國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)建設(shè)解決方案研究

貝斐峰 李炳林 李新 華昉

【摘 要】TD-LTE集群系統(tǒng)是國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)建設(shè)的首選系統(tǒng)。通過對(duì)TD-LTE集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)鏈、關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)內(nèi)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析，并以南京為例提出基于TD-LTE集群系統(tǒng)的國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)，旨在從網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)能力、安全性、集群功能等方面研究國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)的建設(shè)方案及可行性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字集群系統(tǒng) 無線專網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)安全

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.015 中圖分類號(hào)：TN929.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）04-0078-06

引用格式：貝斐峰，李炳林，李新，等. 國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)建設(shè)解決方案研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（4）： 78-83.

1 引言

目前國(guó)家電網(wǎng)公司沒有統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)承載方案，只有WiMAX、2G/3G/4G、WLAN等技術(shù)的小規(guī)模試點(diǎn)應(yīng)用，現(xiàn)有的國(guó)家電網(wǎng)公司業(yè)務(wù)主要依靠有線網(wǎng)絡(luò)承載。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和國(guó)家電網(wǎng)公司本身業(yè)務(wù)需求的延伸，現(xiàn)有的國(guó)家電網(wǎng)公司有線網(wǎng)絡(luò)無法滿足其相關(guān)的移動(dòng)互聯(lián)業(yè)務(wù)需求，如遠(yuǎn)程抄表、高清視頻監(jiān)控、移動(dòng)辦公等，因此需要選擇合適的無線通信技術(shù)，依靠高速、可靠的無線網(wǎng)絡(luò)來滿足國(guó)家電網(wǎng)公司的業(yè)務(wù)需求。本文將分析和闡述TD-LTE集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能力、業(yè)務(wù)能力、系統(tǒng)應(yīng)用等因素，并以南京為例提出基于TD-LTE集群系統(tǒng)的國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)。

2 基于TD-LTE的數(shù)字集群系統(tǒng)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈情況

TD-LTE作為我國(guó)新一代寬帶無線通信網(wǎng)，被列入了國(guó)家重大科技專項(xiàng)，并得到大力支持。而在2010年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）發(fā)起了立項(xiàng)研究TD-LTE的專網(wǎng)方案，到2012年11月，基于TD-LTE的集群標(biāo)準(zhǔn)在CCSA中立項(xiàng)通過，開始其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2013年12月，《基于TD-LTE技術(shù)的專網(wǎng)寬帶集群系統(tǒng)接口技術(shù)要求》作為我國(guó)TD-LTE集群的首批通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)獲批公布。而在2014年5月，我國(guó)公布的《基于LTE技術(shù)的寬帶集群通信（B-TrunC）系統(tǒng)總體技術(shù)要求（第一階段）》則標(biāo)志了TD-LTE集群網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程已趨向完善，可以正式走向商用。

目前TD-LTE集群系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈處于高速發(fā)展期，國(guó)內(nèi)已有華為、鼎橋、普天、中興、捷思銳等廠商生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備，并建成了數(shù)十張TD-LTE集群網(wǎng)絡(luò)。例如，北京市無線政務(wù)專網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目是我國(guó)第一個(gè)TD-LTE集群商用網(wǎng)絡(luò)，主要為政府、企業(yè)提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，目前北京市無線政務(wù)專網(wǎng)已連接上萬家政府單位和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，承載了200多個(gè)電子政務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，全面滿足了首都政務(wù)應(yīng)用需求。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)CCSA的相關(guān)研究，TD-LTE數(shù)字集群系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

（1）終端設(shè)備包括新型的應(yīng)急通信車、單兵設(shè)備等終端。

（2）接入網(wǎng)將終端設(shè)備接入TD-LTE集群網(wǎng)絡(luò)，并將相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用層、調(diào)度設(shè)備和外部網(wǎng)絡(luò)。

（3）應(yīng)用層直接和應(yīng)用程序?qū)硬⑻峁┫嚓P(guān)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，如視頻墻、定位等高速業(yè)務(wù)。

（4）調(diào)度設(shè)備是集群通信的特色功能，對(duì)終端進(jìn)行監(jiān)視和傳達(dá)調(diào)度命令等功能。其中，調(diào)度設(shè)備與視頻墻等設(shè)備是相互配合使用的。

（5）外部網(wǎng)絡(luò)接口是網(wǎng)絡(luò)間的互接點(diǎn)，與公網(wǎng)外部網(wǎng)絡(luò)接口的作用相同。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

TD-LTE集群系統(tǒng)在滿足傳統(tǒng)集群系統(tǒng)的基本業(yè)務(wù)的同時(shí)，還能為行業(yè)用戶提供包括視頻墻、實(shí)時(shí)監(jiān)控、視頻會(huì)議、優(yōu)先級(jí)等新的業(yè)務(wù)功能，其在保密方面引入多層加密機(jī)制，以保證機(jī)場(chǎng)集群通信安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

TD-LTE集群系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)有呼叫、緊急呼叫、QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）保障、呼叫轉(zhuǎn)移、定位、動(dòng)態(tài)重組、鑒權(quán)、加密、優(yōu)先呼叫、遙開遙閉、強(qiáng)插強(qiáng)拆、遲后進(jìn)入、同頻組網(wǎng)等，這里主要介紹關(guān)鍵的集群調(diào)度技術(shù)。

集群調(diào)度相關(guān)功能主要包括如下：

（1）緊急呼叫：緊急呼叫是災(zāi)害等緊急情況下的呼叫方式，具有最高的優(yōu)先級(jí)，以在最短時(shí)間內(nèi)將信息通報(bào)給相關(guān)用戶。

（2）優(yōu)先呼叫：集群用戶被分配了一個(gè)數(shù)值在1至15之間的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)通話組也被分配了一個(gè)數(shù)值在1至15之間的簽約優(yōu)先級(jí)。

（3）組呼：組呼提供一對(duì)多的通話。

（4）遲后進(jìn)入：在組呼過程中使用，以使那些沒有在呼叫發(fā)起時(shí)加入呼叫的用戶有機(jī)會(huì)自動(dòng)遲后加入。

（5）遙開遙閉：一般由系統(tǒng)管理員使用，來遙控用戶開啟/關(guān)閉業(yè)務(wù)。

（6）強(qiáng)插強(qiáng)拆：強(qiáng)插是指調(diào)度臺(tái)能夠插入一個(gè)正在進(jìn)行的呼叫中，在網(wǎng)絡(luò)中的流程和調(diào)度臺(tái)搶權(quán)的流程類似；強(qiáng)拆是指調(diào)度臺(tái)能夠?qū)⒄谶M(jìn)行的呼叫進(jìn)行拆線。

通過專業(yè)的語(yǔ)音集群調(diào)度功能，國(guó)家電網(wǎng)公司可以實(shí)現(xiàn)快速有效的信息溝通，為第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)緊急情況并采取有效措施、聯(lián)合行動(dòng)等工作提供快捷有效的通信。

3 無線專網(wǎng)建設(shè)方案分析

由于國(guó)家電網(wǎng)公司各省市之間相對(duì)獨(dú)立，因此無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以單個(gè)城市為基礎(chǔ)，暫不考慮不同城市之間、不同省之間的互聯(lián)互通，也暫不考慮全國(guó)層面的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

本文以南京為例，提出南京國(guó)家電網(wǎng)公司無線通信專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，其他省市可參考南京的規(guī)劃流程和規(guī)劃方法，并根據(jù)自己實(shí)際的業(yè)務(wù)需求和建筑地形等情況，就業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃等方面進(jìn)行調(diào)整，提出各省市的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

3.1 方案說明

（1）業(yè)務(wù)需求

本期南京公司無線專網(wǎng)規(guī)劃全部國(guó)家電網(wǎng)公司IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）延伸業(yè)務(wù)，前期考慮線路巡檢、移動(dòng)作業(yè)、應(yīng)急指揮、智能抄表等低速率業(yè)務(wù)，后期根據(jù)情況考慮無線視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等高速率業(yè)務(wù)。

（2）工作頻段

采用1.4GHz（1.447—1.467GHz）專網(wǎng)頻段，帶寬為20MHz，采用同頻復(fù)用。

（3）時(shí)隙配置

采用DL：UL為2：2的時(shí)隙配置，特殊子幀采用10：2：2配置。但設(shè)備需要具備時(shí)隙調(diào)整的能力，便于進(jìn)行不同時(shí)隙配置或交叉時(shí)隙干擾等驗(yàn)證項(xiàng)目。

（4）覆蓋范圍

南京公司無線專網(wǎng)覆蓋南京全市，包括江南六區(qū)、江寧、浦口、六合、高淳、溧水等區(qū)域。以室外覆蓋為主要導(dǎo)向，要求將智能抄表和智能家居的集中器放置在樓頂或者地面無遮擋的空曠處。

3.2 業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)和容量規(guī)劃

（1）單用戶速率需求

根據(jù)相關(guān)研究表明，遠(yuǎn)程抄表和智能家居用戶服務(wù)將通信網(wǎng)絡(luò)延伸到用戶家庭，實(shí)現(xiàn)用戶信息、交易信息發(fā)布及用戶智能管理等服務(wù)功能，為每個(gè)用戶需提供約200bps的通信速率。因此，設(shè)定單用戶速率需求為200bps。

（2）用戶終端數(shù)量

用戶數(shù)主要考慮業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及未來3年內(nèi)的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。2013年南京城中五區(qū)戶籍總數(shù)為94.3萬戶，假設(shè)每戶1個(gè)終端，則共有終端94.3萬個(gè)，根據(jù)2010年至2013年的人口增長(zhǎng)情況，設(shè)定2014年至2016年的人口增長(zhǎng)率為0.5%。

（3）單載扇容量

本規(guī)劃采用DL：UL為2：2的時(shí)隙配置，特殊子幀采用10：2：2配置，綜合取定TD-LTE宏基站小區(qū)單載扇上下行數(shù)據(jù)速率為10Mbps/20Mbps。

（4）容量規(guī)劃結(jié)果

根據(jù)用戶預(yù)測(cè)和單載扇容量取定，本項(xiàng)目的容量規(guī)劃結(jié)果具體如表1所示。

從容量規(guī)劃結(jié)果來看，在TD-LTE載扇平均負(fù)荷50%的情況下，截至2016年該區(qū)域需配置39個(gè)載扇，如采用S111配置，需13個(gè)基站。

3.3 覆蓋規(guī)劃

覆蓋規(guī)劃中的損耗主要包括設(shè)計(jì)規(guī)劃中應(yīng)考慮的其他損耗，主要有建筑物穿透損耗和陰影衰落余量。本規(guī)劃中要求將集中器放置在樓頂或者地面無遮擋的空曠處，穿透損耗可取0dB。

選用COST231模型，鏈路預(yù)算具體如表2所示。

根據(jù)鏈路預(yù)算，南京各區(qū)所需基站數(shù)量具體如表3所示。

由表3可知，為滿足覆蓋需求，共需基站333個(gè)。容量規(guī)劃所需的站點(diǎn)數(shù)量（13個(gè)）小于覆蓋規(guī)劃所需的站點(diǎn)數(shù)量，站點(diǎn)數(shù)量以覆蓋規(guī)劃的需求為準(zhǔn)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全分析及解決方案

安全是電力生產(chǎn)關(guān)心的核心問題。無線技術(shù)沒有在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的原因除了頻點(diǎn)的問題外，最主要的顧慮是無線網(wǎng)絡(luò)，特別是無線公網(wǎng)的安全性問題。

對(duì)自建無線專網(wǎng)所構(gòu)成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，需要從終端、傳輸（鏈路、網(wǎng)絡(luò)）、系統(tǒng)（應(yīng)用、主機(jī)）等方面開展風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，分析網(wǎng)絡(luò)可能受到的各種攻擊和存在的風(fēng)險(xiǎn)，具體如圖2所示。

終端風(fēng)險(xiǎn)主要包括終端物理完整性及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)漏洞及非法軟件風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備非法使用風(fēng)險(xiǎn)等，如因系統(tǒng)漏洞、非法軟件、IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼）號(hào)偽造等造成的關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失。

傳輸風(fēng)險(xiǎn)是指通過無線網(wǎng)絡(luò)通道發(fā)生的信息非法截獲和篡改以及非法終端的接入風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)威脅是指應(yīng)用系統(tǒng)資源非授權(quán)訪問、敏感數(shù)據(jù)泄露、網(wǎng)絡(luò)攻擊等風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，將采取以下安全措施進(jìn)行防范：

（1）終端安全措施

移動(dòng)終端數(shù)據(jù)加密：移動(dòng)終端利用硬件密碼算法對(duì)數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)行非對(duì)稱方式及對(duì)稱方式的高強(qiáng)度加密，防止在設(shè)備遺失情況下泄密。

移動(dòng)終端安全性：移動(dòng)終端通過證書系統(tǒng)實(shí)行安全防護(hù)，由安全接入平臺(tái)對(duì)移動(dòng)終端身份進(jìn)行高度認(rèn)證和接入仲裁，確保接入合法性，審計(jì)非法接入信息。

用戶權(quán)限驗(yàn)證：用戶在線登錄時(shí)，自動(dòng)獲取主站系統(tǒng)最新的權(quán)限信息，驗(yàn)證登錄用戶訪問權(quán)限。訪問權(quán)限包括數(shù)據(jù)下載權(quán)限、數(shù)據(jù)字段訪問權(quán)限以及任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)提交權(quán)限等。

（2）傳輸安全措施

通道加密：在核心網(wǎng)中采用APN（Access Point Name，接入點(diǎn)）/VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）、承載網(wǎng)中采用隧道技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行加密，保障數(shù)據(jù)傳輸通道的私有性和安全性。

數(shù)字證書：采用數(shù)字證書和通道加密相結(jié)合，對(duì)終端進(jìn)行合法性驗(yàn)證，禁止非法終端的接入。

（3）系統(tǒng)安全措施

服務(wù)端身份驗(yàn)證：通過對(duì)移動(dòng)終端的認(rèn)證信息，依據(jù)安全策略，以數(shù)字證書系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)移動(dòng)終端身份進(jìn)行高強(qiáng)度認(rèn)證和接入仲裁，確保接入合法性，審計(jì)非法接入信息。

安全接入防護(hù)：對(duì)于接入的移動(dòng)終端采用安全接入系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)證監(jiān)控。安全接入系統(tǒng)作為安全接入平臺(tái)的重要組成部分，提供移動(dòng)終端以安全專網(wǎng)方式接入信息內(nèi)網(wǎng)時(shí)的設(shè)備接入認(rèn)證、數(shù)據(jù)隔離交換、實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)安全檢查等核心邊界接入防護(hù)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從TD-LTE集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)鏈、關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)內(nèi)應(yīng)用等方面進(jìn)行研究，在重點(diǎn)分析TD-LTE集群系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)能力、安全性、集群功能等的基礎(chǔ)上，闡述了基于國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)的建設(shè)方案。

綜上所述，采用TD-LTE集群系統(tǒng)建設(shè)國(guó)家電網(wǎng)公司無線專網(wǎng)在技術(shù)上是可行的，并基于國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)際情況，提出了滿足遠(yuǎn)程抄表和智能家居業(yè)務(wù)的南京公司無線專網(wǎng)建設(shè)方案。

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