3G和4G無線通信技術(shù)在ICT網(wǎng)絡(luò)模式中的應(yīng)用

0 引言

當前，信息與通信、自動化、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)融合在一個網(wǎng)絡(luò)平臺上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息傳輸、音視頻會議、電話、傳真、即時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、運行、維護全過程的創(chuàng)新。

進入20 世紀90 年代以來， 移動通信系統(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，傳輸速率在支持靜止狀態(tài)下為2 Mbit/s,步行慢速移動環(huán)境中為384 kbit/s, 高速移動下為144 kbit/s,定位于多媒體IP 業(yè)務(wù)。4G 將移動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)演進為全IP 網(wǎng)絡(luò)， 使用IPv6 提供了海量的IP 地址，同時提供了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。4G 的最大特點是能夠在任何地方提供互聯(lián)網(wǎng)的寬帶接入， 同時提供信息通信之外的定時定位、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。

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)用的進展

4G 移動通信系統(tǒng)是目前移動通信領(lǐng)域的研究熱點， 雖然3G 移動通信系統(tǒng)比以往的移動網(wǎng)絡(luò)有巨大的進步， 但是離目前用戶對移動通信系統(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，China 4G WORLD 于2009 年5 月13-14 日在北京召開， 會議內(nèi)容包括LTE(Long Term Evolution, 長期演進)，VoLTE和Mobile Backhaul, 研討中LTE 備受關(guān)注。LTE是未來主流的移動通信技術(shù)，LTE R8 標準已于2009 年3 月完全凍結(jié)，意味著LTE 正式進入商用化研發(fā)的倒計時，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, 第三代合作伙伴計劃) 進行，3GPP 已經(jīng)向ITU 提交了基于LTE 演進的4G 候選技術(shù)的初稿，2011 年初將會提交完整版本和自評估報告。

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。部分國內(nèi)外專家認為，為了實現(xiàn)4G 移動通信，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)用研究正是一個能帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益的領(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)生災難、事故等緊急情況下，需要啟動應(yīng)急通信系統(tǒng)建立事故現(xiàn)場的通信。應(yīng)急通信系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。

應(yīng)急通信指揮車是現(xiàn)場通信的核心，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)場視頻數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)急通信指揮車，PDA、智能手機、手提電腦等終端通過無線接入到應(yīng)急通信指揮車進行通信， 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)，同時結(jié)合MIMO,在發(fā)端和收端配備多個天線，利用空間分集和復用，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50 Mbit/s,下行達到100 Mbit/s;LTE -Advanced 系統(tǒng)帶寬設(shè)計為100 MHz, 考慮的峰值速率上行達500 Mbit/s,下行達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)場視頻和圖像數(shù)據(jù)，PDA、寬帶手機等終端也能夠進行高速的數(shù)據(jù)上傳/下載和通信。

2.2 配電自動化

3G 和4G 應(yīng)用于配電網(wǎng)具有許多優(yōu)勢， 其覆蓋面廣，適合分布廣泛的配電網(wǎng)終端監(jiān)測點的接入需求。3G 和4G 都是雙向通信系統(tǒng)，支持數(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)自動化的信息傳輸要求。以4G為例， 移動通信系統(tǒng)應(yīng)用于配電自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，如圖2 所示。

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， 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延及用戶數(shù)據(jù)的傳輸時延。無線接入終端從駐留狀態(tài)轉(zhuǎn)換到激活狀態(tài)的時延在100 ms 以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時延在10 ms 以內(nèi)， 完全能夠滿足配電自動化要求的響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)傳送時間。

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,混合自動重傳)進行鏈路差錯控制。HARQ 同時使用FEC (Forward Error Correction, 前向糾錯)和ARQ(Automatic Repeat Request,自動重傳)技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)吞吐量和可靠性。同時，3G 和4G 系統(tǒng)對用戶均有認證機制， 對傳輸數(shù)據(jù)均進行加密處理，以保證服務(wù)于配網(wǎng)自動化系統(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、對錯誤敏感、壓縮算法復雜等特點。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，無法進行復雜的壓縮變換算法，這些都給無線視頻接入帶來了挑戰(zhàn)。

視頻壓縮標準的數(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 視頻壓縮標準的數(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)傳輸速率無法滿足傳輸較為清晰、連續(xù)的視頻流的要求，3G 相對于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，同時在高速移動環(huán)境下仍能保持高數(shù)據(jù)速率的通信，均對移動通信系統(tǒng)提出更高的要求。

LTE 項目是3G 的演進， 始于2004 年3GPP的多倫多會議。LTE 并非4G 技術(shù)，而是3G 與4G技術(shù)之間的一個過渡，是3.9G 的全球標準，它改進并增強了3G 的空中接入技術(shù)， 采用OFDM 和MIMO 作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進的唯一標準。

LTE 的峰值數(shù)據(jù)速率為上行50 Mbit/s, 下行100 Mbit/s.被業(yè)界普遍認為是4G 標準的LTEAdvanced,考慮的峰值速率上行達到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，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進行鏈路差錯控制。

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

FEC 部分用來糾正信道中經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤，以減少重傳次數(shù)進而提高系統(tǒng)通過率；ARQ 部分的作用是糾正那些不常出現(xiàn)的、FEC 不能糾正的錯誤，即當校驗結(jié)果正確時，往發(fā)送端反饋ACK信號，當校驗錯誤時，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 年美國電科院推動的復雜交互式網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng),該系統(tǒng)試圖為電網(wǎng)開發(fā)一個中央神經(jīng)系統(tǒng)， 以提高調(diào)度員對網(wǎng)絡(luò)故障的判斷能力。經(jīng)過幾年的發(fā)展，智能電網(wǎng)已經(jīng)得到世界各國的認可。尤其是近年，智能電網(wǎng)進入一個快速發(fā)展階段，2009 年5 月19 日，美國能源部公布了第一批智能電網(wǎng)標準；《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、拓撲、互操作性、最終應(yīng)用、接口和集成等。在中國，智能電網(wǎng)技術(shù)也受到了政府和企業(yè)的高度重視，國內(nèi)許多研究機構(gòu)和企業(yè)都在積極地開展智能電網(wǎng)的研究和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作。

智能電網(wǎng)目前并沒有一個公認的定義， 但是大家普遍認為它不是局部的解決方案， 而是著眼于未來電網(wǎng)的發(fā)展前景。它將實現(xiàn)發(fā)電、輸電、配電、儲能和用電完全自動的配置和管理，使電網(wǎng)變成一個高速、雙向、實時、動態(tài)、交互的網(wǎng)絡(luò)。

為了實現(xiàn)智能電網(wǎng)全自動化， 需要采用先進的通信技術(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繁多，有銅芯線、電力線載波、微波中繼、光纖通信等。通過應(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)在整個電力系統(tǒng)的不同主體及不同的應(yīng)用系統(tǒng)間進行傳輸，滿足智能電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的要求。

4G WiMAX、3G 無線語音和數(shù)據(jù)通信都可用于智能電網(wǎng)，它們的特點是：均為雙向通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能電表的數(shù)據(jù)采集和控制； 部署較靈活、方便，通過用戶附近的基站就可實現(xiàn)智能電表的無線接入；具有較好的傳輸帶寬，可以實現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸；無線覆蓋面廣，可以應(yīng)用于不具備有線通信條件或有線通信無法滿足需求的情況，成為智能電網(wǎng)中有線通信技術(shù)的有益補充。目前，國外公司已經(jīng)展開這方面的應(yīng)用，美國通用電氣公司已經(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， 無線通信的信息安全問題更為突出：信道開放，無法阻止攻擊者竊聽，惡意修改并轉(zhuǎn)發(fā)； 無線傳播會因多種原因造成信號衰減，導致信息丟失；需要經(jīng)常移動設(shè)備，設(shè)備容易丟失或失竊； 用戶不必與網(wǎng)絡(luò)進行實際性的連接，使得攻擊者偽裝成合法用戶更為容易。

4G 網(wǎng)絡(luò)相對于2G 和3G 網(wǎng)絡(luò)在信息安全方面有了很多改進，設(shè)有二層保護：第一層為接入網(wǎng)(E -UTRAN)， 由eNB 和UE 提供RRC (RadioResource Control,無線資源控制)信令完整性保護和機密性保護；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。 無線鏈路和核心網(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)和用戶間的雙向認證，使攻擊者無法偽裝成合法用戶使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或竊取合法用戶信息， 非法基站無法偽裝成接入點騙取用戶的接入，從而獲得用戶上傳的信息。

2)使用安全算法對用戶數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)進行加密和完整性保護。

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，實現(xiàn)2 個網(wǎng)絡(luò)間的隔離， 同時保證網(wǎng)絡(luò)間傳輸信息的安全性。

4 結(jié)束語

移動通信從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)向移動互聯(lián)網(wǎng)、手機電視、視頻通話等多媒體IP 方向發(fā)展， 業(yè)務(wù)種類更多，服務(wù)質(zhì)量更高。未來的電力ICT 網(wǎng)絡(luò)，將是一個高帶寬、IP 化、多級QoS 保障、提供多種業(yè)務(wù)的信息通信網(wǎng)絡(luò)平臺。無線通信網(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，從多方面滿足電力ICT 網(wǎng)絡(luò)無線通信的需求。