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

0 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。

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。

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)龋?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

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。

FEC 部分用來(lái)糾正信道中經(jīng)常出現的錯誤，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。