高險峰 謝 俊 李 亭 任振宇 沈坤花

5G電力應(yīng)急通信裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究

高險峰1謝 俊1李 亭1任振宇2沈坤花3

（1. 國家電網(wǎng)公司華中分部，武漢 430077；2. 武漢銳特星科技有限公司，武漢 430074； 3. 大唐移動通信設(shè)備有限公司，北京 100083）

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；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)

0 引言

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)?。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[1-3]，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)急通信裝置進行闡述，裝置組成如圖1所示。

圖1 5G電力應(yīng)急通信裝置

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)傳輸提供安全保護及業(yè)務(wù)保障機制。

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、便攜[4-5]。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)。

圖2 多網(wǎng)絡(luò)模式條件下的選網(wǎng)流程

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)[6-7]，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（long term evolution, LTE）無線資源在演進基站（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)路徑進行路由管理；通過回傳鏈路和接入鏈路聯(lián)合資源分配進行接入網(wǎng)緩存；采用軟件化、機器學(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)通信機制，在混合網(wǎng)絡(luò)情況下進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)保障機制、移動無線互聯(lián)網(wǎng)QoS的自適應(yīng)保障機制，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[8-12]。具體如下：

1）基于云計算的QoS保障機制。在云計算環(huán)境中，利用用戶QoS保障資源管理系統(tǒng)，通過分析用戶多任務(wù)的需求，設(shè)置可評估量化的用戶QoS指標體制；同時，采用虛擬化的資源動態(tài)分配機制，最終實現(xiàn)云計算環(huán)境下虛擬資源的更優(yōu)管理、優(yōu)化配置，保障滿足用戶QoS要求。

2）面向NGN的移動無線互聯(lián)網(wǎng)QoS自適應(yīng)保障機制。對移動無線互聯(lián)網(wǎng)多層次結(jié)構(gòu)分析多媒體流的分布狀況，分別對各層次、各類型流媒體的QoS按基本標準進行實時評判，進而建立移動無線互聯(lián)網(wǎng)的QoS評判模型，根據(jù)服務(wù)對象與內(nèi)容制定適應(yīng)移動無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)要求的QoS自適應(yīng)調(diào)控機制。

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、選擇保護頻帶[13]、印制電路板（printed circuit board, PCB）的優(yōu)化[14]、鄰道干擾（adjacent channel interference, ACI）抑制[15]、擴頻通信技術(shù)[16]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%的頻譜資源的保護頻帶，即利用系統(tǒng)各頻道間的保護頻帶，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頻帶的中心頻率后進行信號傳輸，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)和電力終端的認證機制。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)[17]、基于SＭ4輪函數(shù)的認證加密技術(shù)[18]、基于混沌理論的圖像加密算法[19-21]、基于IEC 62351的遠程通信混合加密算法[22]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)的認證加密技術(shù)，其首先結(jié)合國產(chǎn)分組密碼標準SM4與廣義Feistel結(jié)構(gòu)設(shè)計通用認證結(jié)構(gòu)；然后以抵抗碰撞攻擊為安全性目標，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)造消息認證碼和認證加密算法；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)備的認證，可通過5G公網(wǎng)安全進行電力數(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。

圖3 電力應(yīng)急通信系統(tǒng)組網(wǎng)場景

表1 單網(wǎng)傳輸速率實驗結(jié)果 單位: Mbit/s

表2 多網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對比實驗結(jié)果 單位: Mbit/s

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，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。

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Study on key technologies in 5G power emergency communication devices

GAO Xianfeng1XIE Jun1LI Ting1REN Zhenyu2SHEN Kunhua3

(1. State Grid Central China Branch, Wuhan 430077; 2. Wuhan Right-Tech Star Technology Co., Ltd, Wuhan 430074; 3. Datang Mobile Communications Equipment Co., Ltd, Beijing 100083)

The 5G power emergency communication device adopts wireless broadband multi-network fusion technology, interference suppression methods, business QoS guarantee methods, and security and confidentiality technologies. It can achieve 5G and 4G compatibility in the communication system, support network optimization, and also achieve the integration of the operator’s public network and the 4G power wireless private network. It guarantees the quality of transmission services and realizes the secure transmission of data.

5G power emergency communication; wireless broadband multi-network fusion technology; interference suppression method; business QoS guarantee method; security and confidentiality technology

2021-05-17

2021-08-22

高險峰（1971—），男，湖北省潛江人，碩士，高級工程師，主要從事電力通信管理工作。