电力无线微波传输技术

　　一、无线通信技术概述
　　目前主流的无线传输技术可分为：高功耗、高速率的广域网传输技术（2G/3G/4G蜂窝通信技术、微波调制传输等）；低功耗、低速率的广域网传输技术（Lora、Sigfox、NB-IoT等）；高功耗、高速率的近距离传输技术（WIFI、蓝牙等）；低功耗、低速率的近距离传输技术（ZigBee）。
　　在以无人区输电线路视频回传为主要业务需求的场景下，窄带和近距离传输的物联网无线技术并不适用该场景。目前主流的无线视频监控技术有WLAN（无线局域网）、模拟微波调制技术、4G/5G移动物联网技术、卫星通信技术。各技术的特性分析如下：
　　（1）WLAN（无线局域网）
　　WLAN（无线局域网）与一般传统的以太网（Ethernet）的概念并没有多大的差异，只是将以太网的线路传输部分（普通网卡--五类线--普通HUB）转变成无线传输形式（无线网卡--微波—AP，AP可理解为无线HUB），也可以说是双向通讯的数字微波通信。
　　（2）模拟微波调制技术
　　模拟微波调制技术是将视频信号直接调制在微波的通道上，通过天线发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，再通过微波接收机解调出原来的视频信号。此种监控方式没有压缩损耗，几乎不会产生延时，因此可以保证视频质量，但其只适合点对点单路传输，不适合规模部署，此外因没有调制校准过程，抗干扰性差，在无线信号环境复杂的情况下几乎不可以使用。
　　（3）4G/5G移动物联网技术
　　利用运营商提供的4G/5G无线移动网络，可实现视频图像高质量地传输。
　　（4）卫星通信技术
　　依靠传统的通信卫星或高通量卫星技术，视频终端通过卫星传输通道实现点对点的通信。
　　各类无线视频监控技术的优缺点可归纳如下：
　　技术类型
　　优点
　　缺点
　　WLAN
　　带宽高、距离远、组网方式灵活
　　易受干扰、传输需无遮挡、跳转延时较大
　　模拟微波调制
　　组网简单、价格便宜
　　不适合规模部署、抗干扰性差
　　4G/5G
　　部署方便
　　信号覆盖及强度不一，通信费用高
　　卫星通信
　　区域覆盖面广、传输稳定
　　通信费用高、存在＂南山效应＂
　　二、技术分析
　　为实现无人区输电线线路视频监控、在线监测等业务信息回传，可采用WLAN（无线局域网）、卫星通信技术等。
　　（一）WLAN（无线局域网）
　　目前，Mesh组网和WDS组网均能实现两个无线接入节点之间的无线链路通信，实现无线网络的扩展，可广泛应用于无线视频监控回传网络中，各组网特性分析如下：
　　（1）WDS组网
　　WDS组网通过无线网桥连接两个独立的局域网段。WDS组网结构包含点对点、点对多点。
　　目前无线网桥设备可实现点对点10km以上的远距离传输，实际数据吞吐量不低于200Mbps，整机功率小于20W。在整个组网中无线网桥根据节点作用的不同可实现不同的工作模式：在覆盖场景下支持AP（基站）工作模式、在接入场景下支持CPE（客户端）工作模式、在回传场景下支持WDS工作模式。
　　（2）Mesh组网
　　图1 典型Mesh组网架构
　　在Mesh网络中,如果某个节点的AP发生故障,它可以重新再选择一个AP进行通信,数据仍然可以高速地到达目的地，可以有效避免单点故障，所以Mesh网络比WDS网络更加稳定。
　　Mesh组网虽然便捷灵活，但整体链路带宽较低并且开销较大，在链路较长、跳接数量较多的情况下无法保障数据的正常传输。
　　（3）Mesh组网与WDS组网的对比
　　对比项
　　Mesh组网
　　WDS组网
　　可靠性
　　自动发现两个节点之间的最佳路径，无单点故障，可靠性高
　　组网链路为静态路径，存在单点故障，可靠性较低
　　多跳带宽损耗
　　开销较大，整体链路带宽相对较低，多跳带宽损耗大
　　带宽损耗小
　　单跳延时
　　Mesh设备工作在网络层，延时相对较大
　　无线网桥设备工作在数据链路层，延时相对较小
　　成本
　　高
　　低
　　可用性
　　高
　　高
　　电源
　　风光互补
　　风光互补
　　场景应用
　　网络拓扑结构复杂（网状网或多链路）、受外界因素（车辆通过、施工等）造成信号中断、网络拓扑和网络节点具有不固定性的网络
　　网络节点数目少、网络拓扑结构单一（层次分明）、不需冗余链路、不会因外界因素（车辆通过、施工等）对信号传输链路进行遮挡造成间隙性地中断以及网络规模较为固定的网络
　　（二）卫星通信技术
　　国内卫星通信主要采用传统的Ku卫星和高通量通信卫星，其中高通量通信卫星主要是位于地球同步轨道的中星16号卫星、亚太6D卫星。目前中星16号卫星已实现商用，亚太6D卫星还处在在轨试运行阶段。＂中星16号＂卫星单站下载和回传速率最高可达150Mbps和12Mbps，单站整机功率约为40W左右。
　　由于卫星远端站最大回传速率较低、＂南山效应＂、功耗较高等问题制约了其在输电线路视频回传业务的广泛应用。但卫星远端站可作为无线回传网络上监测点零星补点的手段，也可结合Wi-Fi桥接技术，在输电线路或变电站巡检、应急救援时提供近程的通信覆盖，并且可配置COFDM图传设备将无人机自主巡检时视频画面通过卫星通道实现实时回传。
　　三、应用场景
　　按照某输电线路无网络覆盖的情况，可分为以下两种场景进行监控信号回传方案的设计：
　　场景一：整条输电线路无网络覆盖的区域零散、无网络覆盖区间范围较短。无网络覆盖区域可通过Mesh组网或WDS组网搭建的无线链路将业务信息汇聚至具备运营商信号的电力铁塔，通过4G CPE设备接入运营商电力无线专网APN通道回传至监控中心。
　　图2 场景一组网架构（示例）
　　场景二：输电线路无网络覆盖区域较广。无网络覆盖区域通过Mesh组网或WDS组网搭建的无线链路将业务信息直接回传至就近变电站（就近变电站是指据输电线路较近的变电站）。但其能够实现的网络覆盖距离会受制于设备的带宽、组网主链路跳接次数等，需根据实际的变电站两站之间的距离、需观察的点位数量等做进一步的业务模型分析。
　　图3 场景二组网架构（示例）
　　对于Mesh组网或WDS组网架构的选择需根据实际输电线路沿线观测点数量和点位位置进行部署，总体组网拓扑为主链路采用（汇聚节点间）多跳接力（桥接）的方式，汇聚节点采用点对多点实现近程覆盖。而因延时或受带宽限制使得采用上述两种组网架构的最优化情况下仍然存在无法回传的监测点位，可采用卫星通信技术作为补点的手段，从而实现输电线路无网络覆盖区域监测点位监控信息的回传。
　　四、无线传输拓扑图
　　图4 单链路多跳桥接传输拓扑图
　　在户外电力铁塔间无遮挡情况下，可通过网桥间多跳桥接方式构建传输链路，传输各种视频信号。最前端使用ST58T8G设备。中间铁塔使用ST5801GB-M3设备（三模设备），该设备可用其中两个模块分别接受前端信号和发送信号，第三个模块可用来做无线覆盖，当检修时，现场检修人员可通过无线设备和检修车辆间构建通信网络。车辆可通过无线设备与附近铁塔上的网络或卫星将前端工作人员采集的数据进行回传。
　　图5 点对多点桥接传输拓扑图
　　在户外电力铁塔间无遮挡情况下，前端的两个或多个铁塔可通过点对多点方式将采集的信息传输到一个铁塔上，然后再通过网桥间多跳桥接方式构建的传输链路将汇总的信息回传。最前端使用ST58T8G设备。中间铁塔使用ST5801GB-M3设备（三模设备），该设备可用其中两个模块分别接受前端信号和发送信号，第三个模块可用来做无线覆盖，当检修时，现场检修人员可通过无线设备和检修车辆间构建通信网络。车辆可通过无线设备与附近铁塔上的网络或卫星将前端工作人员采集的数据进行回传。
　　图6 桥接加mesh组网传输拓扑图
　　在户外电力铁塔间无遮挡情况下，可通过网桥间多跳桥接方式构建传输链路，传输各种视频信号。最前端使用ST58T8G设备。中间铁塔使用ST5801GB-M3设备（三模设备），该设备可用其中两个模块分别接受前端信号和发送信号，第三个模块可用来做无线覆盖，当检修时，现场检修人员可通过无线设备和检修车辆间构建通信网络。车辆可通过无线设备与附近铁塔上的网络或卫星将前端工作人员采集的数据进行回传。当其中三个或多个铁塔间均无遮挡时，可设置mesh组网，增强链路抗毁性，保证链路可靠性。
　　图7 多链路多跳桥接传输拓扑图
　　在户外电力铁塔间有遮挡情况下，部分无遮挡铁塔间可通过网桥间多跳桥接方式构建传输链路，传输各种视频信号，有遮挡的铁塔无法直接回传时，可根据现场情况选择附近其他铁塔进行回传。最前端使用ST58T8G设备。中间铁塔使用ST5801GB-M3设备（三模设备），该设备可用其中两个模块分别接受前端信号和发送信号，第三个模块可用来做无线覆盖，当检修时，现场检修人员可通过无线设备和检修车辆间构建通信网络。车辆可通过无线设备与附近铁塔上的网络或卫星将前端工作人员采集的数据进行回传。