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

表2 2G 和3G 系統數據傳輸速率

　　比較表1 和表2 的數據可知，2G 的數據傳輸速率無(wú)法滿(mǎn)足傳輸較為清晰、連續的視頻流的要求，3G 相對于2G 在數據速率上有了很大提高，視頻電話(huà)、在線(xiàn)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)境下仍能保持高數據速率的通信，均對移動(dòng)通信系統提出更高的要求。

　　LTE 項目是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的全球標準，它改進(jìn)并增強了3G 的空中接入技術(shù)，采用OFDM 和MIMO 作為其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)的唯一標準。

　　LTE 的峰值數據速率為上行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(shí)，在保證數據可靠性、降低誤碼率方面，4G 系統不僅采用信道編碼、交織等技術(shù)，還采用HARQ進(jìn)行鏈路差錯控制。

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

圖3 HARQ系統原理

　　常FEC 部分用來(lái)糾正信道中經(jīng)出現的錯誤，以減少重傳次數進(jìn)而提高系統通過(guò)率；ARQ 部分的作用是糾正那些不常出現的、FEC不能糾正的錯誤，即當校驗結果正確時(shí)，往發(fā)送端反饋ACK信號，當校驗錯誤時(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 年美國電科院推動(dòng)的復雜交互式網(wǎng)絡(luò )/系統，該系統試圖為電網(wǎng)開(kāi)發(fā)一個(gè)中央神經(jīng)系統，以提高調度員對網(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)得到世界各國的認可。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（EPS）、最終應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(chǎng)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，內容包括智能網(wǎng)格的定義、拓撲、互操作性、最終應用、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，國內許多研究機構和企業(yè)都在積極地開(kāi)展智能電網(wǎng)的研究和網(wǎng)絡(luò )建設工作。

　智能電網(wǎng)目前并沒(méi)有一個(gè)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(zhù)眼于未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展前景。它將實(shí)現發(fā)電、輸電、配電、儲能和用電完全自動(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。在電力系統應用的通信傳輸通道種類(lèi)繁多，有銅芯線(xiàn)、電力線(xiàn)載波、微波中繼、光纖通信等。通過(guò)應用這些載體，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)現更多的信息和應用的連接和集成，使數據在整個(gè)電力系統的不同主體及不同的應用系統間進(jìn)行傳輸，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)對通信系統的要求。

　　4G WiMAX、3G 無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和數據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，可實(shí)現智能電表的數據采集和控制；部署較靈活、方便，通過(guò)用戶(hù)附近的基站就可實(shí)現智能電表的無(wú)線(xiàn)接入；具有較好的傳輸帶寬，可以實(shí)現較高速率的數據傳輸；無(wú)線(xiàn)覆蓋面廣，可以應用于不具備有線(xiàn)通信條件或有線(xiàn)通信無(wú)法滿(mǎn)足需求的情況，成為智能電網(wǎng)中有線(xiàn)通信技術(shù)的有益補充。目前，國外公司已經(jīng)展開(kāi)這方面的應用，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(xiàn)通信方式相比， 無(wú)線(xiàn)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)，惡意修改并轉發(fā)；無(wú)線(xiàn)傳播會(huì )因多種原因造成信號衰減，導致信息丟失；需要經(jīng)常移動(dòng)設備，設備容易丟失或失竊； 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 )相對于2G 和3G 網(wǎng)絡(luò )在信息安全方面有了很多改進(jìn)，設有二層保護：第一層為接入網(wǎng)（E -UTRAN）， 由eNB 和UE 提供RRC（RadioResource Control，無(wú)線(xiàn)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 執行NAS信令的加密和完整性保護。無(wú)線(xiàn)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 )中數據的安全性。

　　1）擁有網(wǎng)絡(luò )和用戶(hù)間的雙向認證，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）使用安全算法對用戶(hù)數據和信令數據進(jìn)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 )間設置防火墻，實(shí)現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. 結束語(yǔ)

　　移動(dòng)通信從3G 發(fā)展到4G，數據傳輸速率不斷提高，提供的業(yè)務(wù)向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、手機電視、視頻通話(huà)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QoS保障、提供多種業(yè)務(wù)的信息通信網(wǎng)絡(luò )平臺。無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )可以作為其有線(xiàn)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(xiàn)通信的需求。