面向電力業(yè)務(wù)接入的跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)

邵煒平，陸陽(yáng)，李建岐，馬平，張東磊

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面向電力業(yè)務(wù)接入的跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)

邵煒平1，陸陽(yáng)2，李建岐2，馬平3，張東磊2

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000； 2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209； 3. 國(guó)網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

對(duì)電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的通信需求進(jìn)行了分析，提出了面向電力業(yè)務(wù)接入的跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)核心理念，可以同時(shí)滿(mǎn)足電網(wǎng)高速寬帶、低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接等多業(yè)務(wù)接入需求。具體提出了基于統(tǒng)一核心網(wǎng)融合方式的跨頻段無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、跨頻段多信道傳輸與基于QCI優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流調(diào)度技術(shù)以及跨頻段無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方案。研究表明，跨頻段融合無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)兼具LTE230、LTE1800優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足電網(wǎng)寬帶、窄帶業(yè)務(wù)接入需求，相關(guān)方案的實(shí)施具有必要性和可行性，為電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的深化應(yīng)用提供了支撐。

長(zhǎng)期演進(jìn)；無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)；跨頻段；融合；寬窄一體

1 引言

終端通信接入網(wǎng)是電力系統(tǒng)骨干通信網(wǎng)的延伸，負(fù)責(zé)提供配電與用電業(yè)務(wù)終端同電力骨干通信網(wǎng)的連接[1]。“十三五”期間，國(guó)家高度重視配用電智能化發(fā)展，要求終端通信接入網(wǎng)能夠快速、靈活、高效地為各種業(yè)務(wù)提供支撐。智能配用電應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)承載需求多樣、傳輸可靠性要求高、終端分布區(qū)域廣、測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)多、易受配電網(wǎng)擴(kuò)容和城建影響。在部分場(chǎng)景下，光纖通信受施工難度大、建設(shè)周期長(zhǎng)、難以全覆蓋等因素制約。無(wú)線(xiàn)通信具有無(wú)須通信通道建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)部署快、系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)等巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，電網(wǎng)公司通過(guò)建設(shè)電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)可以為業(yè)務(wù)傳輸提供可靠性、安全性保障，并可節(jié)省租用運(yùn)營(yíng)商無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)的費(fèi)用。電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)已成為智能配用電終端通信接入網(wǎng)的重要組成部分。

目前，國(guó)內(nèi)主流電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)均采用長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）技術(shù)體制，基于230 MHz（LTE230）和1 800 MHz（LTE1800）兩種頻段開(kāi)展電力無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)建設(shè)[2-4]。以國(guó)家電網(wǎng)公司為例，已先后在浙江、江蘇、重慶、天津、福建等地開(kāi)展了LTE230、LTE1800無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的試點(diǎn)應(yīng)用，取得了初步成效。從應(yīng)用效果來(lái)看[5,6]，LTE230基于223~235 MHz電力行業(yè)授權(quán)頻段，具有覆蓋遠(yuǎn)、組網(wǎng)成本低等優(yōu)勢(shì)，然而由于電力行業(yè)僅獲準(zhǔn)使用該頻段中非連續(xù)的1 MHz帶寬（共40個(gè)信道，單信道25 kHz），網(wǎng)絡(luò)容量暫時(shí)不足，尚難完全滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的多業(yè)務(wù)承載需求。LTE1800完全基于公網(wǎng)LTE技術(shù)，能夠提供高帶寬業(yè)務(wù)保障，具備從核心網(wǎng)、基站到終端的完善的產(chǎn)業(yè)鏈，然而電網(wǎng)公司需要單獨(dú)申請(qǐng)1 785~1 805 MHz頻段，單基站覆蓋半徑小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本較LTE230偏高?？傮w來(lái)看，兩種技術(shù)體系各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別適合不同的電力業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的通信需求也在快速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)作為電網(wǎng)公司自有資產(chǎn)，如何實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)同時(shí)承載電網(wǎng)寬帶、窄帶差異化業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)多能”，成為亟待解決的問(wèn)題。從目前應(yīng)用情況來(lái)看，基于LTE230或LTE1800單頻組網(wǎng)方式的無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)尚難同時(shí)滿(mǎn)足傳輸帶寬、可靠性和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍要求，并且產(chǎn)品之間相互獨(dú)立，接入網(wǎng)傳輸層面未能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，使得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)支撐智能配用電業(yè)務(wù)的實(shí)用性受到限制。參考文獻(xiàn)[7]對(duì)電力LTE異頻組網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了初步探討，但在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)承載與調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等方面仍有待進(jìn)一步明確。因此，提出充分利用LTE230和LTE1800的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)性，在繼續(xù)發(fā)揮230 MHz無(wú)線(xiàn)頻譜資源優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，采用先進(jìn)技術(shù)優(yōu)化傳輸效率，深入挖掘1 800 MHz頻段性能，建設(shè)跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一核心網(wǎng)的融合以及跨頻段多信道傳輸，滿(mǎn)足電力高速寬帶、低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接業(yè)務(wù)安全接入需求，為電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的深化應(yīng)用提供支撐。

2 電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通信需求

面向智能配用電終端通信接入網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，并結(jié)合成本測(cè)算，無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)適合于業(yè)務(wù)終端分布密度較為集中、安全性要求高的場(chǎng)景。按照供電區(qū)域進(jìn)行劃分[8]，在光纖建設(shè)困難的A+、A類(lèi)供電區(qū)域以及B、C類(lèi)供電區(qū)域開(kāi)展無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)可以承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型主要分為電網(wǎng)控制類(lèi)、信息采集類(lèi)、移動(dòng)應(yīng)用類(lèi)3種，具體描述如下。

? 部分業(yè)務(wù)通信傳輸容量大，實(shí)時(shí)性要求較高，如視頻監(jiān)控、智能營(yíng)業(yè)廳業(yè)務(wù)等。單業(yè)務(wù)終端傳輸速率需求可達(dá)4 Mbit/s，如果考慮業(yè)務(wù)的并發(fā)性，對(duì)帶寬需求還將提高。

? 部分業(yè)務(wù)通信傳輸容量不大，但對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求非常高，如配電自動(dòng)化、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、分布式電源監(jiān)控、主動(dòng)配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)等。以精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)為例，要求端到端通信時(shí)延在毫秒級(jí)，且要求控制的安全可靠[9]；配電自動(dòng)化要求實(shí)現(xiàn)“遙控”的可靠性，以支撐電網(wǎng)供電可靠性不低于99.999%的發(fā)展目標(biāo)等。

? 部分業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性、傳輸速率要求不高，但通信數(shù)量非常龐大、信息安全需求較高，如用電信息采集、電動(dòng)汽車(chē)充電樁、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。單業(yè)務(wù)終端傳輸速率需求在kbit/s量級(jí)，然而無(wú)線(xiàn)基站單扇區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可達(dá)上千個(gè)。

? 部分業(yè)務(wù)對(duì)移動(dòng)性、互動(dòng)化通信能力要求較高，如電力資產(chǎn)全壽命周期管理、移動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)巡檢、移動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)、企業(yè)管理相關(guān)業(yè)務(wù)等。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)因其組網(wǎng)靈活性，在該類(lèi)型業(yè)務(wù)承載上將扮演重要角色。

展望未來(lái)，隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，業(yè)務(wù)通信需求將進(jìn)一步提升，迫切要求電力通信網(wǎng)能夠適應(yīng)以特高壓電網(wǎng)為骨干、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型電網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)負(fù)荷的精準(zhǔn)控制；引入可視化、實(shí)時(shí)化、精益化的新型作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)各級(jí)電網(wǎng)重要廊道的監(jiān)視、巡檢；開(kāi)展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的新型業(yè)務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與電網(wǎng)的雙向互動(dòng)、用電精細(xì)化管理。如圖1所示，未來(lái)電力業(yè)務(wù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及寬帶業(yè)務(wù)并存，具有廣覆蓋、大連接、低時(shí)延、高可靠、高安全等特征，對(duì)電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的差異化業(yè)務(wù)支撐能力提出了更新、更高的要求。

圖1 電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通信需求

3 跨頻段融合與寬窄一體核心理念

LTE是第三代合作伙伴計(jì)劃（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）提出的“準(zhǔn)4G”技術(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)3GPP無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)向著更高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延和分組優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的方向演進(jìn)，包括分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（time division long term evolution，TD-LTE）與頻分雙工長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution frequency division duplex，LTE FDD）兩種方式[10-12]。目前，在LTE技術(shù)原理基礎(chǔ)上發(fā)展的用于電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要采用TD-LTE方式，以更好地滿(mǎn)足電力行業(yè)上下行非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)傳輸需求，具體包括LTE230和LTE1800。對(duì)現(xiàn)有LTE230、LTE1800系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)比可以看出，LTE230覆蓋性能優(yōu)異，但電力授權(quán)頻譜資源暫時(shí)不足，對(duì)部分熱點(diǎn)地區(qū)的寬帶業(yè)務(wù)承載能力有限；LTE1800系統(tǒng)滿(mǎn)足寬帶接入需求，但網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、穿墻性、與業(yè)務(wù)的適配性方面存在劣勢(shì)。如何在230 MHz基礎(chǔ)上，結(jié)合1 800 MHz頻段組建跨頻段融合電力無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在廣域覆蓋的同時(shí)兼顧局域熱點(diǎn)地區(qū)的高帶寬需求以及通信盲區(qū)的延伸覆蓋要求，成為亟待解決的問(wèn)題。結(jié)合電力無(wú)線(xiàn)通信需求及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提出了跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)核心理念，具體表現(xiàn)如下。

表1 LTE230與LTE1800相關(guān)技術(shù)參數(shù)的比較

所謂“寬”，有兩層含義：一是系統(tǒng)可用的工作頻段寬；二是系統(tǒng)能夠支撐寬帶業(yè)務(wù)。其中，系統(tǒng)可用的工作頻段既包括了電力授權(quán)的230 MHz窄帶頻段，也包括了1 800 MHz寬帶頻段，系統(tǒng)能夠支撐對(duì)傳輸速率、時(shí)延要求高的業(yè)務(wù)。目前，終端通信接入網(wǎng)朝著智能化的方向發(fā)展，視頻監(jiān)控、精準(zhǔn)負(fù)荷控制均是其中重要的業(yè)務(wù)類(lèi)型。

所謂“窄”，也有兩層含義：一是兼容原有窄帶LTE230終端及業(yè)務(wù)；二是系統(tǒng)能夠支撐低速、廣深覆蓋等電力物聯(lián)業(yè)務(wù)。為了充分利用已建設(shè)的電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，不造成資源浪費(fèi)，跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)必須具有前向兼容能力，兼容原有窄帶LTE230終端及業(yè)務(wù)。此外，目前國(guó)內(nèi)外掀起了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究、芯片研發(fā)、模組研制的熱潮，旨在實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。電力行業(yè)具有大量的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)等具有“小數(shù)據(jù)”特征的業(yè)務(wù)，要實(shí)現(xiàn)真正的電網(wǎng)智能化，電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)必須引入先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)廣深覆蓋、低功耗相關(guān)技術(shù)，支撐電力低速業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的泛在互聯(lián)。

在此基礎(chǔ)上，形成跨230 MHz和1 800 MHz融合的、寬窄一體的電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)同時(shí)包含寬帶通信終端和窄帶通信終端，能夠同時(shí)支持視頻監(jiān)控等高速寬帶、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等低時(shí)延高可靠、采集監(jiān)測(cè)等低速、廣深覆蓋等多樣化業(yè)務(wù)終端接入，并實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)公司不同業(yè)務(wù)平臺(tái)的對(duì)接。系統(tǒng)基于跨頻段融合基站設(shè)備、核心網(wǎng)設(shè)備，采用跨頻段多信道傳輸與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流調(diào)度技術(shù)來(lái)同時(shí)承載電網(wǎng)差異化業(yè)務(wù)需求，從而實(shí)現(xiàn)電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的“一網(wǎng)多能”，為推動(dòng)電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的深化應(yīng)用指明了方向?？珙l段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)示意圖如圖2所示。

4 跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)方案

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE230和LTE1800跨頻段融合實(shí)現(xiàn)多頻組網(wǎng)，可以采用緊融合和松融合兩種方式。緊融合方式是指LTE230和LTE1800采用統(tǒng)一核心網(wǎng)、統(tǒng)一基站，通過(guò)在基站中采用不同的板卡，以使兩者完全融合，僅在空口上分為L(zhǎng)TE230和LTE1800獨(dú)立天線(xiàn)接入，這種方式又稱(chēng)為統(tǒng)一核心網(wǎng)的融合方式。松融合方式是指LTE230和LTE1800采用獨(dú)立核心網(wǎng)、獨(dú)立基站，僅在上層協(xié)議實(shí)現(xiàn)融合，這種方式也可稱(chēng)為獨(dú)立核心網(wǎng)的融合方式。

圖2 跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)示意圖

在統(tǒng)一核心網(wǎng)融合方式中，LTE230和LTE1800采用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)層和媒體接入控制（media access control，MAC）層的融合，不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換。在圖3（a）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，將LTE230和LTE1800無(wú)線(xiàn)通道在MAC層及以上統(tǒng)一，但基站設(shè)計(jì)需要考慮LTE230和LTE1800無(wú)線(xiàn)頻率、帶寬等不同，采用獨(dú)立的參數(shù)以及調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)物理層（physical layer，PHY）。因此，基站需采用LTE230和LTE1800不同板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足二者的差異化要求。該方式下，LTE230終端和LTE1800終端之間通信非常簡(jiǎn)便，不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程。

在獨(dú)立核心網(wǎng)融合方式中，LTE230和LTE1800采用獨(dú)立核心網(wǎng)和基站。在圖3（b）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，將LTE230和LTE1800無(wú)線(xiàn)通道在網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議層實(shí)現(xiàn)融合。該方式下，LTE230終端和LTE1800終端之間通信需要進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

從提高業(yè)務(wù)承載效率、降低無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)成本的角度出發(fā)，采用統(tǒng)一核心網(wǎng)融合方式更具備優(yōu)勢(shì)。因此，在設(shè)備層面，須實(shí)現(xiàn)跨頻段融合、寬窄一體核心網(wǎng)，可同時(shí)接入LTE230基站和LTE230終端、LTE1800基站和LTE1800終端；實(shí)現(xiàn)跨頻段融合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)管系統(tǒng)，在同一套網(wǎng)管上完成對(duì)LTE230、LTE1800多個(gè)頻段無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的設(shè)備管理；實(shí)現(xiàn)LTE230、LTE1800跨頻段融合無(wú)線(xiàn)基站，通過(guò)不同板卡或軟件升級(jí)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)230 MHz和1 800 MHz無(wú)線(xiàn)射頻模塊的接入?？珙l段融合基站基于分布式架構(gòu)，包括基帶單元（base band unit，BBU）和射頻單元（radio remote unit，RRU），兩者之間相互分離，傳輸?shù)氖腔鶐盘?hào)，可以使用光纖來(lái)傳輸，傳輸距離一般在5 km以上。在上述統(tǒng)一核心網(wǎng)融合方式下，LTE230以實(shí)現(xiàn)廣域、深度覆蓋為目標(biāo)，LTE1800可以在LTE230的覆蓋范圍內(nèi)部署，也可以在LTE230的覆蓋范圍外部署，并重點(diǎn)通過(guò)LTE1800覆蓋業(yè)務(wù)集中、數(shù)據(jù)量大的熱點(diǎn)區(qū)域（如變電站內(nèi)視頻監(jiān)控），從而滿(mǎn)足差異化業(yè)務(wù)接入需求。由于部分場(chǎng)景下，在變電站內(nèi)建設(shè)基站導(dǎo)致一些距離變電站較遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接入存在困難，因此可以通過(guò)在變電站部署B(yǎng)BU，利用光纖將信號(hào)延伸到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)附近再部署RRU，從而解決網(wǎng)絡(luò)的弱覆蓋問(wèn)題。對(duì)于地下室、管井等通常無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的弱覆蓋區(qū)域，可以采用無(wú)線(xiàn)終端的自組織多跳級(jí)聯(lián)組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)末端業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的靈活接入。

4.2 業(yè)務(wù)承載與調(diào)度

跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的初衷是實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)承載，因此需要按照電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)定，采取多種措施將生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)傳輸通道進(jìn)行物理隔離[13]。提出跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通過(guò)空口不同的頻率、時(shí)隙資源，基站雙跨頻段基帶板、傳輸板/端口，雙跨頻段核心網(wǎng)/板卡和物理隔離的同步數(shù)字序列（synchronous digital hierarchy，SDH）/多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（multi-service transport platform，MSTP）通道為不同的業(yè)務(wù)提供專(zhuān)線(xiàn)通道，實(shí)現(xiàn)端到端的跨頻段多信道傳輸，并通過(guò)接入點(diǎn)名稱(chēng)（access point name，APN）/虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（virtual private network，VPN）實(shí)現(xiàn)管理信息大區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)之間的邏輯隔離。

如圖4所示，作為一個(gè)例子，采集業(yè)務(wù)終端、移動(dòng)業(yè)務(wù)終端、配電業(yè)務(wù)終端、精控業(yè)務(wù)終端分別通過(guò)不同的無(wú)線(xiàn)終端以及RRU接入，其中，RRU230代表LTE230的射頻單元，RRU1800代表LTE1800的射頻單元，并通過(guò)可以靈活配比的、不同的空口接入頻率或時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)的物理隔離?；静捎秒p跨頻段基帶板、傳輸板/端口，并盡可能利用變電站等電網(wǎng)公司自有物業(yè)進(jìn)行建設(shè)。核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)在市公司通信機(jī)房的地市部署，不同的核心網(wǎng)設(shè)備/板卡分別承載生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)。其中，針對(duì)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）要求高的精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)，為其分配專(zhuān)用的時(shí)域、頻域資源，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)線(xiàn)通道傳輸，其他業(yè)務(wù)則采用共享網(wǎng)絡(luò)接入方式，由系統(tǒng)提供QoS優(yōu)先級(jí)保障。提出LTE230、LTE1800射頻單元均可接入電網(wǎng)控制類(lèi)終端（如配電自動(dòng)化“三遙”、精準(zhǔn)負(fù)荷控制），實(shí)現(xiàn)更快速、更安全的控制；用電信息采集、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等信息采集類(lèi)終端重點(diǎn)由LTE230來(lái)接入，滿(mǎn)足未來(lái)信息采集量更多、頻次更高的要求；移動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)等移動(dòng)應(yīng)用類(lèi)終端重點(diǎn)由LTE1800來(lái)接入，滿(mǎn)足電網(wǎng)公司各專(zhuān)業(yè)、隨時(shí)隨地支撐現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)（特別是視頻監(jiān)控類(lèi)高帶寬業(yè)務(wù)）的要求。

圖4 跨頻段多信道傳輸實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)承載

跨頻段多信道傳輸離不開(kāi)高效業(yè)務(wù)調(diào)度技術(shù)的支撐。提出基于業(yè)務(wù)QoS參數(shù)（QoS class identifier，QCI）優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流調(diào)度，通過(guò)為不同業(yè)務(wù)配置QCI優(yōu)先級(jí)，針對(duì)QCI優(yōu)先級(jí)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸資源保障。首先，根據(jù)不同電力數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、傳輸速率、可靠性的不同需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)所承載的電力數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。基站調(diào)度時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)QCI優(yōu)先級(jí)來(lái)分配時(shí)隙、頻率資源，優(yōu)先保證控制類(lèi)低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)接入。當(dāng)檢測(cè)到擁塞時(shí)，丟棄位于嚴(yán)重?fù)砣撝岛蟮牡蛢?yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，一方面優(yōu)先保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS需求，另一方面緩解了擁塞節(jié)點(diǎn)的擁塞程度。在為被丟棄的低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)重新建立傳輸通道時(shí)，綜合考慮備選路徑的時(shí)延與可用帶寬，不僅可以保證業(yè)務(wù)的QoS，且優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)資源，均衡了整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

4.3 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

面向智能配用電終端通信接入網(wǎng)的跨頻段無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)可同時(shí)承載生產(chǎn)控制大區(qū)、管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)跨接在物理隔離的兩張信息內(nèi)網(wǎng)之間，可能引起兩張網(wǎng)絡(luò)的物理隔離被打破，造成潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)是不可或缺的一環(huán)。其中，配電環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)處于生產(chǎn)控制大區(qū)，直接服務(wù)于生產(chǎn)調(diào)度，對(duì)安全防護(hù)等級(jí)要求較高。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為了保證控制的安全可靠性，具備遙控功能的業(yè)務(wù)應(yīng)優(yōu)先采用專(zhuān)網(wǎng)通信方式，保證一次設(shè)備的安全運(yùn)行，如采用無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息接入應(yīng)符合相關(guān)安全防護(hù)規(guī)定，并有嚴(yán)格的安全防護(hù)策略。與此同時(shí)，隨著分時(shí)電價(jià)、階梯電價(jià)、遠(yuǎn)程費(fèi)控等用電營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)，用電環(huán)節(jié)對(duì)通信安全性的要求進(jìn)一步提高，電價(jià)和用電信息的傳送必須要有安全、穩(wěn)定、可靠的通信通道。在采用電力通信專(zhuān)用通道傳輸此類(lèi)信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信息安全要在原有用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上達(dá)到更高的層次。綜上所述，根據(jù)電力通信網(wǎng)安全防護(hù)總體要求，電力通信接入網(wǎng)安全接入方案應(yīng)根據(jù)不同安全分區(qū)特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)分別設(shè)計(jì)防護(hù)措施，并重點(diǎn)在主站側(cè)、終端側(cè)和邊界處予以部署[13]，其總體框架如圖5所示。

結(jié)合上述分析，并借鑒4G無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)的安全防護(hù)機(jī)制以及LTE無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)可采用的安全防護(hù)策略，提出面向跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的安全防護(hù)方案，主要包括：

? 空口以不同的時(shí)隙、頻率實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的物理隔離；

? 跨頻段融合基站以不同的基帶板卡實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的物理隔離；

? 跨頻段融合基站與核心網(wǎng)間采用SDH/MSTP單獨(dú)通道或網(wǎng)際安全協(xié)議（internet protocol security，IPSec）加密傳輸，優(yōu)先考慮使用SDH/MSTP單獨(dú)通道，不同業(yè)務(wù)的SDH板卡實(shí)現(xiàn)物理隔離；

? 跨頻段融合核心網(wǎng)以不同設(shè)備/板卡對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行隔離；

? 通信終端與安全接入分區(qū)接入設(shè)備之間采用VPN進(jìn)行邏輯業(yè)務(wù)通道隔離，加強(qiáng)安全加密措施；

? 業(yè)務(wù)終端MAC地址綁定，防止合法終端被竊取后，被不法人員用于攻擊網(wǎng)絡(luò)；

? 通信終端可采用國(guó)際移動(dòng)用戶(hù)識(shí)別碼（international mobile subscriber identity，IMSI）綁定措施，采用eSIM形態(tài)，消除終端被盜用、復(fù)制的可能性；

? 對(duì)終端與基站之間數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸、完整性保護(hù)，防止空口數(shù)據(jù)被截獲，實(shí)現(xiàn)信息隱蔽；

? 對(duì)終端與核心網(wǎng)之間采用非接入層（non-access stratum，NAS）加密、雙向認(rèn)證鑒權(quán)、完整性保護(hù)，防止偽基站竊取、篡改終端數(shù)據(jù)，偽終端入侵網(wǎng)絡(luò)以及高層控制信令被截獲和篡改；

? 通過(guò)以上措施，對(duì)跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)承載電力業(yè)務(wù)接入，特別是配電自動(dòng)化“三遙”、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等電網(wǎng)控制類(lèi)業(yè)務(wù)提供有效的安全防護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

LTE無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)是智能配用電終端通信接入網(wǎng)的重要組成部分，然而現(xiàn)階段基于230 MHz、1 800 MHz單頻組網(wǎng)方式建設(shè)的LTE無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)尚難同時(shí)滿(mǎn)足傳輸帶寬、可靠性和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍要求。結(jié)合電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通信需求分析，指出未來(lái)電網(wǎng)業(yè)務(wù)將呈現(xiàn)高速寬帶、低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接等差異化屬性。以業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)為牽引，提出了面向電力業(yè)務(wù)接入的跨頻段融合與寬窄一體無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)核心理念，形成了跨230 MHz和1 800 MHz、從核心網(wǎng)層面深度融合的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。提出了230 MHz和1 800 MHz具備業(yè)務(wù)覆蓋側(cè)重、生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)與管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)傳輸通道端到端物理隔離的跨頻段多信道傳輸方案，基于QCI優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流調(diào)度技術(shù)以及符合電力通信接入網(wǎng)安全接入總體要求的跨頻段無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方案，為電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的深化應(yīng)用與不斷演進(jìn)提供了支撐。

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Cross-band fusion and wide-narrow integrated wireless private network oriented electric service access

SHAO Weiping1, LU Yang2, LI Jianqi2, MA Ping3, ZHANG Donglei2

1. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310000, China 2. Global Energy Interconnection Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China 3. State Grid Shaoxing Electric Power Supply Company, Shaoxing 312000, China

The communication requirements of electric wireless private network were analyzed, and the core idea of cross-band fusion and wide-narrow integrated wireless private network oriented electric service access was proposed, meeting the needs of multiple service access simultaneously, such as high speed broadband services, low delay and high reliability services, as well as wide coverage and large connection services. Research shows that cross band fusion based wireless private network has the advantages of both LTE230 and LTE1800, and it can meet the needs of broadband and narrowband service access in the power grid. The implementation of the related schemes is necessary and feasible, which provides support for the further application of the electric wireless private network.

long term evolution, wireless private network, cross band, fusion, broadband and narrowband integrated

TN 918.91

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018145

邵煒平（1976?），男，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司高級(jí)工程師、通信處副處長(zhǎng)，主要從事基于電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的通信應(yīng)用技術(shù)研究工作。

陸陽(yáng)（1984?），男，博士，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司高級(jí)工程師，主要從事無(wú)線(xiàn)通信、電力線(xiàn)載波通信及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究工作。

李建岐（1969?），男，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司高級(jí)工程師（教授級(jí)）、信息通信研究所副總工程師，主要從事電力通信技術(shù)研究及開(kāi)發(fā)工作。

馬平（1962?），男，國(guó)網(wǎng)紹興供電公司高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行管理工作。

張東磊（1986?），男，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司工程師，主要從事電力通信技術(shù)應(yīng)用研究工作。

2018?01?26；

2018?04?04

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目（No.5211SX16000L）

Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd. (No.5211SX16000L)