3G和4G无线通信技术在ICT网络模式中的应用.pdf

第3 0 卷第2 0 1 期2()0 9 年7 月1 0 日电力系统通信T e l e c o m m u n i c a t i o n sf o rE l e c t r i cP o w e rS y s t e mV 0 1 3 0N o 2 0 1J u l 1 0，2 0 0 91 3 G 和4 G 无线通信技术在I C T网络模式中的应用刘建明1，赵峰1，张月霞2，崔琪楣2，胡平平3(1 国网信息通信有限公司，北京1 0 0 7 6 1；2 北京邮电大学，北京1 0 0 8 7 6；3 北京信息科技大学，北京1 0 0 1 9 2)摘要：介绍了I C T 对电力通信系统研究的重要意义，在分析3 G 4 G 移动通信系统的发展现状及应用的基础上，介绍了3 G 4 G 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I C T 网络中应用时所面临的安全问题。关键词：I C T；3 G 4 G；智能电网；网络安全中图分类号：T N 9 1 5文献标志码：A文章编号：1 0 0 5-7 6 4 1(2 0 0 9)0 7-0 0 0 1 D 4O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(I C T，I n f o r m a t i o nC o m m u n i c a t i o nT e c h n o l o g y)网络模式。I C T 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2 0 世纪9 0 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I C T 网络的无线接人带来新的选择。随着3 G 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2M b i t s，步行慢速移动环境中为3 8 4k b i t s。高速移动下为1 4 4k b i t s，定位于多媒体I P 业务。4 G 将移动通信推向更大的带宽，物理层采用O F D M M I M O 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I P 网络。使用I P v 6 提供了海量的I P 地址，同时提供了4 种Q o S 水平，满足不同业务的服务需求系统容量更大，功能更强。4 G 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3 G 和4 G 无线通信技术在新一代I C T 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。13 G 和4 G 技术研究与应用的进展4 G 移动通信系统是目前移动通信领域的研究热点虽然3 G 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4 G的研究和讨论。在中国，C h i n a4 GW O R L D 于2 0 0 9 年5 月1 3 一1 4 日在北京召开，会议内容包括L T E(L o n gT e r mE v o l u t i o n，长期演进)，V o L T E和M o b i l eB a c k h a u l。研讨中m 备受关注。L T E是未来主流的移动通信技术。mR 8 标准已于2 0 0 9 年3 月完全冻结。意味着L T E 正式进入商用化研发的倒计时完全能够满足2 0 1 0 年商用的需要。基于L T E A d v a n c e d 的研究已经在3 G P P(3 r dG e n e r a t i o nP a r t n e r s h i pP r o j e c t，第三代合作万方数据2 电力孽镜通信2 0 0 9，3 0(2 0 1)伙伴计划)进行，3 G P P 已经向I r I U 提交了基于L 1 E 演进的4 G 候选技术的初稿2 0 1 1 年初将会提交完整版本和自评估报告。4 G 通信技术与3 G 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4 G 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4 G 的研究很多如多址方案、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4 G 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。23 G 和4 G 无线通信技术在电力I C T 网络中的应用2 1应急通信在发生灾难、事故等紧急情况下。需要启动应急通信系统建立事故现场的通信。应急通信系统的架构如图1 所示。图1 应急通信系统F i g 1E m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m应急通信指挥车是现场通信的核心，与P D A、手提电脑、单兵视频采集等终端采用4 G 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。P D A、智能手机、手提电脑等终端通过无线接入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O F D M 作为无线通信技术。同时结合M I M O，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。O F D M 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4 G 技术的L T E，其系统传输带宽可在1 5 2 0M H z 范围内灵活配置，峰值传输速率上行可达5 0M b i t s，下行达到1 0 0M b i t s：L T E A d v a n c e d 系统带宽设计为1 0 0M H z。考虑的峰值速率上行达5 0 0M b i f f s，下行达1G b i t 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，P D A、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3 G 和4 G 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入需求。3 G 和4 G 都是双向通信系统，支持数据的双向传输。3 G 在低速环境下的通信速率在2M b i 讹以上，4 G 的通信速率与3 G 相比，达到上行5 0M K 愧、下行1 0 0M b i t 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4 G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24 G 应用于配电自动化系统r i g 2D i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw i t h4 Gt e c h n o l o g y4 G 采用更趋于扁平化的网络架构，取消了3 G 中的R N C 节点。仅由e N B 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。无线接人终端从驻留状态转换到激活状态的时延在1 0 0m s 以内，数据传输时延在1 0I n s 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，3 G 和4 G 均使用了H A R Q(H y b r i dA u t o m a t i cR e p e a tR e q u e s t。混合自动重传)进行链路差错控制。H A R Q 同时使万方数据发展综述刘建明等3 G 和4 G 无线通信技术在I C T 网络模式中的应用3 用F E C(F o r w a r dE r r o rC o r r e c t i o n，前向纠错)和A R Q(A u t o m a t i eR e p e a tR e q u e s t，自动重传)技术保证了数据吞吐量和可靠性。同时，3 G 和4 G 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入带来了挑战。视频压缩标准的数据速率以及2 G 和3 G 数据传输速率分别见表l 和表2 所列。表1 视频压缩标准的数据速率T a b l e1D a t ar a t eo fv i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r dE 厶，j 压绾标准。三二二典型数据速率：二翌H 2 6 1M P E G lM P E G 2M P E G 4H 2 6 3(H 2 6 3+，H 2 6 3+)H 2 6 4p x 6 4k b i t s 1 5M b i t s1 5 3 5M b i t s8k b i t s 3 5M b i t s8k b i t s 1 5M b i 以4k b i t s 一3 0M b i t s表22 G 和3 G 系统数据传输速率T a b l e2D a t at r a n s f e rr a t eo f2 Ga n d3 Gs y s t e m鬣0 技术标准。I 釜翟数据传输速率二濯G P R 5理论上限1 7 2 2k b i t s2 GC D M A l XW C D M A3 GC D M A 2 0 0 0T D S C D M A理论上限1 5 3 6k b i t s3 8 4k b i t s-2M b i t s3 8 4k b i t s 一2M b i t s3 8 4k b i t s 一2M b i t s比较表1 和表2 的数据可知，2 G 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，3 G 相对于2 G 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3 G。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。L T E 项目是3 G 的演进。始于2 0 0 4 年3 G P P的多伦多会议。L T E 并非4 G 技术，而是3 G 与4 G技术之间的一个过渡，是3 9 G 的全球标准，它改进并增强了3 G 的空中接入技术，采用O F D M 和M I M O 作为其无线网络演进的唯一标准。L T E 的峰值数据速率为上行5 0M b i t s，下行1 0 0M b i t s。被业界普遍认为是4 G 标准的L T E A d v a n c e d。考虑的峰值速率上行达到5 0 0M b i t s，下行1G b i t 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，4 G 系统不仅采用信道编码、交织等技术，还采用H A R Q进行链路差错控制。H A R Q 将F E C 和A R Q 两种差错控制技术相结合，综合了F E C 方式的高通过率和A R Q 方式的高可靠性。H A R Q 通信系统是在一个A R Q 系统中包含一个F E C 子系统，如图3 所示。荫向信道F E C 编码F E C 纠错或检错如果收到A C K，接收无错码组，则发送下一组码：反馈信道则反馈A C E：,如果收到N A C K 接收不可纠错码组，则重传当前码组则反馈N A C K图3H A P,Q 系统原理F i g 3M e c h a n i s mo fr t S g Qs y s t e mF E C 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；A R Q 部分的作用是纠正那些不常出现的、F E C 不能纠正的错误，即当校验结果正确时，往发送端反馈A C K信号，当校验错误时，则往发送端反馈N A C K 包。2 4智能电网智能电网起源于1 9 9 8 2 0 0 2 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，智能电网进入一个快速发展阶段，2 0 0 9 年5 月1 9 日，美国能源部公布了第一批智能电网标准；(I E E E2 0 3 0 指南：能源技术及信息技术与电力系统(E P S)、最终应用及负载的智能电网互操作)(P 2 0 3 0)也将于近万方数据4 电力孽镌通绣2 0 0 9 3 0(2 0 1)期讨论和公布，芯片厂商英特尔将主持2 0 0 9 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，以及引入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。4 GW i M A X、3 G 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W i M A X 技术的智能电表，使用的是英特尔的W i M A X 芯片。3基于3 G 和4 G 技术的电力I C T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。4 G 网络相对于2 G 和3 G 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 U T R A N)，由e N B 和U E 提供R R C(R a d i oR e s o u r c eC o n t r o l，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(E P C)，由M M E和U E 执行N A S 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。以下安全措施能够保证接人到电力I C T 网络中数据的安全性。1)拥有网络和用户间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入点骗取用户的接入，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)e N B 和核心网之间有安全联盟。相邻的e N B 之间也有安全联盟。4)4 G 核心网与电力I C T 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3 G 发展到4 G，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I P 方向发展业务种类更多，服务质量更高。未来的电力I C T 网络将是一个高带宽、I P 化、多级Q o S 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、灵活和方便的接入方式。从多方面满足电力I C T 网络无线通信的需求。参考文献：【l】T A OXF，Y I NHY，X UJ e ta 1 M o d e l i n go ft h eg e n e r a l i z e dM I M Oc h a n n e lm t r i x J J o u r n a lo fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s，2 0 0 5，2 8(5)：4 7 5 1【2】Z H A N GP T A OXF Av i s i o nf r o mt h ef u t u r e：b e y o n d3 GT D D J I I E E EC o m m u n i c a t i o nM a g a z i n e，2 0 0 5，4 3(1)：3 8 _ 4 4【3】庾志成全球3 G 发展现状及趋势分析叨现代电信科技2 0 0 9(1)：2-5(下转第1 3 页l万方数据专题聚焦张建明等创新的S 型线结构O P P C 光缆1 3 管理工作主要研究方向为光缆结构、工艺设计和工程应用。黄俊华(1 9 4 9 一)男，上海人，高级工程师，从1 9 7 6 年起从事先纤、光缆、特种光缆的研制、开发和光通信工程应用的技术及管理工作。主要研究方向为特种光纤、光缆开发及工程应用。陈卫峰(1 9 7 6 一)，男，江苏海门人，工程师，从2 0 0 1 年起从事光电线缆产品的研制、开发技术和管理工作，主要研究方向为电子线缆、裸导线和特种线缆开发和工程应用。(收稿日期：2 0 0 9 0 4 3 0)A ni n n o v a t i v es t r u c t u r eo fO P P Cw i t hS-s h a p e da l u m i n u mw i r e sZ H AN GJ i a n r u i n g,H U AN GJ u n-h u 马C H E NW e i-f e n gO o n g g u a n gG r o u pC o，L t d。，S h a n g h a i2 0 0 1 2 2，C h i n a)A b s t r a c t：T h ec o n d u c t o r su s e df o rp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n ew i t hv o l t a g el e v e lo f3 5k Va n db e l o wa l eg e n e r a l l yo fs m a l ls i z ea n db i ga l u m i n i u m s t e e lr a t i o w h i c ha r ed i 侬c u l l tt om a t c hO P P Cw i t hn o r m a lm u ms t r u c t u r e I nt h i sp a p e r,a ni n n o v a t i v es t r u c t u r eo fO P P Cw i t hS s h a p e da l u m i n u mw i r e si Si n t r o d u c e dw i t ht 1 1 ef e a t u r e so fc o m p a c t e ds t r u c t u r e s m a l ld i a m e t e r,l 帮a l l o w a b l ec u r r e n t c a r r y i n gc a p a c i t ya n db e t t e rt e n s i o n-s a gp e r f o r m a n c e T h i sn e m b qs t r u c t u r eo fO P P Cc o u l dc o v e rn o r m a lL G Jc o n d u c t o r su s e df o rp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n ew i t hv o l t a g eI e v e Io f3 5k Va n db e l o w K e yw o r d s：O P P Cc a b l e；c o n d u c t o r,S-s h a p e ds t r u c t u r e；a l l o w a b l ec u r r e n t-c a r r y i n gc a p a c i t y；t e n s i o n-s a gs 鲥E 酗绷蛐缄纵蹦E d 蹦鲥蹦E s 瞰E 昱E 砖E S 纵鲥h S h S“S 纵蹦鲥h S E S E!l“S 蛐纵鲥蹦蛐E s 厶S 酗缄E 毫(上接第4 页)【4】包东智L T E 产业现状及发展趋势【J】移动通信，2 0 0 8(8)：4 3 4 7【5】沈嘉，索士强3 G P P 长期演进(L T E)技术原理与系统设计【M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 8【6】吴伟陵，牛凯移动通信原理【M】北京：电子工业出版社2 0 0 7【7】T H E O D O R ESR 无线通信原理与应用(第二版)【q 北京：电子工业出版社2 0 0 8 嗍王文博，郑侃宽带无线通信O F D M 技术(第二版)M】北京：人民邮电出版社，2 0 0 7(Z)刘建明(1 9 5 5 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(1 9 8 卜)，男，河北衡水人博士。从事信息通信技术、移动多媒体技术和E R P 的研究工作。张月霞(1 9 7 8 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(1 9 7 9 一)，士，河南驻马店人，副教授，从事4 G移动通信关键技术及应用研究工作。胡平平(1 9 6 3)，男，湖南嘉禾人，副教授，从事信息通信技术的研究工作。(收稿日期：2 0 0 9 一0 6 一0 8)A p p l i c a t i o no f3 Ga n d4 Gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi I lI C Tn e t w o r km o d e lL I UJ i a n-m i n g。1，Z H A0F e 叫，Z H AN GY u e-x i a 2,C U IQ i 一胱只H UP i n g-p i n 9 3(1 S t a t eG r i dI n f o r m a t i o n T e l e c o m m u n i c a t i o nC o L t d，B e i j i n g1 0 0 7 6 1，C h i n a；2 B e i j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s。B e i j i n g1 0 0 8 7 6，C h i n a；3 B e i j i n gI n f o r m a t i o nS c i e n c e T e c h n o l o g yU n i v e r s i t y，B e i j i n g1 0 0 1 9 2，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c eo fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yO C T)i nt h er e s e a r c ho fp o w e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m I ta n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n da p p l i c a f o no f3 G 4 Gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m，a n di n t r o d u c e st h e i ra p p l i c a t i o n si np o w e rs y s t e m，s u c h 鼬i ne m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n，埘f；e l 鹄sv i d e oa c c e s sa n ds m a r tg 五d T h es e c u r i t yi s s u e sw h e nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nI C Tn e t w o r ka r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r K e yw o r d s：I C T 3 G 4 G；s n l a l tg r i d；n e t w o r ks e c u r i t y万方数据3G和4G无线通信技术在ICT网络模式中的应用3G和4G无线通信技术在ICT网络模式中的应用作者：刘建明，赵峰，张月霞，崔琪楣，胡平平，LIU Jian-ming，ZHAO Feng，ZHANGYue-xia，CU Qi-mei，HU Ping-ping作者单位：刘建明,赵峰,LIU Jian-ming,ZHAO Feng(国网信息通信有限公司,北京,100761)，张月霞,崔琪楣,ZHANG Yue-xia,CU Qi-mei(北京邮电大学,北京,100876)，胡平平,HU Ping-ping(北京信息科技大学,北京,100192)刊名：电力系统通信英文刊名：TELECOMMUNICATIONS FOR ELECTRIC POWER SYSTEM年，卷(期)：2009，30(7)被引用次数：2次 相似文献(2条)相似文献(2条)1.期刊论文 刘建明.赵峰.张月霞.崔琪楣.LIU Jian-ming.ZHAO Feng.ZHANG Yue-xia.CUI Qi-mei 用于智能电网的新一代宽带无线移动通信技术-电力系统通信2009,30(10)随着ICT技术的迅猛发展和电力通信网络的发展,新一代宽带无线移动通信技术应用于电力通信网络已成为人们关注的热点,智能电网的配电、用电需求对宽带无线移动通信业提出了更高的要求.文章简要介绍了移动通信系统的发展演进和新一代宽带无线移动通信系统,并对其在我国电力通信网络中的应用作了展望.2.外文会议 Eero Wallenius Policy based network and service management model for 3/4G networks In the future 3G/4G networks all network and service management and control tasks can be Policy Based managed.As the wirelessnetwork becomes more and more complex new multilevel and hierarchical control methods will be needed.The most promising method tosolve this dilemma is using management or control policies instead of discrete device and service parameterization.Policies can behierarchical so that every layer defines the environmental threshold in their own terms.Each of the abstract levels will then berefined to the next lower level until the final usually device depended parameterization have been reach.Each of the upper levelscompared to the previous lower level gives much more degrees of freedom compared to the traditional network element levelparameterization due to the fact that higher-level ruling can be quite freely defined with upper level terms,which are theninterpreted to lover level.This paper contemplates the possibilities to deploy Policy Based Management and control in the wireless3/4G environment.引证文献(2条)引证文献(2条)1.刘佳佳.鲍慧 OFDMA技术在电力应急通信系统中的应用期刊论文-电力系统通信 2010(4)2.龚琪琳 基于H.264协议的手机实时视频播放的研究期刊论文-计算机与现代化 2010(1)本文链接：http:/