引言

當前，信息與通信、自動化、生產、管理等應用日益走向融合， 信息網絡與通信網絡融合在一個網絡平臺上，實現了數據信息傳輸、音視頻會議、電話、傳真、即時通信等多種類型的應用服務，這種新型網絡模式稱為信息通信技術（ICT,Information Communication Technology）網絡模式。

ICT 網絡模式不僅是業務網絡的融合， 還帶來了產業網絡的融合， 給各行業的通信與信息網絡帶來建設、應用、運行、維護全過程的創新。

進入20 世紀90 年代以來， 移動通信系統飛速發展，從傳統的通信業務逐漸向互聯網、多媒體等寬帶業務發展， 為新一代電力ICT 網絡的無線接入帶來新的選擇。隨著3G 在全世界范圍的大規模商用，其已成為目前通信領域討論的熱點，傳輸速率在支持靜止狀態下為2 Mbit/s,步行慢速移動環境中為384 kbit/s, 高速移動下為144 kbit/s,定位于多媒體IP 業務。4G 將移動通信推向更大的帶寬，物理層采用OFDM-MIMO 技術，極大地提高了頻譜效率，使數據通信速率有了質的提高。

核心網演進為全IP 網絡， 使用IPv6 提供了海量的IP 地址，同時提供了4 種QoS 水平，滿足不同業務的服務需求，系統容量更大，功能更強。4G 的最大特點是能夠在任何地方提供互聯網的寬帶接入， 同時提供信息通信之外的定時定位、數據采集、遠程控制等綜合功能。

因此，研究3G 和4G 無線通信技術在新一代ICT 網絡模式中的應用， 將無線通信接入和電力通信網絡進行統一規劃， 充分考慮電力業務和信息化發展的需求， 使無線通信技術更好地服務于電力系統，具有重要意義。

1 3G 和4G 技術研究與應用的進展

4G 移動通信系統是目前移動通信領域的研究熱點， 雖然3G 移動通信系統比以往的移動網絡有巨大的進步， 但是離目前用戶對移動通信系統的期望仍有差距。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， 會議內容包括LTE（Long Term Evolution, 長期演進），VoLTE和Mobile Backhaul, 研討中LTE 備受關注。LTE是未來主流的移動通信技術，LTE R8 標準已于2009 年3 月完全凍結，意味著LTE 正式進入商用化研發的倒計時，完全能夠滿足2010 年商用的需要。基于LTE -Advanced 的研究已經在3GPP（3rd Generation Partnership Project, 第三代合作伙伴計劃） 進行，3GPP 已經向ITU 提交了基于LTE 演進的4G 候選技術的初稿，2011 年初將會提交完整版本和自評估報告。

4G 通信技術與3G 及現有通信技術相比，具有通信速度更快、網絡頻譜更寬、智能性更高、終端兼容性更好等優點。部分國內外專家認為，為了實現4G 移動通信，在無線接入網絡、核心網和終端技術方面都需要進行深刻的變革。

目前關于4G 的研究很多，如多址方案、調制與編碼、智能天線技術等，但基于電力系統的應用研究相對比較薄弱， 而4G 技術在電力信息系統中的理論及應用研究正是一個能帶來可觀的經濟效益和社會效益的領域。

2 3G 和4G 無線通信技術在電力ICT 網絡中的應用

2.1 應急通信

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

應急通信指揮車是現場通信的核心，與PDA、手提電腦、單兵視頻采集等終端采用4G 寬帶無線技術進行通信，與指揮中心通過衛星、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場視頻數據傳送到應急通信指揮車，PDA、智能手機、手提電腦等終端通過無線接入到應急通信指揮車進行通信， 這都需要大量的數據傳輸。系統采用OFDM 作為無線通信技術，同時結合MIMO,在發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，接收端可采用相關技術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等性能優異， 能在惡劣的地理環境中提供高質量的通信。被視為準4G 技術的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回傳清晰的現場視頻和圖像數據，PDA、寬帶手機等終端也能夠進行高速的數據上傳/下載和通信。

2.2 配電自動化

3G 和4G 應用于配電網具有許多優勢， 其覆蓋面廣，適合分布廣泛的配電網終端監測點的接入需求。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，完全能夠滿足配電網自動化的信息傳輸要求。以4G為例， 移動通信系統應用于配電自動化系統的組網方式，如圖2 所示。

4G 采用更趨于扁平化的網絡架構， 取消了3G 中的RNC 節點， 僅由eNB 組成。這種扁平化的網絡架構帶來的好處是降低了呼叫建立時延及用戶數據的傳輸時延。無線接入終端從駐留狀態轉換到激活狀態的時延在100 ms 以內，數據傳輸時延在10 ms 以內， 完全能夠滿足配電自動化要求的響應時間和數據傳送時間。

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，保證了數據吞吐量和可靠性。同時，3G 和4G 系統對用戶均有認證機制， 對傳輸數據均進行加密處理，以保證服務于配網自動化系統的可靠性。

2.3 無線視頻接入

視頻信息具有數據量大、對錯誤敏感、壓縮算法復雜等特點。無線信道帶寬有限，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。

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 的數據傳輸速率無法滿足傳輸較為清晰、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、在線電視等多媒體服務已成功用于3G.但是傳輸更為清晰流暢、質量更高的視頻，同時在高速移動環境下仍能保持高數據速率的通信，均對移動通信系統提出更高的要求。

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，而是3G 與4G技術之間的一個過渡，是3.9G 的全球標準，它改進并增強了3G 的空中接入技術， 采用OFDM 和MIMO 作為其無線網絡演進的唯一標準。

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，能夠傳送圖像質量更好的視頻流，提供更為豐富的多媒體服務。

同時，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，還采用HARQ進行鏈路差錯控制。

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

FEC 部分用來糾正信道中經常出現的錯誤，以減少重傳次數進而提高系統通過率；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，往發送端反饋ACK信號，當校驗錯誤時，則往發送端反饋NACK 包。

2.4 智能電網

智能電網起源于1998-2002 年美國電科院推動的"復雜交互式網絡/系統",該系統試圖為電網開發一個中央神經系統， 以提高調度員對網絡故障的判斷能力。經過幾年的發展，智能電網已經得到世界各國的認可。尤其是近年，智能電網進入一個快速發展階段，2009 年5 月19 日，美國能源部公布了第一批智能電網標準；《IEEE 2030 指南：能源技術及信息技術與電力系統（EPS）、最終應用及負載的智能電網互操作》（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，討論這份智能電網指南，內容包括智能網格的定義、拓撲、互操作性、最終應用、接口和集成等。在中國，智能電網技術也受到了政府和企業的高度重視，國內許多研究機構和企業都在積極地開展智能電網的研究和網絡建設工作。

智能電網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的發展前景。它將實現發電、輸電、配電、儲能和用電完全自動的配置和管理，使電網變成一個高速、雙向、實時、動態、交互的網絡。

為了實現智能電網全自動化， 需要采用先進的通信技術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繁多，有銅芯線、電力線載波、微波中繼、光纖通信等。通過應用這些載體，以及引入新的網絡通信技術， 智能電網可以在更廣的范圍實現更多的信息和應用的連接和集成，使數據在整個電力系統的不同主體及不同的應用系統間進行傳輸，滿足智能電網對通信系統的要求。

4G WiMAX、3G 無線語音和數據通信都可用于智能電網，它們的特點是：均為雙向通信系統，可實現智能電表的數據采集和控制； 部署較靈活、方便，通過用戶附近的基站就可實現智能電表的無線接入；具有較好的傳輸帶寬，可以實現較高速率的數據傳輸；無線覆蓋面廣，可以應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，成為智能電網中有線通信技術的有益補充。目前，國外公司已經展開這方面的應用，美國通用電氣公司已經制造了采用WiMAX 技術的智能電表，使用的是英特爾的WiMAX 芯片。

3 基于3G 和4G 技術的電力ICT網絡中的安全

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，惡意修改并轉發； 無線傳播會因多種原因造成信號衰減，導致信息丟失；需要經常移動設備，設備容易丟失或失竊； 用戶不必與網絡進行實際性的連接，使得攻擊者偽裝成合法用戶更為容易。

4G 網絡相對于2G 和3G 網絡在信息安全方面有了很多改進，設有二層保護：第一層為接入網（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（EPC），由MME和UE 執行NAS 信令的加密和完整性保護。 無線鏈路和核心網有各自的密鑰， 以下安全措施能夠保證接入到電力ICT 網絡中數據的安全性。

1）擁有網絡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絡服務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據和信令數據進行加密和完整性保護。

3）eNB 和核心網之間有安全聯盟， 相鄰的eNB 之間也有安全聯盟。

4）4G 核心網與電力ICT 網絡間設置防火墻，實現2 個網絡間的隔離， 同時保證網絡間傳輸信息的安全性。

4 結束語

移動通信從3G 發展到4G, 數據傳輸速率不斷提高，提供的業務向移動互聯網、手機電視、視頻通話等多媒體IP 方向發展， 業務種類更多，服務質量更高。未來的電力ICT 網絡，將是一個高帶寬、IP 化、多級QoS 保障、提供多種業務的信息通信網絡平臺。無線通信網絡可以作為其有線網絡的延伸，提供更豐富、靈活和方便的接入方式，從多方面滿足電力ICT 網絡無線通信的需求。