一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统

1.一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，其特征在于，包括LTE系统核心网络设备、泄露电缆和多个传感器；所述的传感器用于采集隧道内的状态信息；
LTE系统核心网络设备与泄露电缆相连；泄露电缆发出无线信号；泄露电缆上设有便于散播无线信号的开槽；传感器与泄露电缆无线通信连接；
泄露电缆还与电缆隧道监控系统的控制器无线通信连接；所述的控制器与电缆隧道监控系统的采集器相连；电缆隧道监控系统的采集器用于采集电缆隧道运行原始数据，控制器用于汇总多个采集器数据并加以控制；
LTE系统核心网络设备与电缆隧道监控系统通信连接；
电缆隧道监控系统分为站控层设备和过程层设备；其中站控层设备通过与LTE系统核心网络设备双向交换信息实现与过程层设备联网通讯，最终将电缆隧道中所有智能设备的信息集中采集并进行集中决策；过程层设备完成基本信息的测量与控制，过程层设备通过嵌入式或外置的无线终端接入设备获取从泄漏同轴电缆中散发的无线信号，与之双向交换后传输至LTE系统核心网络设备，上送站控层设备进行分析决策或执行下行命令；
泄露电缆为离散型泄漏同轴电缆，由同轴电缆在电缆隧道中有信息需求的地方开槽形成。
2.根据权利要求1所述的基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，其特征在于，所述的传感器包括环境条件传感器、消防用传感器、水位传感器、有害气体传感器、出入口防盗及检测传感器中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，其特征在于，隧道全程敷设单根泄漏电缆。
4.根据权利要求1所述的基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，其特征在于，电缆隧道通信系统的工作频段223.025-235Mhz，采用TDD双工方式，射频信道带宽8.5Mhz。
5.根据权利要求1所述的基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，其特征在于，LTE系统核心网络设备部署在高压变电站通信机房或主控制室内，LTE系统核心网络设备集成有支持SGSN&MME、GGSN&S/P-GW、CG、DNS、HLR&HSS和PCRF的网络单元。
6.根据权利要求5所述的基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，其特征在于，LTE系统核心网络设备具有能直接耦合泄漏电缆的接口，还具备光纤接口，所述的光纤接口用于将信号拉远至远端射频拉远器或分布式基站RRU+BBU，通过射频拉远器或分布式基站RRU+BBU耦合到另一根泄漏同轴电缆，完成信息在泄漏电缆中的中继。

一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统。\n背景技术\n[0002] 随着城市电力负荷密度的不断提高、加之城市规划对输电线路走廊的一致性要求越来越严格。电缆隧道作为高压输电线路敷设的最高形式，因其环境友好、断面输送容量及回路数大等特点，已越来越广泛的应用于大中型城市电网建设中。\n[0003] 在已投运的高压电缆隧道工程中，至少会配置环境条件、消防、水位、有害气体检测、出入口防盗及其检测等等一系列传感器，以区域为单位配置若干综合采集装置采集这些传感器的信息，并通过若干采集装置通过有线系统传输至主控制室的系统主机，供数据处理分析后后台监控。\n[0004] 由于隧道具有长距离分布式的特点，致使传感器数量非常巨大，综合采集器也需要大量配置。根据工程实际，传感器、采集器的控制信号线缆和光缆投资甚至超过了传感器和采集器本身，建设效率低下。\n[0005] 目前的电缆隧道监控平台有如下缺陷：\n[0006] 1.传感器和采集器均将数据汇聚到主控室主机处理决策，效率低下冗余度低。\n[0007] 2.布线量大，附属设施占总投资比例高，检修维护工作量大。\n[0008] 3.功能扩展性差，如果要新增传感器或采集器，需新布线和安装通信设备，制约了系统的开放性和扩展性。\n[0009] 4.传感器和采集器由于都上传至主控室主机，缺乏传感器间信息共享，在主机或站控层通信失效后不能发挥作用，不满足电力信息冗余的要求，制约了物联网在电缆隧道中的应用。\n[0010] 因此，有必要设计一种新型的电缆隧道通信系统。\n发明内容\n[0011] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，该基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统易于实施，扩展性强，信号覆盖率高，容量大。\n[0012] 发明的技术解决方案如下：\n[0013] 一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，包括LTE系统核心网络设备、泄露电缆和多个传感器；所述的传感器用于采集隧道内的状态信息；\n[0014] LTE系统核心网络设备与泄露电缆相连；泄露电缆发出无线信号；泄露电缆上设有便于散播无线信号的开槽；传感器与泄露电缆无线通信连接。\n[0015] 所述的传感器包括环境条件传感器(如温湿度传感器)、消防用传感器(如烟感传感器，感应明火的传感器等)、水位传感器、有害气体传感器(如一氧化氮传感器等)、出入口防盗及检测传感器(人体感应传感器，如红外传感器等)中的至少一种。\n[0016] 隧道全程敷设单根泄漏电缆。\n[0017] 电缆隧道通信系统的工作频段223.025-235Mhz，采用TDD双工方式，射频信道带宽\n8.5Mhz。\n[0018] 泄露电缆还与电缆隧道监控系统的控制器无线通信连接；所述的控制器与电缆隧道监控系统的采集器相连；若采集器带有无线通信功能，则采集器与泄露电感能直接无线通信连接。\n[0019] 采集控制是电缆隧道监控系统的，采集器指采集电缆隧道运行原始数据，控制器指汇总多个采集器数据并加以控制。\n[0020] LTE系统核心网络设备部署在高压变电站通信机房或主控制室内，LTE系统核心网络设备集成有支持SGSN&MME、GGSN&S/P-GW、CG、DNS、HLR&HSS和PCRF的网络单元。\n[0021] LTE系统核心网络设备具有能直接耦合泄漏电缆的接口，还具备光纤接口，所述的光纤接口用于将信号拉远至远端射频拉远器或分布式基站RRU+BBU，通过射频拉远器或分布式基站RRU+BBU耦合到另一根泄漏同轴电缆，完成信息在泄漏电缆中的中继。即LTE系统核心网络设备可用直接与泄漏同轴电缆相连，也可以通过光纤接口与泄漏电缆相连。\n[0022] 泄露电缆为离散型泄漏同轴电缆。即沿长度方向分成多段，有开槽的段和没有开槽的段交替设置\n[0023] LTE系统核心网络设备与电缆隧道监控系统(此处指系统的主机)通信连接。\n[0024] 230M是工信部授权电力等行业专用频段，属宝贵的低频段资源，LTE标准已成熟运商用于各大运营商4G网络，随着电力系统对无线通信需求的发展，有必要将优越的LTE引入电网自动控制领域。\n[0025] LTE是英文Long Term Evolution的缩写。LTE也被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行\n100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。\n[0026] 系统总体结构图参见图1，LTE核心网设备是整个系统的枢纽，它一端通过以太网接入“电缆隧道监控系统”；另一端通过泄漏电缆完成传感器、采集器等底层设备的通信交换。\n[0027] 由于电缆隧道相对于其他工业建筑，其信息量不大且终端固定，因此选用低端紧凑型LTE系统核心网络设备，该LTE核心网设备主要负责控制面的移动性管理，包括用户上下文和移动状态管理，分配用户临时身份标识，鉴权管理等。紧凑核心网根据电力系统特点部署在高压变电站通信机房或主控制室内，核心网设备机柜应集成支持SGSN&MME、GGSN&S/P-GW、CG、DNS、HLR&HSS和PCRF等多个网元，以提高核心网设备的集成度，减少机房占地，降低设备成本。\n[0028] 核心网设备自带多种接口模式，可以直接耦合至本发明所述的泄漏同轴电缆，也具备光纤接口拉远至远端分布式基站RRU+BBU，通过RRU+BBU耦合到所述的泄漏同轴电缆，完成信息在泄漏电缆中的传输。\n[0029] 泄漏电缆通过其槽孔向外界辐射电磁波从而交换信息，布置于电缆隧道顶层电缆支架外沿，完成信号的传输和无线发射，隧道全程敷设单根泄漏电缆。，实现隧道无线通信全覆盖。隧道内所有IED设备(智能电子设备)如传感器、控制器和采集器均可以通过泄漏电缆散播的无线信号通过核心网设备接入“电缆隧道监控系统”。\n[0030] “电缆隧道监控系统”是指这样一套计算机监控系统，通常分为站控层设备和过程层设备。其中站控层设备含各种处理服务器、通信接口服务器，通过与前述核心网设备双向交换信息实现与过程层设备联网通讯，最终将电缆隧道中所有传感器、控制器等智能设备的信息集中采集并集中决策的系统；过程层设备常见配置通常包含：视频监控、火灾报警、排水暖通、气体环境、安防等，它们完成基本信息的测量与控制，例如获取视频信息或启动排风系统等，过程层设备通过嵌入式或外置的CPE(无线终端接入设备)获取从泄漏同轴电缆中散发的无线信号，与之双向交换后传输至前述的核心网设备，上送站控层分析决策或执行下行命令。\n[0031] 泄漏电缆的选型\n[0032] 本发明充分考虑到电缆隧道监控对象的离散性，特选用插入损耗极低的分布式泄漏同轴电缆，即泄漏同轴电缆由同轴电缆在电缆隧道中有信息需求的地方开槽，形成对应于监控对象的离散型泄漏同轴电缆，在电缆隧道中理论损耗约为0.25dB，其结构如图2所示。\n[0033] 本发明采用针对专用频段设计的泄漏同轴电缆，在lte230M的频带环境下，通常固定频率泄漏电缆的损耗综合考虑介质衰减+辐射衰减+导体自身衰减，漏泄同轴电缆的衰减常数α可取为2.2dBkm，系统损耗为αmax.＝αs+M＝α×L+Lc+M则L＝(αmax.-Lc-M)÷α，以\n230Mhz为例，在考虑余量M＝45dB、耦合损耗Lc＝75，设计最大系统损耗αmax.＝135dB的时候，得出L＝(135dB-75dB-45dB)÷2.2dB/KM＝6.82km；\n[0034] 通过以上理论分析，单体系统的理论有效覆盖距离约为6.82km，考虑到隧道封闭穹顶结构本身对泄漏电缆耦合性能有助增作用，实际传输距离理论值可达7km左右，能满足绝大多数城市电缆隧道的要求。\n[0035] 相关技术指标\n[0036] 本发明工作频段223.025-235Mhz，采用TDD双工方式，射频信道带宽8.5Mhz，可支持最大2000个信息点的在线用户数，用户是指前述的控制器、传感器等需要无线通信的终端设备，设计灵敏度-120dB，终端CPE侧峰值传输速率1.85Mbps。可满足电缆隧道监控系统中所有过程层设备对传输带宽、质量的和灵敏度的要求。\n[0037] 对于距离较长的电缆隧道，由于一段泄露电缆的传输距离有限，需要采用一个或多个射频拉远器进行中继，参见图3，射频拉远器布置在核心设备(如合路器等)有线传输距离内，射频拉远器也可以通过光纤与核心设备相连，射频拉远器的电源取自隧道内照明电源，完成信号在泄漏电缆中的中继。\n[0038] 有益效果：\n[0039] 本发明的基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统是一个通信系统平台，具有以下优点：\n[0040] (1)支持电缆隧道采集层实现信息上传和信息交换共享，支持物联网在电缆隧道中的应用。\n[0041] (2)本系统以低成本解决电缆隧道监控系统所需的无线通信覆盖。\n[0042] (3)采用230M频段的LTE核心网设备，专门用于电力系统的电缆隧道无线通信。\n[0043] LTE230基于工信部批准给电力等系统的230M专用频段，低频传输距离长、安全且不会对其他无线系统造成频段电磁干扰。\n[0044] (4)在选用230Mhz定频泄漏同轴电缆的情况下，采用本发明约定的离散开槽做法，可以使得泄漏同轴电缆传输距离可达7km，这样的覆盖半径非常适合用作电缆隧道监控系统的通信平台，充分利用了电力行业特有的230M专用低频资源。\n[0045] (5)、系统可扩展性强、容量大，满足大型隧道多种辅助监控系统对通信实时性、安全性和可靠性的要求。\n[0046] 本发明的系统可进一步推广至城市综合管廊中。地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。\n附图说明\n[0047] 图1为基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统的总体结构示意图；\n[0048] 图2为泄漏电缆的结构示意图。\n[0049] 图3为具备射频拉远模块的电缆隧道通信系统的总体结构示意图。\n具体实施方式\n[0050] 以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：\n[0051] 实施例1：\n[0052] 如图1-3，一种基于LTE无线宽带的电缆隧道通信系统，包括LTE系统核心网络设备、泄露电缆和多个传感器；所述的传感器用于采集隧道内的状态信息；\n[0053] LTE系统核心网络设备与泄露电缆相连；泄露电缆发出无线信号；泄露电缆上设有便于散播无线信号的开槽；传感器与泄露电缆无线通信连接。\n[0054] 所述的传感器包括环境条件传感器(如温湿度传感器)、消防用传感器(如烟感传感器，感应明火的传感器等)、水位传感器、有害气体传感器(如一氧化氮传感器等)、出入口防盗及检测传感器(人体感应传感器，如红外传感器等)。\n[0055] 隧道全程敷设单根泄漏电缆。\n[0056] 电缆隧道通信系统的工作频段223.025-235Mhz，采用TDD双工方式，射频信道带宽\n8.5Mhz。\n[0057] 泄露电缆还与电缆隧道监控系统的控制器无线通信连接；所述的控制器与电缆隧道监控系统的采集器相连；若采集器带有无线通信功能，则采集器与泄露电感能直接无线通信连接。\n[0058] 采集控制是电缆隧道监控系统的，采集器指采集电缆隧道运行原始数据，控制器指汇总多个采集器数据并加以控制。\n[0059] LTE系统核心网络设备部署在高压变电站通信机房或主控制室内，LTE系统核心网络设备集成有支持SGSN&MME、GGSN&S/P-GW、CG、DNS、HLR&HSS和PCRF的网络单元。\n[0060] LTE系统核心网络设备具有能直接耦合泄漏电缆的接口，还具备光纤接口，所述的光纤接口用于将信号拉远至远端射频拉远器或分布式基站RRU+BBU，通过射频拉远器或分布式基站RRU+BBU耦合到另一根泄漏同轴电缆，完成信息在泄漏电缆中的中继。即LTE系统核心网络设备可用直接与泄漏同轴电缆相连，也可以通过光纤接口与泄漏电缆相连。\n[0061] 泄露电缆为离散型泄漏同轴电缆。即沿长度方向分成多段，有开槽的段和没有开槽的段交替设置；LTE系统核心网络设备与电缆隧道监控系统通信连接。