电力无线专网干扰源跟踪定位方法

王宏延，顾舒娴，完颜绍澎，于佳

( 1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210000；2.南京苏逸实业有限公司科技信息网络分公司，江苏 南京 210000；3.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 210000)

随着智能电网建设的不断深入开展，电力通信业务种类日益丰富，网络覆盖范围和建设规模逐年扩大。为了支撑智能电网建设的核心任务和目标，需要建设覆盖面更广、接入更灵活的终端接入网[1-5]。

对于电力无线专网，由于其通信频段的特殊性，受到的干扰要大于传统的公网系统[6]。目前可用于电力无线通信的频段主要为230 MHz和1.8 GHz，其中电力230 MHz频段为非连续频谱，相邻频点存在其他行业(军事，水利，气象等)数传电台通信；而1.8 GHz为企业通信频段，可能存在某些企业的私有基站通信；因此除了小区间干扰外，这2个频段的电力无线专网都面临着强烈的邻频干扰[7-8]。干扰的存在会影响接收信号的信噪比，从而影响覆盖范围、通信速率等；因此需要对电力无线专网中的干扰进行管理和抑制，以提高系统性能及可靠性。对于邻频干扰，必须通过切换通信频点来解决[9-10]，即利用跳频技术，这就存在通信信道选择的问题。对于时分双工(time division duplex，TDD)系统而言，上下行的干扰是不同的，因此信道优选是一个研究重点；对于小区间干扰，也需要进行抑制，以提高小区边缘接收信号的质量和系统性能[11]。因此，干扰管理是本文需要解决的重点与难点之一。

目前，国内多种制式无线通信系统并存，网络结构日益复杂，网络规模和用户快速增长，无线环境复杂多变，导致网络干扰问题日益突出[12-13]，成为影响无线网络服务质量的重要因素。从中国运营商在维护管理移动通信网络的经验来看，网络干扰分析定位排查已成为一项重要的长期演进(long term evolution，LTE)网络运维优化(以下简称“网优”)工作[14-16]。每年的网优工作中，都会在网络口投入大量人力、物力、财力，以日常网优和专项网优的形式，解决现网运营中面临的各类干扰，以保证网络的正常运行和服务质量[17]。

电力专网所处频段不同于分时长期演进(time division long term evolution，TD-LTE)公网，其干扰源和干扰类型有自身的特点[18]，对于TD-LTE电力专网，可以借鉴但不能照搬TD-LTE公网采用的干扰排查处理方法。国家电网有限公司已在国内多个城市建立了TD-LTE无线电力专网试验网[19-20]，结合这些实验网的经验，网络建设单位和国内一些研究所和高校研究探讨了各项电力专网关键技术，包括网络体系架构、网络规划(如业务分析预测、链路预算、覆盖、容量)、业务终端、网络安全控制等[21-24]；但这些新建的实验网规模小、用户少，干扰问题并不突出。对于已经大规模部署运营的网络，干扰分析处理是保证网络质量的重要手段，智能干扰分析系统能够实现对相关区域的无线频谱环境的在线实时监测，对电力无线专网的规划、运营和维护都具有重要作用。对于专网规划来说，现在电力无线专网的基站主要部署在变电站等电力设施处，缺乏科学依据，只通过短暂的路测数据结果来进行布站。而利用智能干扰分析系统可以实现对多个区域的长时间、多天气的监测跟踪，及时了解所属区域的无线频谱干扰情况，对基站选址，基站工作频率的选择等方面具有重要意义。对于专网运营，利用智能干扰分析系统，及时反馈不同覆盖区域下的无线频谱干扰情况，及时排除干扰，保证专网系统稳定运营；对于专网运维，利用长期的监测结果，有利于发现覆盖盲点及弱覆盖区域，进而采取相关补盲手段来实现专网信号的全面覆盖。因此，无线专网在智能电网领域大规模部署应用，进行网络干扰分析定位排查必然是智能电网维护运营中的一项重要工作内容，需要正确的理论指导、规范的工作流程和方法、方便有效的软硬件支撑工具。针对此，本文提出一种LTE电力无线专网网外干扰源故障跟踪定位的方法。

1 电力专网干扰分析排查特点

1.1 电力无线专网干扰分析

目前LTE电力无线专网在国内仍处于试验网阶段，没有大规模部署运营，缺乏行之有效的干扰分析处理方法。TD-LTE电力无线专网的系统频谱范围和所处无线环境不同于TD-LTE公网，专网中的系统间干扰类型和干扰源有别于公网。干扰分析定位排查不能完全套用TD-LTE公网的原理、方法和技术[25]，应当面向TD-LTE电力专网的实际网络运营环境，分析其所在频段特性，研究各种潜在的上下行干扰源及其干扰特性，评估各类干扰对终端、基站的影响；针对各类干扰，研究有效的排查处理方法，为电力专网网优提供理论指导。

1.2 网外强干扰源的影响

干扰器、放大器、伪基站等网外强干扰源的干扰频带范围宽、功率大、影响面广，在上下行方向上对TD-LTE公网、专网内的基站和用户终端均会造成严重影响。而且此类干扰源的位置隐蔽甚至是不断移动的，干扰源的开启和关闭情况并非一成不变，这导致利用扫频仪、测试终端来捕获这些干扰源的干扰信号比较困难，快速定位这些干扰源的具体位置难度更大，需要大量的现场勘测工作，且定位精度也不高。

在电力专网中，基站与电力终端间传输的是电网运行数据，一旦网外强干扰造成数据丢失或错误，将严重影响电网的正常运行；因此，在TD-LTE专网中，更应关注网外强干扰源的影响。

2 干扰源定位跟踪技术路线

针对多个处于干扰范围内的网络终端，根据这些终端的位置和受到干扰时信号强度的变化，采用正向/反向三维射线跟踪模型，分析干扰信号的传播路径，定位排查可能的干扰源具体位置。图1所示为电力无线专网网外干扰源定位流程。

图1 电力无线专网网外干扰源定位流程Fig.1 Location and tracking of interference sources in power wireless private network

2.1 确定探测范围

根据区域内各小区的网管指标、用户投诉和路测辅助测试设备(auxiliray test unit，ATU)分析等方式来确定被干扰小区，进而划定干扰源探测范围D，具体步骤如下。

步骤1，评估区域内各小区的被干扰程度。区域内小区集合C={ci|i∈[1,n]}，其中，n为小区个数，ci为第i个小区标识。各小区被干扰指标I(ci)=f(Mi,ATU，Si，Ni,user)，其中，f为干扰评估函数，Mi,ATU为小区ci的ATU路测，Si为小区ci的网管指标，Ni,user为小区ci的用户单位时间投诉量。

步骤2，根据干扰指标筛选被干扰小区，即：C′={ci|i∈[1,m]}，其中C′为被干扰小区集合，m为被干扰小区个数。

步骤3，确立初步探测范围。根据被干扰小区所属基站坐标作轴对齐包围盒(图2中B为包围盒)。

步骤4，确立最终探测范围。为防止遗漏，根据异常小区受干扰程度、小区方向将B适当外扩(图2中D为扩大后的包围盒)。

图2 探测范围俯视图Fig.1 Top view of detection range

2.2 探测搜索D场景建模

a)三维空间D栅格化。沿着空间直角坐标系的3个轴，分别以边长Lx、Lv和Lz将三维空间划分为三维栅格，得到D={g(x，y，z)|x∈[1，l/Lx]，y∈[1，w/Lv]，z∈[1，h/Lz]}；其中g(x，y，z)为栅格标识，w、l和h分别为三维空间D的长、宽、高。根据叠加分析，记录各建筑物所占据的栅格标识。

b)加速结构建立。加速结构有多种，如均匀栅格、KD树等。均匀栅格是一种空间剖分技术，将整个探测区域D以边长L划分为均匀三维栅格，得到D={A(x，y，z)|x∈[1，l/L]，y∈[1，w/L]，z∈[1，h/L]}；

其中，A(x，y，z)为均匀栅格标识。根据叠加分析，记录位于各均匀栅格内的建筑物标识。

c)道路拓扑网构建。对原始地图中的道路数据即线要素进行处理，按道路交叉口将道路分割，以建立网络拓扑关系G(V，E)，其中，V为道路交叉口，E为各路段。分割步骤如下[16]：

步骤1，从数字地图中提取所有道路，存入数据库中，道路总数为r；

步骤2，查看第1条路与其余r-1条路的相交情况，在交点处剪断，记录该交点以及及剪断后的各路段；

步骤3，依次查看第i条路与其余r-i条路的相交情况，在交点处剪断，记录该交点以及剪断后的各路段。

2.3 路测数据特征分析提取

针对路测信号强度序列{P1,P2,…,Pm}，根据启发式分割算法提取突变点，进而分段，其中，m为路测点个数，Pi为信号场强，i∈[1,m]。

设位置点序列{P1,P2,…,Pm}，启发式分割算法提取突变点步骤如下：

步骤1，依次计算各点Pi(i∈[2,m-1])在序列中左边部分和右边部分的均值ul和ur，标准差sl和sr，则点Pi的合并偏差

(1)

式中：nl为点Pi左边部分的点数，nr为Pi右边部分的点数。

步骤2，根据公式(2)，使用t检验的统计值T表示点Pi左右两部分的差异，T值越大，当前点左右两部分的均值相差越大。

(2)

对序列中的每个点重复上述计算过程，得到与Pi一一对应的统计检验值序列T。

步骤3，计算T中的最大值Tmax的统计显著性。

步骤4，设定一个临界值P0，如果T中的最大值Tmax的统计显著性大于P0，则当前点为突变点，将序列分割为2段，否则不分割。

步骤5，对新得到的2个序列重复上述操作，直到子序列不可再分割，即序列长度小于或等于l0；一般来说，l0≥25，P0可取0.5～0.95。

对分段后的路测数据进行分析，提取每段的路测数据特征(如单调性、平坦性等)，利用最小二乘线性拟合对各段路测的信号走势进行拟合。

2.4 基于启发式的干扰区域分析/逼近

对路测分段和特征提取后，可根据各段路测强弱的变化特征，结合地形地物，采用启发式规则对干扰源区域进行推断。

2.4.1 规则1—基于路测单调性推理

根据单调性较明显的路测确定干扰源可能区域(图3中阴影部分)，箭头指向为路测单调上升方向，根据路测单调性所围成的空间为干扰源可能区域。该步骤中，需要判断各不等式线性方程组是否有解，即线性不等式围成的凸空间是否为空[26]，方法如下。

设线性不等式组为

(3)

图3 根据单调性所围区域Fig.3 Regions based on monotonicity

2.4.2 规则2—基于路测强信号段推理

当单调性不明显时，可视为平坦部分，若中间部分场强明显高于两端，则可视为强信号段。如图4所示，整条路测被分为3段，即e、f和g段，f段场强较强(实心粗线表示)，e、g两段场强较弱，(虚线表示)，且3段的单调性都较弱；则干扰源搜索区域为长方形范围内，其宽度为2d，长度为场强较强路段的长度。

图4 基于路测强信号段推理Fig.4 Circuit-based reasoning for strong signal segments

2.4.3 规则3—基于路测强弱信号交错情况推理

由于建筑物遮挡，有的路段有直射信号，接收信号强度较强(图5中粗实线)；而有的路段无直射信号，其信号强度由信号反射、绕射形成，场强较弱(图5中虚线)。因而，可根据信号强度与是否有信号直射路径的对应关系来反推干扰源的可能位置。图5中s代表处于直射信号的点，w代表处于无直射信号的点。

图5 基于波谷、波峰交错情况推理
Fig.5 Inference based on trough and wave peakstaggered condition

2.4.4 规则组合

图6 规则组合Fig.6 Combination of rules

2.5 再次路测路径规划

当得到的干扰源区域过大，或未能得到一个有效区域时(如图7所示)，区域Z1、Z2、Z3和Z4均未形成重叠区域，需对其包围区域Q进行再次路径规划，并再次运用启发式规则重新确定干扰源搜索区域。

图7 干扰搜索区域Fig.7 Interference searching area

2.6 干扰源功率、候选位置设置

2.7 正向射线跟踪分析

在干扰源候选位置设置虚拟干扰源，利用射线跟踪模型进行室外覆盖分析，得到虚拟干扰源在路测区域的干扰分布情况，具体流程如图8所示。

图8 射线跟踪流程Fig.8 Ray tracing flow chart

2.8 干扰源位置评估筛选

基于正向射线跟踪，对各候选位置进行评估，将正向射线跟踪所得路测与实际路测的去均值欧氏距离值最小位置作为最终干扰源所在位置。

为消除射线正向跟踪所得路测对发射功率的敏感性，采用去均值欧氏距离评价方式[3]，描述如下：

对于2个n维向量x和y：

(4)

则x和y的去均值欧氏距离

(5)

在各可能的干扰源位置进行正向射线跟踪，得到路测结果向量，与实际路测向量求去均值欧氏距离，结果最小的位置作为最终干扰源位置。

3 仿真案例

3.1 场景建模

利用覆盖干扰源搜索范围、表示为离散形式的数字高程模型数据点集，去除点集中位于同一线段上或位于同一平面内的冗余点，提取点集中的地形特征点，针对地形特征点进行三角剖分，得到描述地形的矢量化的不规则三角网。从三角网中提取影响无线信号传播的不平坦、凸起的地形对象，如坡地、丘陵、高地。地形建模结果如图9所示。

图9 地形建模Fig.9 Terrain modeling

3.2 道路拓扑网建立

在干扰分析定位过程中，采用最短路径算法规划路测轨迹。利用电子地图提供的覆盖区域内的道路信息，构造道路/路网拓扑模型，如图10所示。图10中的点为道路交叉路口，在大小为(7 915×9 285)m2的搜索区域内，有832条路、1 518个交叉路口；构造出的拓扑模型有1 518个顶点、3 017条边，对应3 017个路段。

图10 局部道路拓扑网Fig.10 Local road topology network

3.3 道路拓扑网建立初始干扰区域确定

图11所示为初始干扰区域，图中干扰区域的大小为(3 162×5 866)m2。

3.4 干扰候选位置评估

为选出最终干扰源位置，需对利用启发式规则进一步压缩后满足要求的干扰源区域内的点进行评估，以确定最终干扰源位置。干扰源候选位置评估结果如图12点K1—K3所示，其与实际干扰源T之间的差距见表1。

图11 初始干扰区域Fig.11 Initial interference region

图12 干扰源候选位置评估结果Fig.12 Evaluation results of candidate positions of interference sources

/m/mT(668 400,3 545 720,30)(185,110,2)K1(668 336,3 545 716,20)(182,110,1)6441065K2(668 336,3 545 711,20)(182,109,1)6491065K3(668 331,3 545 716,20)(182,110,1)6991070

4 结论

本文针对多个处于干扰范围内的网络终端，根据这些终端的位置和受到干扰时的信号强度变化，采用正向/反向三维射线跟踪模型，依据干扰源定位启发式业务逻辑，分析干扰信号的传播路径，定位排查可能的干扰源位置，为电力无线专网网外干扰分析定位排查提供技术支持和方法论指导。同时，未来可以进一步考虑在覆盖范围差别较大的基站中的研究。电力无线专网网外干扰源故障跟踪定位的方法的研究为电力终端通信接入网的统一建设提供了技术支撑，为LTE电力无线专网的推广应用奠定坚实基础。