3G和4G無(wú)線通信技術(shù)在電力ICT網(wǎng)絡(luò)模式中的應(yīng)用

引言

　　當(dāng)前，信息與通信、自動(dòng)化、生產(chǎn)、管理等應(yīng)用日益走向融合，信息網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)融合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息傳輸、音視頻會(huì)議、電話、傳真、即時(shí)通信等多種類(lèi)型的應(yīng)用服務(wù)，這種新型網(wǎng)絡(luò)模式稱(chēng)為信息通信技術(shù)（ICT，Information Communication Technology）網(wǎng)絡(luò)模式。

　　ICT 網(wǎng)絡(luò)模式不僅是業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的融合，還帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的融合，給各行業(yè)的通信與信息網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)建設(shè)、應(yīng)用、運(yùn)行、維護(hù)全過(guò)程的創(chuàng)新。

　　進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代以來(lái)， 移動(dòng)通信系統(tǒng)飛速發(fā)展，從傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)逐漸向互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展，為新一代電力ICT網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入帶來(lái)新的選擇。隨著3G 在全世界范圍的大規(guī)模商用，其已成為目前通信領(lǐng)域討論的熱點(diǎn)，傳輸速率在支持靜止?fàn)顟B(tài)下為2 Mbit/s，步行慢速移動(dòng)環(huán)境中為384 kbit/s，高速移動(dòng)下為144 kbit/s，定位于多媒體IP 業(yè)務(wù)。4G 將移動(dòng)通信推向更大的帶寬，物理層采用OFDM-MIMO 技術(shù)，極大地提高了頻譜效率，使數(shù)據(jù)通信速率有了質(zhì)的提高。

　　核心網(wǎng)演進(jìn)為全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)，使用IPv6 提供了海量的IP 地址，同時(shí)提供了4 種QoS 水平，滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的服務(wù)需求，系統(tǒng)容量更大，功能更強(qiáng)。4G 的最大特點(diǎn)是能夠在任何地方提供互聯(lián)網(wǎng)的寬帶接入， 同時(shí)提供信息通信之外的定時(shí)定位、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。

　　因此，研究3G 和4G 無(wú)線通信技術(shù)在新一代ICT 網(wǎng)絡(luò)模式中的應(yīng)用， 將無(wú)線通信接入和電力通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃， 充分考慮電力業(yè)務(wù)和信息化發(fā)展的需求，使無(wú)線通信技術(shù)更好地服務(wù)于電力系統(tǒng)，具有重要意義。

　　1. 3G 和4G 技術(shù)研究與應(yīng)用的進(jìn)展

　　4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)是目前移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，雖然3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)比以往的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有巨大的進(jìn)步，但是離目前用戶(hù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的期望仍有差距。所以，世界各地都展開(kāi)了4G的研究和討論。在中國(guó)，China 4G WORLD 于2009 年5 月13-14日在北京召開(kāi)，會(huì)議內(nèi)容包括LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)），VoLTE和Mobile Backhaul，研討中LTE備受關(guān)注。LTE是未來(lái)主流的移動(dòng)通信技術(shù)，LTE R8 標(biāo)準(zhǔn)已于2009 年3 月完全凍結(jié)，意味著LTE 正式進(jìn)入商用化研發(fā)的倒計(jì)時(shí)，完全能夠滿(mǎn)足2010年商用的需要?；贚TE -Advanced 的研究已經(jīng)在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）進(jìn)行，3GPP 已經(jīng)向ITU 提交了基于LTE 演進(jìn)的4G 候選技術(shù)的初稿，2011 年初將會(huì)提交完整版本和自評(píng)估報(bào)告。

　　4G 通信技術(shù)與3G 及現(xiàn)有通信技術(shù)相比，具有通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、智能性更高、終端兼容性更好等優(yōu)點(diǎn)。部分國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)4G 移動(dòng)通信，在無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)和終端技術(shù)方面都需要進(jìn)行深刻的變革。

　　目前關(guān)于4G 的研究很多，如多址方案、調(diào)制與編碼、智能天線技術(shù)等，但基于電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究相對(duì)比較薄弱， 而4G 技術(shù)在電力信息系統(tǒng)中的理論及應(yīng)用研究正是一個(gè)能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的領(lǐng)域。

　　2. 3G 和4G 無(wú)線通信技術(shù)在電力ICT 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

　　2.1 應(yīng)急通信

　　在發(fā)生災(zāi)難、事故等緊急情況下，需要啟動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)建立事故現(xiàn)場(chǎng)的通信。應(yīng)急通信系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 應(yīng)急通信系統(tǒng)

應(yīng)急通信指揮車(chē)是現(xiàn)場(chǎng)通信的核心，與PDA、手提電腦、單兵視頻采集等終端采用4G 寬帶無(wú)線技術(shù)進(jìn)行通信，與指揮中心通過(guò)衛(wèi)星、光纖或微波鏈路建立連接。

　　單兵視頻采集終端通過(guò)無(wú)線方式將現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)急通信指揮車(chē)，PDA、智能手機(jī)、手提電腦等終端通過(guò)無(wú)線接入到應(yīng)急通信指揮車(chē)進(jìn)行通信，這都需要大量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用OFDM作為無(wú)線通信技術(shù)，同時(shí)結(jié)合MIMO，在發(fā)端和收端配備多個(gè)天線，利用空間分集和復(fù)用，提高信道容量。由于子載波間相互正交，接收端可采用相關(guān)技術(shù)將子信道的信息分開(kāi)，子信道之間的相互干擾很小。OFDM 的抗頻率選擇性衰落和抗多徑效應(yīng)等性能優(yōu)異， 能在惡劣的地理環(huán)境中提供高質(zhì)量的通信。被視為準(zhǔn)4G 技術(shù)的LTE，其系統(tǒng)傳輸帶寬可在1.5~20 MHz 范圍內(nèi)靈活配置，峰值傳輸速率上行可達(dá)50 Mbit/s，下行達(dá)到100 Mbit/s；LTE-Advanced 系統(tǒng)帶寬設(shè)計(jì)為100 MHz， 考慮的峰值速率上行達(dá)500 Mbit/s，下行達(dá)1 Gbit/s.利用這樣的數(shù)據(jù)速率，單兵視頻采集終端能夠向應(yīng)急通信指揮車(chē)回傳清晰的現(xiàn)場(chǎng)視頻和圖像數(shù)據(jù)，PDA、寬帶手機(jī)等終端也能夠進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)上傳/下載和通信。

　　2.2 配電自動(dòng)化

　　3G 和4G 應(yīng)用于配電網(wǎng)具有許多優(yōu)勢(shì)，其覆蓋面廣，適合分布廣泛的配電網(wǎng)終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接入需求。3G 和4G 都是雙向通信系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的雙向傳輸。3G在低速環(huán)境下的通信速率在2 Mbit/s以上，4G 的通信速率與3G 相比，達(dá)到上行50 Mbit/s、下行100 Mbit/s以上。這樣高的數(shù)據(jù)傳輸速率，完全能夠滿(mǎn)足配電網(wǎng)自動(dòng)化的信息傳輸要求。以4G為例， 移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用于配電自動(dòng)化系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，如圖2 所示。

圖2 4G應(yīng)用于配電自動(dòng)化系統(tǒng)

4G 采用更趨于扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，取消了3G 中的RNC 節(jié)點(diǎn)， 僅由eNB組成。這種扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來(lái)的好處是降低了呼叫建立時(shí)延及用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延。無(wú)線接入終端從駐留狀態(tài)轉(zhuǎn)換到激活狀態(tài)的時(shí)延在100 ms 以?xún)?nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延在10 ms 以?xún)?nèi)，完全能夠滿(mǎn)足配電自動(dòng)化要求的響應(yīng)時(shí)間和數(shù)據(jù)傳送時(shí)間。

　　在保證傳輸數(shù)據(jù)可靠性方面，3G 和4G 均使用了HARQ （Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動(dòng)重傳）進(jìn)行鏈路差錯(cuò)控制。HARQ 同時(shí)使用FEC （Forward Error Correction，前向糾錯(cuò)）和ARQ（Automatic Repeat Request，自動(dòng)重傳）技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)吞吐量和可靠性。同時(shí)，3G 和4G 系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)均有認(rèn)證機(jī)制，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)均進(jìn)行加密處理，以保證服務(wù)于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。

　　2.3 無(wú)線視頻接入

　　視頻信息具有數(shù)據(jù)量大、對(duì)錯(cuò)誤敏感、壓縮算法復(fù)雜等特點(diǎn)。無(wú)線信道帶寬有限，由于干擾、多徑效應(yīng)等原因造成誤碼率高，且無(wú)線視頻接入的終端一般是便攜的，功率受限，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的壓縮變換算法，這些都給無(wú)線視頻接入帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

　　視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率以及2G 和3G 數(shù)據(jù)傳輸速率分別見(jiàn)表1 和表2 所列。

表1 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率

表2 2G 和3G 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率

　　比較表1 和表2 的數(shù)據(jù)可知，2G 的數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)法滿(mǎn)足傳輸較為清晰、連續(xù)的視頻流的要求，3G 相對(duì)于2G 在數(shù)據(jù)速率上有了很大提高，視頻電話、在線電視等多媒體服務(wù)已成功用于3G。但是傳輸更為清晰流暢、質(zhì)量更高的視頻，同時(shí)在高速移動(dòng)環(huán)境下仍能保持高數(shù)據(jù)速率的通信，均對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的要求。

　　LTE 項(xiàng)目是3G 的演進(jìn)，始于2004 年3GPP的多倫多會(huì)議。LTE 并非4G 技術(shù)，而是3G 與4G技術(shù)之間的一個(gè)過(guò)渡，是3.9G的全球標(biāo)準(zhǔn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G 的空中接入技術(shù)，采用OFDM 和MIMO 作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

　　LTE 的峰值數(shù)據(jù)速率為上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s.被業(yè)界普遍認(rèn)為是4G 標(biāo)準(zhǔn)的LTEAdvanced，考慮的峰值速率上行達(dá)到500 Mbit/s，下行1 Gbit/s。如此高的傳輸速率，能夠傳送圖像質(zhì)量更好的視頻流，提供更為豐富的多媒體服務(wù)。

　　同時(shí)，在保證數(shù)據(jù)可靠性、降低誤碼率方面，4G 系統(tǒng)不僅采用信道編碼、交織等技術(shù)，還采用HARQ進(jìn)行鏈路差錯(cuò)控制。

　　HARQ 將FEC 和ARQ 兩種差錯(cuò)控制技術(shù)相結(jié)合， 綜合了FEC 方式的高通過(guò)率和ARQ 方式的高可靠性。HARQ 通信系統(tǒng)是在一個(gè)ARQ系統(tǒng)中包含一個(gè)FEC子系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 HARQ系統(tǒng)原理

　　常FEC 部分用來(lái)糾正信道中經(jīng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以減少重傳次數(shù)進(jìn)而提高系統(tǒng)通過(guò)率；ARQ 部分的作用是糾正那些不常出現(xiàn)的、FEC不能糾正的錯(cuò)誤，即當(dāng)校驗(yàn)結(jié)果正確時(shí)，往發(fā)送端反饋ACK信號(hào)，當(dāng)校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，則往發(fā)送端反饋NACK 包。

　　2.4 智能電網(wǎng)

　　智能電網(wǎng)起源于1998-2002 年美國(guó)電科院推動(dòng)的"復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)"，該系統(tǒng)試圖為電網(wǎng)開(kāi)發(fā)一個(gè)中央神經(jīng)系統(tǒng)，以提高調(diào)度員對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的判斷能力。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，智能電網(wǎng)已經(jīng)得到世界各國(guó)的認(rèn)可。尤其是近年，智能電網(wǎng)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段，2009 年5 月19日，美國(guó)能源部公布了第一批智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；《IEEE 2030指南：能源技術(shù)及信息技術(shù)與電力系統(tǒng)（EPS）、最終應(yīng)用及負(fù)載的智能電網(wǎng)互操作》（P2030）也將于近期討論和公布，芯片廠商英特爾將主持2009 年6月3-5日在加州圣克拉拉舉行的首次會(huì)議，討論這份智能電網(wǎng)指南，內(nèi)容包括智能網(wǎng)格的定義、拓?fù)?、互操作性、最終應(yīng)用、接口和集成等。在中國(guó)，智能電網(wǎng)技術(shù)也受到了政府和企業(yè)的高度重視，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在積極地開(kāi)展智能電網(wǎng)的研究和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作。

　智能電網(wǎng)目前并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義，但是大家普遍認(rèn)為它不是局部的解決方案，而是著眼于未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展前景。它將實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸電、配電、儲(chǔ)能和用電完全自動(dòng)的配置和管理，使電網(wǎng)變成一個(gè)高速、雙向、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、交互的網(wǎng)絡(luò)。

　　為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)全自動(dòng)化，需要采用先進(jìn)的通信技術(shù)以保證信息高效傳輸。在電力系統(tǒng)應(yīng)用的通信傳輸通道種類(lèi)繁多，有銅芯線、電力線載波、微波中繼、光纖通信等。通過(guò)應(yīng)用這些載體，以及引入新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，智能電網(wǎng)可以在更廣的范圍實(shí)現(xiàn)更多的信息和應(yīng)用的連接和集成，使數(shù)據(jù)在整個(gè)電力系統(tǒng)的不同主體及不同的應(yīng)用系統(tǒng)間進(jìn)行傳輸，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求。

　　4G WiMAX、3G 無(wú)線語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信都可用于智能電網(wǎng)，它們的特點(diǎn)是：均為雙向通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)智能電表的數(shù)據(jù)采集和控制；部署較靈活、方便，通過(guò)用戶(hù)附近的基站就可實(shí)現(xiàn)智能電表的無(wú)線接入；具有較好的傳輸帶寬，可以實(shí)現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸；無(wú)線覆蓋面廣，可以應(yīng)用于不具備有線通信條件或有線通信無(wú)法滿(mǎn)足需求的情況，成為智能電網(wǎng)中有線通信技術(shù)的有益補(bǔ)充。目前，國(guó)外公司已經(jīng)展開(kāi)這方面的應(yīng)用，美國(guó)通用電氣公司已經(jīng)制造了采用WiMAX技術(shù)的智能電表，使用的是英特爾的WiMAX 芯片。

　　3. 基于3G 和4G 技術(shù)的電力ICT網(wǎng)絡(luò)中的安全

　　與有線通信方式相比， 無(wú)線通信的信息安全問(wèn)題更為突出：信道開(kāi)放，無(wú)法阻止攻擊者竊聽(tīng)，惡意修改并轉(zhuǎn)發(fā)；無(wú)線傳播會(huì)因多種原因造成信號(hào)衰減，導(dǎo)致信息丟失；需要經(jīng)常移動(dòng)設(shè)備，設(shè)備容易丟失或失竊； 用戶(hù)不必與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)際性的連接，使得攻擊者偽裝成合法用戶(hù)更為容易。

　　4G 網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于2G 和3G 網(wǎng)絡(luò)在信息安全方面有了很多改進(jìn)，設(shè)有二層保護(hù)：第一層為接入網(wǎng)（E -UTRAN）， 由eNB 和UE 提供RRC（RadioResource Control，無(wú)線資源控制）信令完整性保護(hù)和機(jī)密性保護(hù)；第二層為核心網(wǎng)（EPC），由MME和UE 執(zhí)行NAS信令的加密和完整性保護(hù)。無(wú)線鏈路和核心網(wǎng)有各自的密鑰，以下安全措施能夠保證接入到電力ICT 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全性。

　　1）擁有網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)間的雙向認(rèn)證，使攻擊者無(wú)法偽裝成合法用戶(hù)使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或竊取合法用戶(hù)信息， 非法基站無(wú)法偽裝成接入點(diǎn)騙取用戶(hù)的接入，從而獲得用戶(hù)上傳的信息。

　　2）使用安全算法對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和完整性保護(hù)。

　　3）eNB 和核心網(wǎng)之間有安全聯(lián)盟，相鄰的eNB 之間也有安全聯(lián)盟。

　　4）4G 核心網(wǎng)與電力ICT 網(wǎng)絡(luò)間設(shè)置防火墻，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的隔離，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)間傳輸信息的安全性。

　　4. 結(jié)束語(yǔ)

　　移動(dòng)通信從3G 發(fā)展到4G，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，提供的業(yè)務(wù)向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)電視、視頻通話等多媒體IP 方向發(fā)展，業(yè)務(wù)種類(lèi)更多，服務(wù)質(zhì)量更高。未來(lái)的電力ICT 網(wǎng)絡(luò)，將是一個(gè)高帶寬、IP 化、多級(jí)QoS保障、提供多種業(yè)務(wù)的信息通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可以作為其有線網(wǎng)絡(luò)的延伸，提供更豐富、靈活和方便的接入方式，從多方面滿(mǎn)足電力ICT 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信的需求。