3G和4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在電力ICT網(wǎng)絡(luò )模式中的應用

引言

　　當前，信息與通信、自動(dòng)化、生產(chǎn)、管理等應用日益走向融合，信息網(wǎng)絡(luò )與通信網(wǎng)絡(luò )融合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )平臺上，實(shí)現了數據信息傳輸、音視頻會(huì )議、電話(huà)、傳真、即時(shí)通信等多種類(lèi)型的應用服務(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、應用、運行、維護全過(guò)程的創(chuàng )新。

　　進(jìn)入20 世紀90 年代以來(lái)， 移動(dòng)通信系統飛速發(fā)展，從傳統的通信業(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(xiàn)接入帶來(lái)新的選擇。隨著(zhù)3G 在全世界范圍的大規模商用，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狀態(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，使數據通信速率有了質(zhì)的提高。

　　核心網(wǎng)演進(jìn)為全IP 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，系統容量更大，功能更強。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、數據采集、遠程控制等綜合功能。

　　因此，研究3G 和4G 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在新一代ICT 網(wǎng)絡(luò )模式中的應用， 將無(wú)線(xiàn)通信接入和電力通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行統一規劃， 充分考慮電力業(yè)務(wù)和信息化發(fā)展的需求，使無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)更好地服務(wù)于電力系統，具有重要意義。

　　1. 3G 和4G 技術(shù)研究與應用的進(jìn)展

　　4G 移動(dòng)通信系統是目前移動(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)對移動(dòng)通信系統的期望仍有差距。所以，世界各地都展開(kāi)了4G的研究和討論。在中國，China 4G WORLD 于2009 年5 月13-14日在北京召開(kāi)，會(huì )議內容包括LTE（Long Term Evolution，長(cháng)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 標準已于2009 年3 月完全凍結，意味著(zhù)LTE 正式進(jìn)入商用化研發(fā)的倒計時(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估報告。

　　4G 通信技術(shù)與3G 及現有通信技術(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)。部分國內外專(zhuān)家認為，為了實(shí)現4G 移動(dòng)通信，在無(wú)線(xiàn)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、調制與編碼、智能天線(xiàn)技術(shù)等，但基于電力系統的應用研究相對比較薄弱， 而4G 技術(shù)在電力信息系統中的理論及應用研究正是一個(gè)能帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益的領(lǐng)域。

　　2. 3G 和4G 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在電力ICT 網(wǎng)絡(luò )中的應用

　　2.1 應急通信

　　在發(fā)生災難、事故等緊急情況下，需要啟動(dòng)應急通信系統建立事故現場(chǎng)的通信。應急通信系統的架構如圖1 所示。

圖1 應急通信系統

應急通信指揮車(chē)是現場(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(xiàn)技術(shù)進(jìn)行通信，與指揮中心通過(guò)衛星、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(xiàn)方式將現場(chǎng)視頻數據傳送到應急通信指揮車(chē)，PDA、智能手機、手提電腦等終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入到應急通信指揮車(chē)進(jìn)行通信，這都需要大量的數據傳輸。系統采用OFDM作為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，同時(shí)結合MIMO，在發(fā)端和收端配備多個(gè)天線(xiàn)，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(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，其系統傳輸帶寬可在1.5~20 MHz 范圍內靈活配置，峰值傳輸速率上行可達50 Mbit/s，下行達到100 Mbit/s；LTE-Advanced 系統帶寬設計為100 MHz， 考慮的峰值速率上行達500 Mbit/s，下行達1 Gbit/s.利用這樣的數據速率，單兵視頻采集終端能夠向應急通信指揮車(chē)回傳清晰的現場(chǎng)視頻和圖像數據，PDA、寬帶手機等終端也能夠進(jìn)行高速的數據上傳/下載和通信。

　　2.2 配電自動(dòng)化

　　3G 和4G 應用于配電網(wǎng)具有許多優(yōu)勢，其覆蓋面廣，適合分布廣泛的配電網(wǎng)終端監測點(diǎn)的接入需求。3G 和4G 都是雙向通信系統，支持數據的雙向傳輸。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。這樣高的數據傳輸速率，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)通信系統應用于配電自動(dòng)化系統的組網(wǎng)方式，如圖2 所示。

圖2 4G應用于配電自動(dòng)化系統

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

　　在保證傳輸數據可靠性方面，3G 和4G 均使用了HARQ （Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動(dòng)重傳）進(jìn)行鏈路差錯控制。HARQ 同時(shí)使用FEC （Forward Error Correction，前向糾錯）和ARQ（Automatic Repeat Request，自動(dòng)重傳）技術(shù)，保證了數據吞吐量和可靠性。同時(shí)，3G 和4G 系統對用戶(hù)均有認證機制，對傳輸數據均進(jìn)行加密處理，以保證服務(wù)于配網(wǎng)自動(dòng)化系統的可靠性。

　　2.3 無(wú)線(xiàn)視頻接入

　　視頻信息具有數據量大、對錯誤敏感、壓縮算法復雜等特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)信道帶寬有限，由于干擾、多徑效應等原因造成誤碼率高，且無(wú)線(xiàn)視頻接入的終端一般是便攜的，功率受限，無(wú)法進(jìn)行復雜的壓縮變換算法，這些都給無(wú)線(xiàn)視頻接入帶來(lái)了挑戰。

　　視頻壓縮標準的數據速率以及2G 和3G 數據傳輸速率分別見(jiàn)表1 和表2 所列。

表1 視頻壓縮標準的數據速率