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(yīng)用

表2 2G 和3G 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率

　　比較表1 和表2 的數(shù)據(jù)可知，2G 的數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)法滿(mǎn)足傳輸較為清晰、連續(xù)的視頻流的要求，3G 相對(duì)于2G 在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率的通信，均對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的要求。

　　LTE 項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。

　　LTE 的峰值數(shù)據(jù)速率為上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s.被業(yè)界普遍認(rèn)為是4G 標(biāo)準(zhǔn)的LTEAdvanced，考慮的峰值速率上行達(dá)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(shù)據(jù)可靠性、降低誤碼率方面，4G 系統(tǒng)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(cuò)控制。

　　HARQ 將FEC 和ARQ 兩種差錯(cuò)控制技術(shù)相結(jié)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(tǒng)是在一個(gè)ARQ系統(tǒng)中包含一個(gè)FEC子系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 HARQ系統(tǒng)原理

　　常FEC 部分用來(lái)糾正信道中經(jīng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以減少重傳次數(shù)進(jìn)而提高系統(tǒng)通過(guò)率；ARQ 部分的作用是糾正那些不常出現(xiàn)的、FEC不能糾正的錯(cuò)誤，即當(dāng)校驗(yàn)結(jié)果正確時(shí)，往發(fā)送端反饋ACK信號(hào)，當(dāng)校驗(yàn)錯(cuò)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(guó)電科院推動(dòng)的復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)，該系統(tǒng)試圖為電網(wǎng)開(kāi)發(fā)一個(gè)中央神經(jīng)系統(tǒng)，以提高調(diào)度員對(duì)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(guó)的認(rèn)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(guó)能源部公布了第一批智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；《IEEE 2030指南：能源技術(shù)及信息技術(shù)與電力系統(tǒng)（EPS）、最終應(yīng)用及負(fù)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(nèi)容包括智能網(wǎng)格的定義、拓?fù)?、互操作性、最終應(yīng)用、接口和集成等。在中國(guó)，智能電網(wǎng)技術(shù)也受到了政府和企業(yè)的高度重視，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)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(shè)工作。

　智能電網(wǎng)目前并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義，但是大家普遍認(rèn)為它不是局部的解決方案，而是著眼于未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展前景。它將實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸電、配電、儲(chǔ)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(xiàn)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(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(xiàn)更多的信息和應(yīng)用的連接和集成，使數(shù)據(jù)在整個(gè)電力系統(tǒng)的不同主體及不同的應(yīng)用系統(tǒng)間進(jìn)行傳輸，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求。

　　4G WiMAX、3G 無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)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(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)智能電表的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸；無(wú)線(xiàn)覆蓋面廣，可以應(yīng)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(bǔ)充。目前，國(guó)外公司已經(jīng)展開(kāi)這方面的應(yīng)用，美國(guó)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(zhuǎn)發(fā)；無(wú)線(xiàn)傳播會(huì)因多種原因造成信號(hào)衰減，導(dǎo)致信息丟失；需要經(jīng)常移動(dòng)設(shè)備，設(shè)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(duì)于2G 和3G 網(wǎng)絡(luò)在信息安全方面有了很多改進(jìn)，設(shè)有二層保護(hù)：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(hù)和機(jī)密性保護(hù)；第二層為核心網(wǎng)（EPC），由MME和UE 執(zhí)行NAS信令的加密和完整性保護(hù)。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(shù)據(jù)的安全性。

　　1）擁有網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)間的雙向認(rèn)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(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和完整性保護(hù)。

　　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(shè)置防火墻，實(shí)現(xiàn)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(jié)束語(yǔ)

　　移動(dòng)通信從3G 發(fā)展到4G，數(shù)據(jù)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(jī)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(jí)QoS保障、提供多種業(yè)務(wù)的信息通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。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。