電力無線微波傳輸技術

 一、無線通信技術概述

目前主流的無線傳輸技術可分為：高功耗、高速率的廣域網傳輸技術（2G/3G/4G蜂窩通信技術、微波調制傳輸等）；低功耗、低速率的廣域網傳輸技術（Lora、Sigfox、NB-IoT等）；高功耗、高速率的近距離傳輸技術（WIFI、藍牙等）；低功耗、低速率的近距離傳輸技術（ZigBee）。

在以無人區輸電線路視頻回傳為主要業務需求的場景下，窄帶和近距離傳輸的物聯網無線技術并不適用該場景。目前主流的無線視頻監控技術有WLAN（無線局域網）、模擬微波調制技術、4G/5G移動物聯網技術、衛星通信技術。各技術的特性分析如下：

（1）WLAN（無線局域網）

WLAN（無線局域網）與一般傳統的以太網（Ethernet）的概念并沒有多大的差異，只是將以太網的線路傳輸部分（普通網卡--五類線--普通HUB）轉變成無線傳輸形式（無線網卡--微波—AP，AP可理解為無線HUB），也可以說是雙向通訊的數字微波通信。

（2）模擬微波調制技術

模擬微波調制技術是將視頻信號直接調制在微波的通道上，通過天線發射出去，監控中心通過天線接收微波信號，再通過微波接收機解調出原來的視頻信號。此種監控方式沒有壓縮損耗，幾乎不會產生延時，因此可以保證視頻質量，但其只適合點對點單路傳輸，不適合規模部署，此外因沒有調制校準過程，抗干擾性差，在無線信號環境復雜的情況下幾乎不可以使用。

（3）4G/5G移動物聯網技術

利用運營商提供的4G/5G無線移動網絡，可實現視頻圖像高質量地傳輸。

（4）衛星通信技術

依靠傳統的通信衛星或高通量衛星技術，視頻終端通過衛星傳輸通道實現點對點的通信。

各類無線視頻監控技術的優缺點可歸納如下：

二、技術分析

為實現無人區輸電線線路視頻監控、在線監測等業務信息回傳，可采用WLAN（無線局域網）、衛星通信技術等。

（一）WLAN（無線局域網）

目前，Mesh組網和WDS組網均能實現兩個無線接入節點之間的無線鏈路通信，實現無線網絡的擴展，可廣泛應用于無線視頻監控回傳網絡中，各組網特性分析如下：

（1）WDS組網

WDS組網通過無線網橋連接兩個獨立的局域網段。WDS組網結構包含點對點、點對多點。

目前無線網橋設備可實現點對點10km以上的遠距離傳輸，實際數據吞吐量不低于200Mbps，整機功率小于20W。在整個組網中無線網橋根據節點作用的不同可實現不同的工作模式：在覆蓋場景下支持AP（基站）工作模式、在接入場景下支持CPE（客戶端）工作模式、在回傳場景下支持WDS工作模式。

（2）Mesh組網

圖1 典型Mesh組網架構

在Mesh網絡中,如果某個節點的AP發生故障,它可以重新再選擇一個AP進行通信,數據仍然可以高速地到達目的地，可以有效避免單點故障，所以Mesh網絡比WDS網絡更加穩定。

Mesh組網雖然便捷靈活，但整體鏈路帶寬較低并且開銷較大，在鏈路較長、跳接數量較多的情況下無法保障數據的正常傳輸。

（3）Mesh組網與WDS組網的對比

（二）衛星通信技術

國內衛星通信主要采用傳統的Ku衛星和高通量通信衛星，其中高通量通信衛星主要是位于地球同步軌道的中星16號衛星、亞太6D衛星。目前中星16號衛星已實現商用，亞太6D衛星還處在在軌試運行階段。“中星16號”衛星單站下載和回傳速率可達150Mbps和12Mbps，單站整機功率約為40W左右。

由于衛星遠端站回傳速率較低、“南山效應”、功耗較高等問題制約了其在輸電線路視頻回傳業務的廣泛應用。但衛星遠端站可作為無線回傳網絡上監測點零星補點的手段，也可結合Wi-Fi橋接技術，在輸電線路或變電站巡檢、應急救援時提供近程的通信覆蓋，并且可配置COFDM圖傳設備將無人機自主巡檢時視頻畫面通過衛星通道實現實時回傳。

三、應用場景

按照某輸電線路無網絡覆蓋的情況，可分為以下兩種場景進行監控信號回傳方案的設計：

場景一：整條輸電線路無網絡覆蓋的區域零散、無網絡覆蓋區間范圍較短。無網絡覆蓋區域可通過Mesh組網或WDS組網搭建的無線鏈路將業務信息匯聚至具備運營商信號的電力鐵塔，通過4G CPE設備接入運營商電力無線專網APN通道回傳至監控中心。

圖2 場景一組網架構（示例）

場景二：輸電線路無網絡覆蓋區域較廣。無網絡覆蓋區域通過Mesh組網或WDS組網搭建的無線鏈路將業務信息直接回傳至就近變電站（就近變電站是指據輸電線路較近的變電站）。但其能夠實現的網絡覆蓋距離會受制于設備的帶寬、組網主鏈路跳接次數等，需根據實際的變電站兩站之間的距離、需觀察的點位數量等做進一步的業務模型分析。

圖3 場景二組網架構（示例）

對于Mesh組網或WDS組網架構的選擇需根據實際輸電線路沿線觀測點數量和點位位置進行部署，總體組網拓撲為主鏈路采用（匯聚節點間）多跳接力（橋接）的方式，匯聚節點采用點對多點實現近程覆蓋。而因延時或受帶寬限制使得采用上述兩種組網架構的化情況下仍然存在無法回傳的監測點位，可采用衛星通信技術作為補點的手段，從而實現輸電線路無網絡覆蓋區域監測點位監控信息的回傳。

四、無線傳輸拓撲圖

圖4 單鏈路多跳橋接傳輸拓撲圖

在戶外電力鐵塔間無遮擋情況下，可通過網橋間多跳橋接方式構建傳輸鏈路，傳輸各種視頻信號。最前端使用ST58T8G設備。中間鐵塔使用ST5801GB-M3設備（三模設備），該設備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發送信號，第三個模塊可用來做無線覆蓋，當檢修時，現場檢修人員可通過無線設備和檢修車輛間構建通信網絡。車輛可通過無線設備與附近鐵塔上的網絡或衛星將前端工作人員采集的數據進行回傳。

圖5 點對多點橋接傳輸拓撲圖

在戶外電力鐵塔間無遮擋情況下，前端的兩個或多個鐵塔可通過點對多點方式將采集的信息傳輸到一個鐵塔上，然后再通過網橋間多跳橋接方式構建的傳輸鏈路將匯總的信息回傳。最前端使用ST58T8G設備。中間鐵塔使用ST5801GB-M3設備（三模設備），該設備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發送信號，第三個模塊可用來做無線覆蓋，當檢修時，現場檢修人員可通過無線設備和檢修車輛間構建通信網絡。車輛可通過無線設備與附近鐵塔上的網絡或衛星將前端工作人員采集的數據進行回傳。

圖6 橋接加mesh組網傳輸拓撲圖

在戶外電力鐵塔間無遮擋情況下，可通過網橋間多跳橋接方式構建傳輸鏈路，傳輸各種視頻信號。最前端使用ST58T8G設備。中間鐵塔使用ST5801GB-M3設備（三模設備），該設備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發送信號，第三個模塊可用來做無線覆蓋，當檢修時，現場檢修人員可通過無線設備和檢修車輛間構建通信網絡。車輛可通過無線設備與附近鐵塔上的網絡或衛星將前端工作人員采集的數據進行回傳。當其中三個或多個鐵塔間均無遮擋時，可設置mesh組網，增強鏈路抗毀性，保證鏈路可靠性。

圖7 多鏈路多跳橋接傳輸拓撲圖

在戶外電力鐵塔間有遮擋情況下，部分無遮擋鐵塔間可通過網橋間多跳橋接方式構建傳輸鏈路，傳輸各種視頻信號，有遮擋的鐵塔無法直接回傳時，可根據現場情況選擇附近其他鐵塔進行回傳。最前端使用ST58T8G設備。中間鐵塔使用ST5801GB-M3設備（三模設備），該設備可用其中兩個模塊分別接受前端信號和發送信號，第三個模塊可用來做無線覆蓋，當檢修時，現場檢修人員可通過無線設備和檢修車輛間構建通信網絡。車輛可通過無線設備與附近鐵塔上的網絡或衛星將前端工作人員采集的數據進行回傳。