz和 250 kHz带宽时，所述3种无线抄表系统可以和DTMB系统实现共存。

4.4 邻道干扰分析

本节分析在Ⅰ型无线抄表设备和Ⅱ型无线抄表设备与DTMB系统之间的保护带宽分别小于2．5 MHz和250 kHz时，所述两种无线抄表设备对DTMB系统的邻道干扰情况，并给出共存条件。

根据第4．2节邻道干扰分析方法、表1、表5、式（4）和式（5）可知，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统与DTMB系统的邻道干扰共存分析还需要通过确定性计算方法得到 ACIR值，并通过仿真方法得到LPS和LQ值。下面分别阐述得到ACIR、LPS和LQ的方法和过程。最后根据ACIR、LPS和LQ确定Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表设备与DTMB广播电视系统的共存条件。

4．4 ．1 ACIR建模

首先在不同保护带宽下，对I型和II型无线抄表系统干扰DTMB系统的ACIR建模。ACIR由式（6）[9]得到。

式（6）中ACLR单位为dB；ACS为邻道选择性，单位为dB。下面分别通过数值计算方法得到不同保护带宽情况下，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统对DTMB系统的ACLR和ACS。

（1）ACLR计算

假设Ⅰ型无线抄表设备和DTMB系统之间的保护带宽为0．5～2 MHz，Ⅱ型无线抄表设备和DTMB系统之间的保护带宽为100～200 kHz。当保护带宽分别为0．5 MHz、1 MHz、1．5 MHz和2 MHz时，Ⅰ型无线抄表系统对DTMB系统的ACLR如图2所示。当保护带宽为50 kHz、100 kHz、150 kHz、200 kHz时，Ⅱ型无线抄表系统对DTMB系统的ACLR如图3所示。无线抄表系统对DTMB系统的ACLR可由式（7）得到。

图2 Ⅰ型无线抄表系统的ACLR示意

图3 Ⅱ型无线抄表的ACLR示意

式（7）中，fb,i和 ft,i表示无线抄表系统第 i相邻信道的起始频率和截止频率，单位为MHz；PSDT为无线抄表系统的带内功率谱密度，单位为dBm/MHz；ACLRi表示无线抄表系统第i相邻信道的邻道泄露比，单位dB；K1和K2分别表示无线抄表系统的第一个及最后一个和DTMB系统重叠的相邻信道序号。例如图2中，K1=1、K2=9，图3中，K1=3、K2=82。

根据式（7）可计算得到，不同保护带宽下，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统对DTMB系统的ACLR见表7。

表 7 不同保护带宽下，I型和II型无线抄表干扰DTMB系统的ACLR计算结果

（2）ACS计算

DTMB系统的带宽为8 MHz，分析Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表设备对DTMB系统的邻道干扰时，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统干扰DTMB系统的ACS分别如图4和图5所示。

根据参考文献[9]，ACS可由式（8）得到。

式（8）中Pil表示干扰度，可根据表 8中不同偏离频率区间的保护准则和式（9）得到，单位为dBm，Pil=46.87 dBm；N为系统噪声，由热噪声功率谱密度和噪声系数得到，N=-99.16 dBm；M为带内允许的灵敏度损失值，M=3 dB[10]。

图4 不同保护带宽下，DTMB系统对Ⅰ型无线抄表设备的ACS示意

图5 不同保护带宽下，DTMB系统对Ⅱ型无线抄表设备的ACS示意

表8 DTMB广播电视系统不同邻频的保护准则

式（9）中，TC表示 DTMB系统的接收灵敏度，TC= -76.87 dBm[10]；TP为保护准则，根据表8，TP=-30 dB[10]。

根据式（8），计算得到不同保护带宽下，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统干扰DTMB系统的ACS，见表9。

表9 I型无线抄表系统和II型干扰DTMB系统的ACS计算结果

根据式（6）、表7和表9，得到不同保护带宽下，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统干扰DTMB系统的ACIR见表10。

表10 不同保护带宽下，I型和II型无线抄表系统干扰DTMB系统的ACIR计算结果

4.4.2 通过射线追踪仿真法得到LPS和LQ值

基于路损仿真工具Visualyse Professional，通过对典型室内场景建模，使用射线追踪方法，得到室内损耗LPS和穿墙损耗LQ。由于不同保护带宽下，I型和Ⅱ型无线抄表系统的工作频点相差不大，对路径损耗仿真结果影响很小。因此，在仿真过程中，设无线抄表系统的工作频点为479 MHz。

（1）场景建模

根据图1应用场景，对无线抄表系统配电室和室内场景建模，如图6所示。其中，配电室位于楼宇楼层中央位置，配电室三面为钢筋混凝土材质，一面为金属材质。配电室长2 m、宽1 m，墙体材料为混凝土。屏蔽箱长0.8 m、宽0.4 m，箱体材料为金属和玻璃。建筑材料仿真设置见表 11。

Ⅰ型无线抄表设备、Ⅱ型无线抄表设备和DTMB广播电视系统的相关参数见表1和表5。室内无线抄表系统干扰DTMB系统场景建模如图7所示。图7中，无线抄表系统天线位于电表内，电表位于屏蔽箱内，屏蔽箱位于配电室中。在距离发射天线2 m处设置36个接收天线，用射线追踪法获得接收功率，通过对接收功率取统计平均值，并根据路损定义[6]，获得LQ。在距离发射天线13 m处，设置81个室外接收天线，通过和获得LQ相同的方法得到LPS。

图6 无线抄表设备室内场景建模

表11 建筑材料仿真设置

（2）仿真结果分析

如图7所示，采用射线追踪法仿真获得的发射天线至室内2 m处平均损耗为30．71 dB，发射天线至楼宇外墙外围的平均损耗为62．01 dB。因此，第4．2节中，LPS=62．01 dB，LQ=30．71 dB。

图7 无线抄表设备干扰DTMB系统场景建模

4．4 ．3 邻道干扰共存条件

将表1和表5中相关射频参数、本节得到的Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表设备的ACIR、LPS和LQ数值带入式（4）和式（5），得到不同保护带宽下，Ⅰ型无线抄表系统和DTMB系统之间的安全隔离见表12，Ⅱ型无线抄表系统和DTMB系统之间的安全隔离见表13。

表12 不同保护带宽下，DTMB系统和I型无线抄表系统之间的邻道干扰分析结果

表13 不同保护带宽下，DTMB系统和II型无线抄表系统之间的邻道干扰分析结果

由表12可知，在保护带宽≤2 MHz时，I型无线抄表系统不能和DTMB系统接收端实现室内共存。由表13可知，当保护带宽＜200 kHz时，Ⅱ型无线抄表系统不能和DTMB系统接收端实现室内共存。

由第4．2节可知，当保护带宽≥2．5 MHz时，Ⅰ型无线抄表系统对DTMB系统的干扰属于带外干扰，当保护带宽≥250 kHz时，II型无线抄表系统对DTMB系统的干扰属于带外干扰。根据表6带外干扰计算结果可知，Ⅰ型和Ⅱ型无线抄表系统不会对DTMB系统造成有害的带外干扰。

4.5 小结

根据第4．1节～4．4节可知：所述3种无线抄表系统均可和邻频FDD LTE、CDMA450、列调系统实现无条件共存；通过为现有无线抄表系统、Ⅰ型无线抄表系统和Ⅱ型无线抄表系统分别设置500 kHz、2．5 MHz和250 kHz的保护带宽，所述3种无线抄表系统可以和DTMB系统接收端实现共存。

5 射频规范修改建议

根据第2节～4节的研究结论，这里给出参考文献[1]射频规范的修改建议如下：

·适当放宽民用无线电计量仪表的工作带宽限制，建议无线电计量仪表的工作带宽增加至1 MHz，以满足日益增长的工业互联网应用对数据速率的需求；

· 建议在无线计量仪表应用中引入新的窄带设备类型，建议将100 kHz带宽的无线电计量仪表的发射功率限制增至2 W，以满足电力行业在部署无线抄表系统时的覆盖范围需求；

· 建议在无线计量仪表工作频率规范中引入保护带宽限制，工作带宽为100 kHz的无线电计量仪表应和DTMB系统保证至少250 kHz的保护带宽，工作带宽为200 kHz的无线电计量仪表应和DTMB系统保证至少 500 kHz的保护带宽，工作带宽为1 MHz的无线电计量仪表应和DTMB系统保证至少 2．5 MHz的保护带宽。

6 结束语

现行射频规范限制下，民用无线计量仪表的工作带宽和发射功率限值无法满足新形势下的数据速率和覆盖范围需求。针对该问题，根据国家电网提供的1种现行部署和2种预部署无线抄表设备的射频参数，通过确定性计算和射线追踪仿真的方法研究所述3种无线抄表系统和邻频7种无线通信设备之间的干扰共存问题，得到相应的共存条件，并给出现有射频规范的修改意见。

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Interference coexistence between wireless meter reading system in 470～510 MHz band and adjacent systems

XU Ruichen,FANG Ji,DU Hao,WANG Xiaobo
The State Radio Monitoring Center Testing Center,Beijing 100041,China

Current RF specification restrains the wireless meter reading system (WMRS)working in 470～510 MHz band．It is incapable of meeting new communication speed and coverage requirements of power network．Under the premise of ensuring that prior used communication systems in adjacent band work without interference,how to modify the related RF specification to improve communication ability of WMRS is one of the problems to be solved at present．Firstly,the domestic frequency spectrum allocation in 450～566 MHz band was analyzed．Then,based on RF parameters of 3 kinds of WMRS from State Grid and deterministic computation and ray tracing simulation method,the interference coexistence between the WMRS and adjacent communication systems,which including broadcast television system,CDMA450 system,railway train dispatching system and FDD-LTE system was studied．At last,some suggestions for revision of relevant RF specifications were obtained．

470～510 MHz,wireless meter reading system,RF requirement,interference coexistence,modification suggestion

TN929．5

A

10．11959/j．issn．1000-0801．2017009

许瑞琛（1984-），男，博士，国家无线电监测中心检测中心工程师，主要研究方向为频谱检测理论、干扰共存理论、公网及专网系统级仿真方法。

房骥（1984-），男，博士，国家无线电监测中心检测中心工程师，主要研究方向为频谱检测理论、软件无线电。

杜昊（1985-），男，国家无线电监测中心检测中心工程师，主要研究方向为频谱规划和射频测试理论。

王小波（1982-），男，博士，国家无线电监测中心检测中心高级工程师，主要研究方向为无线电射频理论和V2X理论。

2016-10-25；

2016-12-14

国家科技重大专项基金资助项目（No．2013ZX03001015-003）

Foundation Item:The National Science and Technology Major Project of China(No．2013ZX03001015-003)