中國集群通信網(wǎng)
5G電力應(yīng)急通信裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究
國家電網(wǎng)公司華中分部、武漢銳特星科技有限公司、大唐移動通信設(shè)備有限公司的研究人員高險峰、謝俊、李亭、任振宇、沈坤花，在2021年第10期《電氣技術(shù)》上撰文指出，5G電力應(yīng)急通信裝置采用無線寬帶多網(wǎng)融合技術(shù)、干擾抑制方法、業(yè)務(wù)QoS保障方法、安全保密技術(shù)，在通信機(jī)制上既能做到5G與4G兼容，支持網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選，還能做到運營商公網(wǎng)與4G電力無線專網(wǎng)的融合。方案在保證傳輸服務(wù)質(zhì)量的同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)安全傳輸。
5G電力應(yīng)急通信裝置是融合多種功能及技術(shù)的高度集成設(shè)備，符合當(dāng)前信息與通信技術(shù)（infor- mation and communications technology, ICT）多領(lǐng)域融合的發(fā)展趨勢，其適用于通信終端分布廣、節(jié)點分散等情況，可廣泛應(yīng)用于用電信息采集、配電自動化、能效管理、分布式能源接入及移動作業(yè)等場景，同時支持高帶寬業(yè)務(wù)傳輸，如視頻業(yè)務(wù)、應(yīng)急搶險業(yè)務(wù)、生產(chǎn)信息傳輸?shù)取?br />
相比而言，現(xiàn)有電力應(yīng)急通信系統(tǒng)在應(yīng)用中存在三方面問題：①覆蓋范圍不足，省間線路缺乏備份，或者無法覆蓋應(yīng)急通信救援的“最后一公里”；②不具備便攜性，現(xiàn)有系統(tǒng)包括單兵、北斗及衛(wèi)星系統(tǒng)，所含系統(tǒng)較多且集成度低，導(dǎo)致便攜性不足，無法適應(yīng)復(fù)雜救援場景；③帶寬有限、靈活性差，只支持衛(wèi)星信道，導(dǎo)致無法傳輸視頻或只能傳輸較低分辨率的視頻信息，無法滿足實際應(yīng)急通信需求，而且需預(yù)先協(xié)調(diào)才能使用衛(wèi)星信道，不能滿足應(yīng)急突發(fā)性任務(wù)要求。
利用5G網(wǎng)絡(luò)的超大容量、超高速率、超低時延、超密集組網(wǎng)等特征，可有效解決現(xiàn)有電力應(yīng)急通信裝置存在的上述問題。本文通過闡述5G電力應(yīng)急通信技術(shù)在實際場景中的設(shè)計思路及解決方案，揭示網(wǎng)絡(luò)兼容設(shè)計、抗干擾設(shè)計及安全保密設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)在5G電力應(yīng)急通信裝置中的綜合應(yīng)用，對于電力中斷時實現(xiàn)應(yīng)急大數(shù)據(jù)處理傳輸、高清視頻傳輸播放、應(yīng)急現(xiàn)場輔助救援和輔助指揮調(diào)度效果顯著。
1 5G電力應(yīng)急通信裝置本文基于國家電網(wǎng)華中分部調(diào)控中心研發(fā)的5G電力應(yīng)急通信裝置進(jìn)行闡述，裝置組成如圖1所示。
5G電力應(yīng)急通信裝置中除通用模塊及單元外，主要采用由網(wǎng)關(guān)處理單元、公網(wǎng)收發(fā)單元、專網(wǎng)收發(fā)單元組成的多端口、多模組融合網(wǎng)關(guān)。融合網(wǎng)關(guān)可兼容三大運營商4G/5G網(wǎng)絡(luò)及4G電力無線專網(wǎng)，以便為電力數(shù)據(jù)回傳提供可靠高速的無線傳輸通道，為5G信道的數(shù)據(jù)傳輸提供安全保護(hù)及業(yè)務(wù)保障機(jī)制。
2 5G電力應(yīng)急通信裝置采用的關(guān)鍵技術(shù)和算法實現(xiàn)因應(yīng)急無線專網(wǎng)目前還處于由模擬向2G、4G過渡階段，為更好地實現(xiàn)無線應(yīng)急通信功能，5G電力應(yīng)急通信裝置需兼容4G電力無線專網(wǎng)功能，在通信機(jī)制上既需做到兼容5G、4G并支持網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選，又需實現(xiàn)運營商公網(wǎng)與4G電力無線專網(wǎng)的融合，以使應(yīng)急通信備份通道更有效、堅強(qiáng)、便攜。5G電力應(yīng)急通信裝置采用高集成度的架構(gòu)設(shè)計，結(jié)合自帶的融合網(wǎng)關(guān)，采用無線寬帶多網(wǎng)融合、干擾抑制、業(yè)務(wù)QoS保障、安全保密等技術(shù)來保證電力應(yīng)急通信下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。
2.1 多模多頻無線回傳技術(shù)
為保證5G電力應(yīng)急通信裝置能快速傳輸數(shù)據(jù)，在多網(wǎng)模式下，融合網(wǎng)關(guān)采用無線寬帶多網(wǎng)融合技術(shù)，其工作流程如圖2所示：首先確定可接入的網(wǎng)絡(luò)（即5G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)、4G電力無線專網(wǎng)），向所有可接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接；然后確定預(yù)設(shè)時間間隔內(nèi)連接成功的網(wǎng)絡(luò)；最后掃描連接成功的網(wǎng)絡(luò)狀況，根據(jù)選擇算法和需要發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)接入并發(fā)送數(shù)據(jù)。在具體電力應(yīng)急通信過程中，優(yōu)先選擇駐留在5G網(wǎng)絡(luò)。
在多模多頻無線回傳過程中主要采用5G無線回傳技術(shù)，并利用載波多模多頻自適應(yīng)通信器來實現(xiàn)，5G電力應(yīng)急通信裝置根據(jù)公網(wǎng)三大運營商的網(wǎng)絡(luò)情況和電力專網(wǎng)情況選擇合適的4G或5G網(wǎng)段接入網(wǎng)絡(luò)，在電力應(yīng)急情況下最大限度保證傳輸通道的暢通。
其中，5G無線回傳技術(shù)依托5G自回傳技術(shù)，利用長期演進(jìn)（long term evolution, LTE）無線資源在演進(jìn)基站（evolved node B, eNodeB）之間實現(xiàn)基于層三的點對點中繼，在中繼eNodeB和錨定eNodeB之間協(xié)作調(diào)度；采用集中式或分布式建立無線自回傳網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行路由管理；通過回傳鏈路和接入鏈路聯(lián)合資源分配進(jìn)行接入網(wǎng)緩存；采用軟件化、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)完成5G網(wǎng)絡(luò)回傳的自配置、自愈能力，優(yōu)化路由選擇、回傳流量比，平衡無線接入，以提高無線網(wǎng)絡(luò)的資源配置和傳輸性能。
其中，兼容4G與5G網(wǎng)絡(luò)的載波多模多頻通信由載波多模多頻自適應(yīng)通信器來實現(xiàn)，其包括微處理單元（microcontroller unit, MCU）與通過串口通信的多個本地通信模塊，并采用多模多頻自適應(yīng)通信機(jī)制，在混合網(wǎng)絡(luò)情況下進(jìn)行多種載波方案的相互通信。
2.2 業(yè)務(wù)QoS保障技術(shù)
本文5G電力應(yīng)急通信裝置的業(yè)務(wù)QoS保障技術(shù)采用基于云計算的QoS保障機(jī)制、面向下一代網(wǎng)絡(luò)（next generation network, NGN）的移動無線互聯(lián)網(wǎng)QoS自適應(yīng)保障機(jī)制、移動無線互聯(lián)網(wǎng)QoS的自適應(yīng)保障機(jī)制，通過在源節(jié)點到目的節(jié)點間采用業(yè)務(wù)流量控制和業(yè)務(wù)路由控制來管控網(wǎng)絡(luò)流量，避免網(wǎng)絡(luò)堵塞。
具體如下：
例如，設(shè)定采集周期是100ms，10個采集周期內(nèi)采集10次可連接網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量指標(biāo)值，獲得并存儲10組質(zhì)量指標(biāo)值，第1100ms為一次獲取周期到達(dá)時刻，此時獲取存儲的10組質(zhì)量指標(biāo)；接下來在1100～2100ms內(nèi)又采集到10次可連接網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量指標(biāo)值，獲得并存儲另外10組質(zhì)量指標(biāo)值，第2100ms為另一次獲取周期到達(dá)時刻，此時獲取存儲的另外10組質(zhì)量指標(biāo)值。
利用決策矩陣，在數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過所有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間時對數(shù)據(jù)優(yōu)先級逐級區(qū)分和傳送，保障應(yīng)急情況下電力回傳數(shù)據(jù)QoS，以滿足突發(fā)性高帶寬保障需求場景、突發(fā)性低時延保障需求。通過各QoS保障機(jī)制和對決策矩陣的計算，提高電力應(yīng)急通信現(xiàn)場救援與指揮技術(shù)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流服務(wù)質(zhì)量，保障數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。
2.3 干擾抑制技術(shù)
為解決采取多模多頻傳輸方式時，因支持頻段眾多而導(dǎo)致的不同頻段間干擾問題，利用空間隔離、數(shù)字濾波、選擇保護(hù)頻帶印制電路板（printed circuit board, PCB）的優(yōu)化、鄰道干擾（adjacent channel interference, ACI）抑制、擴(kuò)頻通信技術(shù)及正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）技術(shù)共同實現(xiàn)對多模干擾的抑制。其中：
1）空間隔離技術(shù)是將時域信號通過傅里葉變換、極化處理變換到頻域、極化域（可稱為空域），利用頻域、空域或者頻域-空域聯(lián)合的隔離來弱化干擾信號。
2）選擇保護(hù)頻帶技術(shù)是利用在主要通信系統(tǒng)（如LTE和Wi-Fi）中設(shè)置的占用10%的頻譜資源的保護(hù)頻帶，即利用系統(tǒng)各頻道間的保護(hù)頻帶，通過將電力應(yīng)急信號處理為窄帶信號并遷移至各段保護(hù)頻帶的中心頻率后進(jìn)行信號傳輸，來保證不對兩邊的頻帶造成干擾。
3）PCB的優(yōu)化是通過設(shè)計高密度PCB，生成高頻高速PCB來降低信號失真，提高信號質(zhì)量。
4）ACI抑制采用接收端的信號處理來實現(xiàn)，構(gòu)建通信信道估計，搭建干擾信號重建支路，利用記憶多項式（memory polynomial, MP）方式來估計信號傳輸?shù)姆蔷�性參數(shù)，重建ACI信號，在接收信號中減去重建的干擾信號，完成ACI的抵消。
5）擴(kuò)頻通信技術(shù)包括時域預(yù)測基礎(chǔ)上、重疊變換基礎(chǔ)上、變換域基礎(chǔ)上及小波包變換基礎(chǔ)上的窄帶干擾抑制技術(shù)，通過擴(kuò)頻碼調(diào)制，使所采用的信號頻帶寬度超過信息傳輸所需的帶寬，在信號接收端應(yīng)用同樣的擴(kuò)頻碼解調(diào)，完成信息數(shù)據(jù)傳輸過程。
6）OFDM技術(shù)采用正交振幅調(diào)制（quadrature amplitude modulation, QAM）、二進(jìn)制移相鍵控（binary phase shift keying, BPSK）及每秒查詢率（queries per second, QPS）調(diào)制方式，通過信道編碼，在通信系統(tǒng)中應(yīng)用交織編碼、RS（remote sensing）碼及卷積碼進(jìn)行糾錯編碼，并將高頻率的數(shù)據(jù)流劃分為多個低速率的子數(shù)據(jù)流，按照并行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的信道傳輸，來提高信道傳輸?shù)目乖胄阅�，避免信道傳輸受到脈沖干擾影響。
通過以上多種方式的結(jié)合能有效去干擾并降噪，提高5G電力應(yīng)急通信裝置接入成功率，維持其系統(tǒng)鏈路的穩(wěn)定性。
2.4 安全保密技術(shù)
為達(dá)到安全傳輸、數(shù)據(jù)保密的效果，5G電力應(yīng)急通信裝置依據(jù)《電力無線專網(wǎng)安全使用規(guī)范》及相關(guān)電力安全生產(chǎn)管理規(guī)范，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來設(shè)計智能電網(wǎng)的多切片安全架構(gòu)和電力終端的認(rèn)證機(jī)制。在通信裝置中動態(tài)分配安全傳輸層協(xié)議（transport layer security, TLS）中的預(yù)共享密鑰，并配置安全認(rèn)證系統(tǒng)。還在裝置端和服務(wù)器端之間采用基于傳輸層安全的密鑰傳遞方法。
5G電力應(yīng)急通信裝置進(jìn)行信息加密時，具體從鏈路加密、端點加密及節(jié)點加密三個方面，采用電力量子保密通信技術(shù)、基于SＭ4輪函數(shù)的認(rèn)證加密技術(shù)、基于混沌理論的圖像加密算法、基于IEC 62351的遠(yuǎn)程通信混合加密算法來保證數(shù)據(jù)的加密及安全傳輸。其中：
1）電力量子保密通信技術(shù)，基于量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution, QKD），遵循密鑰隨機(jī)產(chǎn)生、密鑰不重復(fù)使用、明密文長度一致的原則，采用光信號進(jìn)行“一次一密”通信。
具體包括：①長距離電力架空光纜的量子編碼調(diào)制技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境從偏振編碼、相位編碼、時間相位編碼方案中選擇合適的調(diào)制方式；②經(jīng)典通道-量子通道共纖波分復(fù)用技術(shù)，首先依據(jù)量子密鑰分發(fā)受到經(jīng)典信號的影響模型，分析影響量子信號的主要噪聲來源和影響方式，然后采用單模光纖波段檢測、主動避讓和被動分光技術(shù)減小影響；③基于無線通道的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，采用量子安全服務(wù)控制平臺、量子密鑰存儲管理平臺和海量電力業(yè)務(wù)終端平臺。
2）基于SM4（分組密碼算法，為對稱加密）輪函數(shù)的認(rèn)證加密技術(shù)，其首先結(jié)合國產(chǎn)分組密碼標(biāo)準(zhǔn)SM4與廣義Feistel結(jié)構(gòu)設(shè)計通用認(rèn)證結(jié)構(gòu)；然后以抵抗碰撞攻擊為安全性目標(biāo)，利用混合整數(shù)規(guī)劃（mixed integer linear programming, MILP）方法搜索狀態(tài)大小和效率各不相同的結(jié)構(gòu)，以構(gòu)造消息認(rèn)證碼和認(rèn)證加密算法；最后利用狀態(tài)大小和效率較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計認(rèn)證加密算法SMAE，利用SAME來加密待傳輸電力數(shù)據(jù)，以此提高數(shù)據(jù)安全性。其中，分組密碼算法SM4采用非平衡的廣義Feistel結(jié)構(gòu)，通過迭代32輪完成加密過程。
3）基于混沌理論的圖像加密算法，對于電力通信應(yīng)急情況下傳輸?shù)默F(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，首先，根據(jù)圖像保密要求和加密速度選擇混沌加密系統(tǒng)，如果對圖像保密要求高，對加密速度要求較低，則選擇多維混沌系統(tǒng)或?qū)⒍鄠�混沌系統(tǒng)組合使用；如果對于圖像保密要求不高，對于加密速度要求較高，則選擇一維或二維混沌系統(tǒng)。其次，驗證加密算法，看其是否有充足密鑰空間，以避免因密鑰空間過小導(dǎo)致被破解的問題。最后，根據(jù)獲取的加密算法加密圖像畫面，以隱藏明文中的數(shù)據(jù)和信息，保證圖像數(shù)據(jù)安全。
4）基于IEC 62351的遠(yuǎn)程通信混合加密算法，依據(jù)IEC 62351安全體系，使用國密算法進(jìn)行混合加密，并使用SM4對稱加密算法加密數(shù)據(jù)，再利用SM2（橢圓曲線公鑰密碼算法，為非對稱加密算法）加密算法加密SM4算法的密鑰，并加入身份信息和密鑰定期更新機(jī)制，以保證信息安全。
通過5G電力應(yīng)急通信裝置中的安全認(rèn)證系統(tǒng)，結(jié)合上述多種加密算法，可防止攻擊者通過結(jié)合認(rèn)證時間等信息確定用戶設(shè)備的真實身份信息，實現(xiàn)對用戶設(shè)備的認(rèn)證，可通過5G公網(wǎng)安全進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的傳輸，能夠防止數(shù)據(jù)泄密，提高數(shù)據(jù)安全性，提高5G電力應(yīng)急通信裝置中數(shù)據(jù)的安全性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性與可靠性。
3 實驗環(huán)境及效果驗證5G電力應(yīng)急通信裝置的實驗和測試在5G通信網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行，5G通信網(wǎng)絡(luò)采用武漢5G試驗網(wǎng)，電力應(yīng)急通信系統(tǒng)組網(wǎng)場景如圖3所示，其包含5G核心網(wǎng)、5G基站系統(tǒng)。
根據(jù)電力應(yīng)急通信的實施方案，變電站、電力線路等電力設(shè)施的信息匯總和指揮調(diào)度在正常情況下通過電力通信線路完成，公網(wǎng)運營商通信網(wǎng)絡(luò)作為備份通信手段。當(dāng)故障發(fā)生后啟用5G電力應(yīng)急通信裝置，5G電力應(yīng)急通信裝置通過公網(wǎng)基站接入運營商網(wǎng)絡(luò)，電力調(diào)度中心同時與公網(wǎng)互聯(lián)，將5G電力應(yīng)急通信裝置采集的視頻及其他數(shù)據(jù)，通過公網(wǎng)回傳至調(diào)度中心。5G電力應(yīng)急通信裝置實驗室數(shù)據(jù)上行及下行峰值測試結(jié)果見表1、表2。
表1 單網(wǎng)傳輸速率實驗結(jié)果
表2 多網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對比實驗結(jié)果
從表1和表2可看出，在可選網(wǎng)絡(luò)增加的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐量獲得了成倍增長。因而在電力傳統(tǒng)回傳通路發(fā)生故障時，采用5G電力應(yīng)急通信裝置，在兼容4G/5G網(wǎng)絡(luò)及4G專有網(wǎng)絡(luò)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)電力應(yīng)急數(shù)據(jù)、應(yīng)急視頻穩(wěn)定可靠的回傳。
4 結(jié)論通過綜合利用多模多頻無線回傳、干擾抑制、業(yè)務(wù)QoS保障、安全保密等關(guān)鍵技術(shù)，5G電力應(yīng)急通信裝置能同時支持公網(wǎng)運營商和電力專網(wǎng)的4G、5G頻段接入，在電力應(yīng)急場景中確保傳輸通道的暢通，以將故障地點的信息數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確地回傳至調(diào)度中心，其抵御自然災(zāi)害或其他相關(guān)事故的能力強(qiáng)，實現(xiàn)了在線預(yù)警、分析和處理；能自動分析業(yè)務(wù)影響范圍并推薦備選路由，大大提高了電力應(yīng)急處置能力，縮短了故障處置時間。
本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“5G電力應(yīng)急通信裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究”，作者為高險峰、謝俊 等。
(責(zé)任編輯：李俊勇)