3G和4G无线通信技术在ICT网络模式中的应用

第 3O卷 第 201驯 2009年 7月 10口 电 力 系 统 通 佶 relcc0n1ITlunicatiIIns for Electric Powe r‘System Vo1．30 No．2Ol Ju1 10，2009 ． 1 ． 3G和 4G无线通信技术在 I CT 网络模式中的应用 刘建明 ，赵 峰 ，张月霞 ，崔琪楣 ，胡平平 (1．国网信息通信有限公司，北京 100761；2 E京邮电大学，北京 100876；3．北京信息科技大学，北京 100192) 摘要：介绍了ICT对电力通信系统研究的重要意义，在分析 3G／4G移动通信系统的发展现状 及应用的基础上，介绍 了 3G／4G移动通信技术在 电力 系统通信的应急通信 、配电 自动化、无 线视频接入和智能电网等几种重要场景中的应用，论述了无线通信技术在 ICT网络中应用 时所 面 临的安 全 问题 。 关键词 ：ICT；3G／4G；智能电网；网络安全 中图分类号 ：TN915 文献标志码 ：A 文章编 号：1005—7641(2009)07—0001—04- 0 引言 当前，信息与通信、自动化、生产、管理等应用 日益走向融合，信息网络与通信网络融合在一个 网络平台上，实现了数据信息传输 、音视频会议、 电话 、传真、即时通信等多种类型的应用服务 ，这 种 新 型 网 络模 式 称 为 信 息 通 信 技 术 (ICT， Information Communication Technology)网络模式。 ICT网络模式不仅是业务 网络的融合 ，还带来 了 产业网络的融合，给各行业的通信与信息网络带 来建设 、应用 、运行 、维护全过程的创新。 进入 20世纪 90年代以来 ，移动通信系统飞 速发展，从传统的通信业务逐渐向互联网、多媒体 等宽带业务发展 ，为新一代电力 ICT网络的无线 接人带来新 的选择 。随着 3G在全世界范围的大 规模商用，其已成为目前通信领域讨论的热点，传 输速率在支持静止状态下为 2 Mbit／s，步行慢速移 动环境中为 384 kbiffs，高速移动下为 144 kbids， 定位于多媒体 IP业务。4G将移动通信推向更大 的带宽 ，物理层采用 OFDM—MIMO技术 ，极大地 提高了频谱效率，使数据通信速率有了质的提高。 核心网演进为全 IP网络，使用 IPv6提供了海量 的IP地址 同时提供了4种 QoS水平，满足不同 业务的服务需求 ，系统容量更大 ，功能更强 。4G的 最大特点是能够在任何地方提供互联网的宽带接 入，同时提供信息通信之外的定时定位、数据采 集、远程控制等综合功能。 因此。研究 3G和4G无线通信技术在新一代 ICT网络模式中的应用．将无线通信接入和电力 通信网络进行统一规划．充分考虑电力业务和信 息化发展的需求，使无线通信技术更好地服务于 电力系统 ，具有重要意义。 1 3G和 4G技术研究与应用的进展 4G移动通信系统是 目前移动通信领域的研 究热点，虽然 3G移动通信系统比以往的移动网 络有巨大的进步，但是离目前用户对移动通信系 统的期望仍有差距。所以，世界各地都展开了4G 的研 究 和讨 论 。在 中国 ，China 4G WORLD于 2009年 5月 13— 14日在北京召开 ．会议内容包 括 LTE(Long Term Evolution，长期演进)，Vo E 和Mobile Backhaul，研讨中LTE备受关注。LTE 是未来主流的移动通信技术 ，LTE R8 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 已于 2009年 3月完全冻结．意味着 LTE正式进入商用 化研发的倒计时，完全能够满足 2010年商用的需 要 基 于 LTE—Advanced的研 究 已经 在 3GPP (3rd Generation Partnership Project。第三代合作 · 2 · 电 力 至 饶 通 信 伙伴 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 )进行 ，3GPP已经向 ITU提交了基于 LTE演进的4G候选技术的初稿 ，2011年初将会 提交完整版本和 自评估报告 。 4G通信技术与 3G及现有通信技术相比。具 有通信速度更快、网络频谱更宽、智能性更高、终 端兼容性更好等优点。部分国内外专家认为，为了 实现 4G移动通信，在无线接入网络、核心网和终 端技术方面都需要进行深刻的变革。 目前关于 4G的研究很多 ，如多址 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、调制 与编码、智能天线技术等，但基于电力系统的应用 研究相对比较薄弱，而4G技术在电力信息系统 中的理论及应用研究正是一个能带来可观的经济 效益和社会效益的领域。 2 3G 和 4G 无线通信技术在 电力 lCT网络中的应用 ／ ． ．／卫星＼ ／ ． 宽带手机 ／ ＼ ．．． ． · ⋯ ⋯ 摊 ， 孓 ． 萋怒 趣 ’≤ 应急通信指挥车是现场通信的核心，与 PDA、 手提电脑、单兵视频采集等终端采用4G宽带无 线技术进行通信，与指挥中心通过卫星、光纤或微 波链路建立连接。 单兵视频采集终端通过无线方式将现场视频 数据传送到应急通信指挥车，PDA、智能手机 、手 提电脑等终端通过无线接人到应急通信指挥车进 行通信，这都需要大量的数据传输。系统采用 OFDM作为无线通信技术，同时结合 MIMO，在发 端和收端配备多个天线 ，利用空间分集和复用 ，提 高信道容量。由于子载波间相互正交，接收端可采 用相关技术将子信道的信息分开，子信道之间的 相互干扰很小。0FDM的抗频率选择性衰落和抗 多径效应等性能优异，能在恶劣的地理环境中 提供高质量的通信。被视为准 4G技术的 LTE， 其 系统传 输带宽 可在 1．5～20 MHz范 围内灵活 配置，峰值传输速率上行可达 50 Mbit／s，下行达 到 100 Mbiffs：LTE—Advanced系统带宽设计为 100 MHz。考虑的峰值速率上行达 500 Mbiffs。下 行达 1 Gbit／s。利用这样的数据速率，单兵视频采 集终端能够向应急通信指挥车回传清晰的现场视 频和图像数据，PDA、宽带手机等终端也能够进行 高速的数据上传／下载和通信。 2-2 配电自动化 3G和 4G应用于配电网具有许多优势 ，其覆 盖面广，适合分布广泛的配电网终端监测点的接人 需求。3G和4G都是双向通信系统，支持数据的双 向传输。3G在低速环境下的通信速率在 2 Mbit／s 以上，4G的通信速率与3G相比，达到上行50 Mb 、 下行 100 Mbit／s以上。这样高的数据传输速率，完 全能够满足配电网自动化的信息传输要求。以4G 为例，移动通信系统应用于配电自动化系统的组 网方式 ，如图 2所示。 图 2 4G应用于配电 自动化系统 Fig．2 Distribution automation system with 4G technology 4G采用更趋于扁平化的网络架构，取消了 3G中的RNC节点，仅由eNB组成。这种扁平化 的网络架构带来的好处是降低了呼叫建立时延及 用户数据的传输时延。无线接入终端从驻留状态 转换到激活状态的时延在 100 ms以内．数据传输 时延在 10 ms以内，完全能够满足配电 自动化要 求的响应时间和数据传送时间。 在保证传输数据可靠性方面，3G和 4G均使 用了 HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request。 混合自动重传)进行链路差错控制。HARQ同时使 · 发展综述 · 刘建明 等 3G 和 4G无线通信技术在 ICT网络模式 中的应用 ．3 ． 用 FEC (Forward Error Correction，前 向纠错 )和 ARQ(Automatic Repeat Request，自动重传)技术， 保证了数据吞吐量和可靠性。同时，3G和 4G系统 对用户均有认证机制，对传输数据均进行加密处 理．以保证服务于配网自动化系统的可靠性。 2．3 无线视频接入 视频信息具有数据量大、对错误敏感、压缩算 法复杂等特点。无线信道带宽有限，由于干扰、多 径效应等原因造成误码率高，且无线视频接入的 终端一般是便携的，功率受限，无法进行复杂的压 缩变换算法．这些都给无线视频接人带来了挑战。 视频压缩标准的数据速率以及 2G和 3G数据传 输速率分别见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1和表 2所列。 表 1视频压缩标准的数据速率 Table 1 Data rate of video compression standard ； 压缩蘅潦 。 晦 H．261 px64 kbit／s MPEG一1 MPEC一2 MPEG一4 H．263(H．263+，H．263++) H．264 <1．5 Mbit／s 1．5～35 Mbit／s 8 kbids～35 Mbit／s 8 kbit／s一1．5 Mbids 4 kbit／s～3O Mbids 表 2 2G和 3G 系统数据传输速率 Table 2 Data transfer rate of 2G and 3G system 0 _Il盖 釉瀚螭懑 ≯ GPRS 理论上限 172．2 kbids 2G CDMA1X 理论上限 153．6 kbids WCDMA 384 kbids一2 Mbit／s 3G CDMA2000 384 kbids一2 Mbit／s TD—SCDMA 384 kbit／s～2 Mbit／s 比较表 1和表 2的数据可知，2G的数据传输 速率无法满足传输较为清晰、连续的视频流的要 求 。3C相对于 2G在数据速率上有了很大提高， 视频电话 、在线电视等多媒体服务已成功用于 3G。但是传输更为清晰流畅、质量更高的视频，同 时在高速移动环境下仍能保持高数据速率的通 信，均对移动通信系统提出更高的要求。 LTE项 目是 3G的演进 ，始于 2004年 3GPP 的多伦多会议。LTE并非 4G技术，而是 3G与4G 技术之 间的一个过渡 ，是 3．9G的全球标准，它改 进并增强了 3G的空中接人技术 ，采用 OFDM 和 MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。 LTE的峰值数据速率为上行 50 Mbit／s，下行 100 Mbit／s。被业界普遍认为是 4G标准的 LTE— Advanced，考虑的峰值速率上行达到 500 Mbit／s， 下行 1 Gbit／s。如此高的传输速率，能够传送图像 质量更好的视频流．提供更为丰富的多媒体服务。 同时，在保证数据可靠性、降低误码率方面，4G系 统不仅采用信道编码、交织等技术，还采用 HARQ 进行链路差错控制 。 HARQ将 FEC和 ARQ两种差错控制技术相 结合 ，综合了FEC方式的高通过率和 ARQ方式 的高可靠性。HARQ通信系统是在一个 ARQ系统 中包含一个 FEC子系统 ，如图 3所示。 前向信道 FEC编码 FEC纠错或检错 如果收到ACK， 接收无错码组， 则发送下一组码； 反馈信道 则反馈ACK； 如果收到NACK， 接收不可纠错码组， 则重传当前码组 则反馈N^cK 图 3 HARQ 系统原理 Fig．3 Mechanism of HAP,．Q system ‘ FEC部分用来纠正信道中经常出现的错误。 以减少重传次数进而提高系统通过率；ARQ部分 的作 用是纠正那些不常出现 的、FEC不能纠正的 错误 ，即 当校验结果 正确时 ，往发 送端反馈 ACK 信号，当校验错误时 ，则往发送端反馈 NACK包。 2．4 智能电网 智能电网起源于 l998—2002年美国电科院 推动的“复杂交互式网络／系统”，该系统试图为电 网开发一个中央神经系统，以提高调度员对网络 故障的判断能力。经过几年的发展，智能电网已经 得到世界各国的认可。尤其是近年，智能电网进人 一 个快速发展阶段．2009年 5月 19 13，美国能源 部公布了第一批智能电网标准；(IEEE 2030指 南：能源技术及信息技术与电力系统(EPS)、最终 应用及负载的智能电网互操作》(P2030)也将于近 · 4 · 电 力 孽 德 通 锈 期讨论和公布，芯片厂商英特尔将主持2009年 6 月 3—5日在加州圣克拉拉举行的首次会议 。讨论 这份智能电网指南，内容包括智能网格的定义、拓 扑、互操作性、最终应用、接口和集成等。在中国， 智能电网技术也受到了政府和企业 的高度重视 ， 国内许多研究机构和企业都在积极地开展智能电 网的研究和网络建设工作。 智能电网目前并没有一个公认的定义，但是 大家普遍认为它不是局部的解决方案。而是着眼 于未来电网的发展前景。它将实现发电、输电、配 电、储能和用电完全 自动的配置和管理 ，使电网 变成一个高速 、双向、实时、动态 、交互的网络。 为了实现智能电网全自动化，需要采用先进 的通信技术以保证信息高效传输。在电力系统应 用的通信传输通道种类繁多 ，有铜芯线 、电力线载 波、微波中继、光纤通信等。通过应用这些载体，以 及引人新的网络通信技术，智能电网可以在更广 的范围实现更多的信息和应用的连接和集成，使 数据在整个电力系统的不同主体及不同的应用系 统间进行传输，满足智能电网对通信系统的要求。 4G WiMAX、3G无线语音和数据通信都可用 于智能电网，它们的特点是：均为双向通信系统， 可实现智能电表的数据采集和控制；部署较灵 活、方便，通过用户附近的基站就可实现智能电 表的无线接入：具有较好的传输带宽．可以实现 较高速率的数据传输；无线覆盖面广，可以应用 于不具备有线通信条件或有线通信无法满足需 求的情况。成为智能电网中有线通信技术的有益 补充 目前 ，国外公司已经展开这方面的应用 ．美 国通用电气公司已经制造了采用 WiMAX技术的 智能电表，使用的是英特尔的WiMAX芯片。 3 基于 3G 和 4G技 术的电力 lCT 网络中的安全 与有线通信方式相比，无线通信的信息安全 问题更为突出：信道开放，无法阻止攻击者窃听． 恶意修改并转发；无线传播会因多种原因造成信 号衰减，导致信息丢失；需要经常移动设备，设备 容易丢失或失窃：用户不必与网络进行实际性的 连接，使得攻击者伪装成合法用户更为容易。 4G网络相对于 2C和 3G网络在信息安全方 面有了很多改进，设有二层保护：第一层为接入网 (E—UTRAN)，由 eNB和 UE提供 RRC(Radio Resource Control，无线资源控制)信令完整性保护 和机密性保护 ：第二层为核心 网(EPC)．由 MME 和UE执行NAS信令的加密和完整性保护。无线 链路和核心网有各自的密钥，以下安全 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 能够 保证接人到电力 ICT网络中数据的安全性。 1)拥有网络和用户问的双向认证，使攻击者 无法伪装成合法用户使用网络服务或窃取合法用 户信息，非法基站无法伪装成接人点骗取用户的 接入，从而获得用户上传的信息。 2)使用安全算法对用户数据和信令数据进行 加密和完整性保护。 3)eNB和核心 网之间有 安全联盟 ，相邻 的 eNB之间也有安全联盟 4)4G核心网与电力 ICT网络间设置防火墙 ． 实现 2个网络间的隔离，同时保证网络间传输信 息 的安全性。 4 结束语 移动通信从 3G发展到4G，数据传输速率不 断提高，提供的业务向移动互联网、手机电视、视 频通话等多媒体 IP方向发展，业务种类更多，服 务质量更高。未来的电力 ICT网络，将是一个高带 宽、IP化、多级 QoS保障、提供多种业务的信息通 信网络平台。无线通信网络可以作为其有线网络 的延伸 ，提供更丰富 、灵活和方便 的接人方式 ，从 多方面满足电力 ICT网络无线通信的需求。 参考文献： [1】TAO X F，YIN H Y，XU J，et a1．Modeling of the generalized MIMO channel matrix[J]．Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2005，28 f51：47—51． [2】ZHANG P，TAO X F．A vision from the future： beyond 3G TDD[J]．IEEE 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structure of OPPC could cover nonnal LGJ conductors used for power transmission 1ine with voltage level of 35 kV and below． Key words：OPPC cable；conductor；S-shaped structure；allowable current．．carrying capacity；tension——sag (上接 第 4页) ￡ · !· ·她 ·S!^ ．! · E E· ．．! 【4]包东智．LTE产业现状及发展趋势IJJ．移动通信，2008 f8、：43—47． [5]沈嘉，索十强．3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统 设计『M]．北京：人 民邮电出版社，2008． [6】吴伟陵，牛凯．移动通信原理[M1．北京：电子工业 出版 社．2007． 【7]THEODORE S R．无线通信原理与应用(第二版)『M J．北 京：电子工业出版社，2008． 【8】王文博，郑侃．宽带无线通信 OFDM技术(第二版)[M】． 北 京：人民邮电 HI版社，2007． (Z) 刘建明(1955一)，男，山东荣成人 ，教授 ，从事信息通 信技 术 、多媒体和信 息安全技术 的研 究工作 赵 峰(198O一)，男，河北衡水人，博士，从事信息通信 技 术、移动 多媒体技术和 ERP的研 究工作 张月霞(1978一)，女 ，河南安阳人，博士，从事协 同通 信技 术、超宽带物理层技术及其应用研 究工作 崔琪楣(1979一)，女 ，河 南驻 马店人 ，副教授 ，从 事 4G 移动 通信 关键技 术及应 用研 究工作 胡平平(1963一)，男，湖南嘉禾人，副教授，从事信息 通信技 术的研 究37-作 (收稿 日期 ：2009-06-08) Application of 3G and 4G wireless communication technology in ICT network model LIU Jian—ming ，ZHA0 Feng ，ZHANG Yue—xi CU1 Qi—mei2~HU Ping-pin~ (1．State Grid Information＆ Telecomnmnication Co．Ltd．，Beijing 100761，China； 2．Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 1 00876，China； 3．Beijing Infomnation Science& Technology University．Beijing 100192．China) Abstract：This paper introduces the significance of information and communication technology(IC in the research of power communication system．It analyses the present situation and application of 3G／4G wireless communication system， and introduces their applications in power system，such as in emergency communication，distribution automation，wireless video access and smart grid．The security issues when wireless communication technology is applied in ICT network are also discussed in the paper． Key words：ICT；3G／4G；smart grid；network security