3G和4G无线通信技术在电力ICT网络模式中的应用

引言

　　当前，信息与通信、自动化、生产、管理等应用日益走向融合，信息网络与通信网络融合在一个网络平台上，实现了数据信息传输、音视频会议、电话、传真、即时通信等多种类型的应用服务，这种新型网络模式称为信息通信技术（ICT，Information Communication Technology）网络模式。

　　ICT 网络模式不仅是业务网络的融合，还带来了产业网络的融合，给各行业的通信与信息网络带来建设、应用、运行、维护全过程的创新。

　　进入20 世纪90 年代以来， 移动通信系统飞速发展，从传统的通信业务逐渐向互联网、多媒体等宽带业务发展，为新一代电力ICT网络的无线接入带来新的选择。随着3G 在全世界范围的大规模商用，其已成为目前通信领域讨论的热点，传输速率在支持静止状态下为2 Mbit/s，步行慢速移动环境中为384 kbit/s，高速移动下为144 kbit/s，定位于多媒体IP 业务。4G 将移动通信推向更大的带宽，物理层采用OFDM-MIMO 技术，极大地提高了频谱效率，使数据通信速率有了质的提高。

　　核心网演进为全IP 网络，使用IPv6 提供了海量的IP 地址，同时提供了4 种QoS 水平，满足不同业务的服务需求，系统容量更大，功能更强。4G 的最大特点是能够在任何地方提供互联网的宽带接入， 同时提供信息通信之外的定时定位、数据采集、远程控制等综合功能。

　　因此，研究3G 和4G 无线通信技术在新一代ICT 网络模式中的应用， 将无线通信接入和电力通信网络进行统一规划， 充分考虑电力业务和信息化发展的需求，使无线通信技术更好地服务于电力系统，具有重要意义。

　　1. 3G 和4G 技术研究与应用的进展

　　4G 移动通信系统是目前移动通信领域的研究热点，虽然3G 移动通信系统比以往的移动网络有巨大的进步，但是离目前用户对移动通信系统的期望仍有差距。所以，世界各地都展开了4G的研究和讨论。在中国，China 4G WORLD 于2009 年5 月13-14日在北京召开，会议内容包括LTE（Long Term Evolution，长期演进），VoLTE和Mobile Backhaul，研讨中LTE备受关注。LTE是未来主流的移动通信技术，LTE R8 标准已于2009 年3 月完全冻结，意味着LTE 正式进入商用化研发的倒计时，完全能够满足2010年商用的需要。基于LTE -Advanced 的研究已经在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）进行，3GPP 已经向ITU 提交了基于LTE 演进的4G 候选技术的初稿，2011 年初将会提交完整版本和自评估报告。

　　4G 通信技术与3G 及现有通信技术相比，具有通信速度更快、网络频谱更宽、智能性更高、终端兼容性更好等优点。部分国内外专家认为，为了实现4G 移动通信，在无线接入网络、核心网和终端技术方面都需要进行深刻的变革。

　　目前关于4G 的研究很多，如多址方案、调制与编码、智能天线技术等，但基于电力系统的应用研究相对比较薄弱， 而4G 技术在电力信息系统中的理论及应用研究正是一个能带来可观的经济效益和社会效益的领域。

　　2. 3G 和4G 无线通信技术在电力ICT 网络中的应用

　　2.1 应急通信

　　在发生灾难、事故等紧急情况下，需要启动应急通信系统建立事故现场的通信。应急通信系统的架构如图1 所示。

图1 应急通信系统

应急通信指挥车是现场通信的核心，与PDA、手提电脑、单兵视频采集等终端采用4G 宽带无线技术进行通信，与指挥中心通过卫星、光纤或微波链路建立连接。

　　单兵视频采集终端通过无线方式将现场视频数据传送到应急通信指挥车，PDA、智能手机、手提电脑等终端通过无线接入到应急通信指挥车进行通信，这都需要大量的数据传输。系统采用OFDM作为无线通信技术，同时结合MIMO，在发端和收端配备多个天线，利用空间分集和复用，提高信道容量。由于子载波间相互正交，接收端可采用相关技术将子信道的信息分开，子信道之间的相互干扰很小。OFDM 的抗频率选择性衰落和抗多径效应等性能优异， 能在恶劣的地理环境中提供高质量的通信。被视为准4G 技术的LTE，其系统传输带宽可在1.5~20 MHz 范围内灵活配置，峰值传输速率上行可达50 Mbit/s，下行达到100 Mbit/s；LTE-Advanced 系统带宽设计为100 MHz， 考虑的峰值速率上行达500 Mbit/s，下行达1 Gbit/s.利用这样的数据速率，单兵视频采集终端能够向应急通信指挥车回传清晰的现场视频和图像数据，PDA、宽带手机等终端也能够进行高速的数据上传/下载和通信。

　　2.2 配电自动化

　　3G 和4G 应用于配电网具有许多优势，其覆盖面广，适合分布广泛的配电网终端监测点的接入需求。3G 和4G 都是双向通信系统，支持数据的双向传输。3G在低速环境下的通信速率在2 Mbit/s以上，4G 的通信速率与3G 相比，达到上行50 Mbit/s、下行100 Mbit/s以上。这样高的数据传输速率，完全能够满足配电网自动化的信息传输要求。以4G为例， 移动通信系统应用于配电自动化系统的组网方式，如图2 所示。

图2 4G应用于配电自动化系统

4G 采用更趋于扁平化的网络架构，取消了3G 中的RNC 节点， 仅由eNB组成。这种扁平化的网络架构带来的好处是降低了呼叫建立时延及用户数据的传输时延。无线接入终端从驻留状态转换到激活状态的时延在100 ms 以内，数据传输时延在10 ms 以内，完全能够满足配电自动化要求的响应时间和数据传送时间。

　　在保证传输数据可靠性方面，3G 和4G 均使用了HARQ （Hybrid Automatic Repeat Request，混合自动重传）进行链路差错控制。HARQ 同时使用FEC （Forward Error Correction，前向纠错）和ARQ（Automatic Repeat Request，自动重传）技术，保证了数据吞吐量和可靠性。同时，3G 和4G 系统对用户均有认证机制，对传输数据均进行加密处理，以保证服务于配网自动化系统的可靠性。

　　2.3 无线视频接入

　　视频信息具有数据量大、对错误敏感、压缩算法复杂等特点。无线信道带宽有限，由于干扰、多径效应等原因造成误码率高，且无线视频接入的终端一般是便携的，功率受限，无法进行复杂的压缩变换算法，这些都给无线视频接入带来了挑战。

　　视频压缩标准的数据速率以及2G 和3G 数据传输速率分别见表1 和表2 所列。

表1 视频压缩标准的数据速率

表2 2G 和3G 系统数据传输速率

　　比较表1 和表2 的数据可知，2G 的数据传输速率无法满足传输较为清晰、连续的视频流的要求，3G 相对于2G 在数据速率上有了很大提高，视频电话、在线电视等多媒体服务已成功用于3G。但是传输更为清晰流畅、质量更高的视频，同时在高速移动环境下仍能保持高数据速率的通信，均对移动通信系统提出更高的要求。

　　LTE 项目是3G 的演进，始于2004 年3GPP的多伦多会议。LTE 并非4G 技术，而是3G 与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准，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。

　　LTE 的峰值数据速率为上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s.被业界普遍认为是4G 标准的LTEAdvanced，考虑的峰值速率上行达到500 Mbit/s，下行1 Gbit/s。如此高的传输速率，能够传送图像质量更好的视频流，提供更为丰富的多媒体服务。

　　同时，在保证数据可靠性、降低误码率方面，4G 系统不仅采用信道编码、交织等技术，还采用HARQ进行链路差错控制。

　　HARQ 将FEC 和ARQ 两种差错控制技术相结合， 综合了FEC 方式的高通过率和ARQ 方式的高可靠性。HARQ 通信系统是在一个ARQ系统中包含一个FEC子系统，如图3 所示。

图3 HARQ系统原理

　　常FEC 部分用来纠正信道中经出现的错误，以减少重传次数进而提高系统通过率；ARQ 部分的作用是纠正那些不常出现的、FEC不能纠正的错误，即当校验结果正确时，往发送端反馈ACK信号，当校验错误时，则往发送端反馈NACK 包。

　　2.4 智能电网

　　智能电网起源于1998-2002 年美国电科院推动的"复杂交互式网络/系统"，该系统试图为电网开发一个中央神经系统，以提高调度员对网络故障的判断能力。经过几年的发展，智能电网已经得到世界各国的认可。尤其是近年，智能电网进入一个快速发展阶段，2009 年5 月19日，美国能源部公布了第一批智能电网标准；《IEEE 2030指南：能源技术及信息技术与电力系统（EPS）、最终应用及负载的智能电网互操作》（P2030）也将于近期讨论和公布，芯片厂商英特尔将主持2009 年6月3-5日在加州圣克拉拉举行的首次会议，讨论这份智能电网指南，内容包括智能网格的定义、拓扑、互操作性、最终应用、接口和集成等。在中国，智能电网技术也受到了政府和企业的高度重视，国内许多研究机构和企业都在积极地开展智能电网的研究和网络建设工作。

　智能电网目前并没有一个公认的定义，但是大家普遍认为它不是局部的解决方案，而是着眼于未来电网的发展前景。它将实现发电、输电、配电、储能和用电完全自动的配置和管理，使电网变成一个高速、双向、实时、动态、交互的网络。

　　为了实现智能电网全自动化，需要采用先进的通信技术以保证信息高效传输。在电力系统应用的通信传输通道种类繁多，有铜芯线、电力线载波、微波中继、光纤通信等。通过应用这些载体，以及引入新的网络通信技术，智能电网可以在更广的范围实现更多的信息和应用的连接和集成，使数据在整个电力系统的不同主体及不同的应用系统间进行传输，满足智能电网对通信系统的要求。

　　4G WiMAX、3G 无线语音和数据通信都可用于智能电网，它们的特点是：均为双向通信系统，可实现智能电表的数据采集和控制；部署较灵活、方便，通过用户附近的基站就可实现智能电表的无线接入；具有较好的传输带宽，可以实现较高速率的数据传输；无线覆盖面广，可以应用于不具备有线通信条件或有线通信无法满足需求的情况，成为智能电网中有线通信技术的有益补充。目前，国外公司已经展开这方面的应用，美国通用电气公司已经制造了采用WiMAX技术的智能电表，使用的是英特尔的WiMAX 芯片。

　　3. 基于3G 和4G 技术的电力ICT网络中的安全

　　与有线通信方式相比， 无线通信的信息安全问题更为突出：信道开放，无法阻止攻击者窃听，恶意修改并转发；无线传播会因多种原因造成信号衰减，导致信息丢失；需要经常移动设备，设备容易丢失或失窃； 用户不必与网络进行实际性的连接，使得攻击者伪装成合法用户更为容易。

　　4G 网络相对于2G 和3G 网络在信息安全方面有了很多改进，设有二层保护：第一层为接入网（E -UTRAN）， 由eNB 和UE 提供RRC（RadioResource Control，无线资源控制）信令完整性保护和机密性保护；第二层为核心网（EPC），由MME和UE 执行NAS信令的加密和完整性保护。无线链路和核心网有各自的密钥，以下安全措施能够保证接入到电力ICT 网络中数据的安全性。

　　1）拥有网络和用户间的双向认证，使攻击者无法伪装成合法用户使用网络服务或窃取合法用户信息， 非法基站无法伪装成接入点骗取用户的接入，从而获得用户上传的信息。

　　2）使用安全算法对用户数据和信令数据进行加密和完整性保护。

　　3）eNB 和核心网之间有安全联盟，相邻的eNB 之间也有安全联盟。

　　4）4G 核心网与电力ICT 网络间设置防火墙，实现2 个网络间的隔离，同时保证网络间传输信息的安全性。

　　4. 结束语

　　移动通信从3G 发展到4G，数据传输速率不断提高，提供的业务向移动互联网、手机电视、视频通话等多媒体IP 方向发展，业务种类更多，服务质量更高。未来的电力ICT 网络，将是一个高带宽、IP 化、多级QoS保障、提供多种业务的信息通信网络平台。无线通信网络可以作为其有线网络的延伸，提供更丰富、灵活和方便的接入方式，从多方面满足电力ICT 网络无线通信的需求。