3G和4G無線通信技術(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)通信等多種類型的應(yīng)用服務(wù)，這種新型網(wǎng)絡(luò)模式稱為信息通信技術(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)帶來建設(shè)、應(yīng)用、運(yùn)行、維護(hù)全過程的創(chuàng)新。

　　進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代以來， 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)的無線接入帶來新的選擇。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 無線通信技術(shù)在新一代ICT 網(wǎng)絡(luò)模式中的應(yīng)用， 將無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，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)外專家認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)4G 移動(dòng)通信，在無線接入網(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)能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的領(lǐng)域。

　　2. 3G 和4G 無線通信技術(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 寬帶無線技術(shù)進(jìn)行通信，與指揮中心通過衛(wèi)星、光纖或微波鏈路建立連接。

　　單兵視頻采集終端通過無線方式將現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)急通信指揮車，PDA、智能手機(jī)、手提電腦等終端通過無線接入到應(yīng)急通信指揮車進(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，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)帶來的好處是降低了呼叫建立時(shí)延及用戶數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延。無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 以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延在10 ms 以內(nèi)，完全能夠滿足配電自動(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，且無線視頻接入的終端一般是便攜的，功率受限，無法進(jìn)行復(fù)雜的壓縮變換算法，這些都給無線視頻接入帶來了挑戰(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)傳輸速率分別見表1 和表2 所列。

表1 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率