5G技術(shù)在電力應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究

王芮

【摘要】? ? “應(yīng)急通信”即為支持應(yīng)對突發(fā)或重大事件的通信，包含災(zāi)害發(fā)生地區(qū)、人口集聚數(shù)量較多的活動(dòng)現(xiàn)場等。為了保證通信質(zhì)量（如圖片、音視頻清晰度等），納入5G技術(shù)是必要的。本文分析了電力應(yīng)急通信中通信系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及需求分析，介紹了5G技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)的契合性，梳理了5G電力應(yīng)急通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路以及優(yōu)越性，希望5G技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，提高應(yīng)急通信質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G技術(shù)? ? 電力應(yīng)急通信? ? 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)? ?需求分析

引言：

現(xiàn)代意義的應(yīng)急通信一般是指在出現(xiàn)自然或人為的突發(fā)性緊急情況，或是在重要的節(jié)假日、重要活動(dòng)或會(huì)議現(xiàn)場，出現(xiàn)既有的通信系統(tǒng)無法承載驟然增多（或原系統(tǒng)被破壞）通信需求時(shí)，綜合利用多種通信資源，保證救援、緊急救助、維持必要的通信質(zhì)量所需的通信手段和通信質(zhì)量的應(yīng)急機(jī)制[1]。隨著5G技術(shù)的愈發(fā)成熟，該技術(shù)必然會(huì)應(yīng)用到電力應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)中。

一、電力應(yīng)急通信中通信系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及需求分析

1.1電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1.1針對突發(fā)或重大事件監(jiān)視的通信系統(tǒng)使用要求

通信系統(tǒng)又稱為電信系統(tǒng)，一般由具備特定功能、相互作用、相互依賴的若干單元組成完成同一目標(biāo)的有機(jī)整體。決定通信系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行的主要因素在于兩個(gè)方面，其一，穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng);其二，保證信號正常傳輸。在一些特殊情況下（比如某地區(qū)出現(xiàn)地震、山體滑坡等災(zāi)害，導(dǎo)致人員受困、通信受阻，或是某地正在舉辦大規(guī)模集會(huì)型活動(dòng)，或是召開重大會(huì)議，必須全程保持通信穩(wěn)定度等），均需將電力通信系統(tǒng)臨時(shí)升級到“應(yīng)急”狀態(tài)，確保通信順暢。具體的要求如下：

①應(yīng)急通信系統(tǒng)必須能夠支持預(yù)測和確認(rèn)國家或地方級重大突發(fā)事件。

②電信業(yè)務(wù)包含大量的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)、報(bào)警業(yè)務(wù)、出警業(yè)務(wù)。

③工作環(huán)境根據(jù)突發(fā)事件的緊急程度，需要覆蓋全國范圍或能夠溝通整個(gè)城市（管轄區(qū)域）。

④系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：保證各類業(yè)務(wù)的處理質(zhì)量，盡量提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，極盡可能提升電信網(wǎng)絡(luò)的安全性，信息內(nèi)容除了相關(guān)人員外，原則上不可向他人泄露。

1.1.2現(xiàn)場指揮系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能與設(shè)備

緊急情況下的現(xiàn)場指揮系統(tǒng)必須具備的功能與設(shè)備如下：

①電信業(yè)務(wù)方面，固定電話、固定會(huì)議電話、高清視頻及圖像;

②現(xiàn)場應(yīng)該臨時(shí)搭建最高級別（相對）指揮所，配置最高級別支持度的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。

1.1.3具體的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場多個(gè)方位不同畫面的同時(shí)直播信號傳輸，應(yīng)按照如下方式組網(wǎng)。

①常規(guī)情況下，由于通信基站處于正常工作狀態(tài)，故在3G/4G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的支持下，信號經(jīng)過基站的“轉(zhuǎn)發(fā)”，可支持不同終端用戶的通信需求。在緊急情況下，通信基站可能因被破壞（如遭遇地震、泥石流等而損毀），導(dǎo)致通信信號無法完成中轉(zhuǎn)處理，或是在大型活動(dòng)或重大會(huì)議現(xiàn)場，由于同時(shí)尋求通信連接的人數(shù)較多或是必須保證高質(zhì)量的信號傳輸，導(dǎo)致基站無法承載如此龐大的需求當(dāng)量，必須將性能更高的應(yīng)急通信基站車開赴現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場終端設(shè)備與通信公網(wǎng)之間的中轉(zhuǎn)。

②只要上述環(huán)節(jié)的通信質(zhì)量得以保證，即人們常規(guī)認(rèn)知中的“外網(wǎng)”時(shí)刻處于有效連接狀態(tài)，則應(yīng)急現(xiàn)場的“內(nèi)網(wǎng)”便可通過調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)多通路的信號傳輸，同時(shí)滿足多個(gè)用戶的通信需求。

1.2應(yīng)急情況下的電力通信需求分析

在應(yīng)急情況下，電力通信的主要需求如下：

（1）通信實(shí)現(xiàn)方式從“固定型”轉(zhuǎn)化為“移動(dòng)型、快捷型”的需求。比如針對地震、火災(zāi)的現(xiàn)場應(yīng)急指揮中心，受地形等環(huán)境的影響，很多大型直播設(shè)備沒有合適的布置場所。因此，只能攜帶便攜式直播設(shè)備，在極短時(shí)間內(nèi)完成搭建。

（2）保證傳輸信號的穩(wěn)定性和清晰度。為了更好地指揮現(xiàn)場工作，指揮中心必須盡可能地掌握全覆蓋范圍內(nèi)的所有信息。比如因山體滑坡導(dǎo)致某村落陷入危機(jī)狀態(tài)，整個(gè)山體及該村落多個(gè)方向的所有環(huán)境變化情況理論上均應(yīng)通過視頻或圖片的方式，實(shí)時(shí)傳遞至指揮中心，使現(xiàn)場人員多角度、高清晰度地觀看。在必要的情況下，相關(guān)畫面還應(yīng)傳遞至救援人員攜帶的終端智能設(shè)備中，從而提升救援成功幾率。

（3）保證通信信道的安全和電能的穩(wěn)定供應(yīng)。其一，當(dāng)前的無線通信信號主要通過微波、衛(wèi)星兩種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳輸。相比之下，采用微波通信方式時(shí)，如果距離較長，需通過“中繼”的方式，使信號依次經(jīng)過若干個(gè)相鄰的微波接力站，最終傳遞至目標(biāo)區(qū)域。如果特定位置的接力站無法發(fā)揮功能，則信道的安全性無法保證。在此種情況下，繞過常規(guī)的微波中繼站，將衛(wèi)星作為應(yīng)急中繼站，可保證信號的穩(wěn)定傳輸。其二，現(xiàn)場電能供應(yīng)。由于柴油發(fā)電機(jī)等設(shè)備的存在，用于應(yīng)急電能供應(yīng)的解決方式較多，無須擔(dān)心。

二、 5G技術(shù)應(yīng)用于電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的契合性分析

根據(jù)上文所述的應(yīng)急情況下的電力通信系統(tǒng)需求分析，5G技術(shù)與之具備極高的契合性。具體如下：在頻率帶寬、Massive MIMO（大規(guī)模天線）、調(diào)制技術(shù)、干擾消除、編碼技術(shù)五種空口技術(shù)中，4G技術(shù)能夠提供的支持參數(shù)以及運(yùn)行方式分別為20M典型值、2T、4T、8T/R、64QAM、無干擾消除、Turbo;5G技術(shù)對應(yīng)項(xiàng)為100M典型值、32T、64T/R、256QAM、IC或雙工NOMA干擾消除以及LTPC+Polar編碼技術(shù)[2]。

相較之下，在頻率帶寬、大規(guī)模天線、調(diào)制技術(shù)三個(gè)方面，5G與4G相比，速率分別增加5倍、16倍、1.25倍，干擾信號及誤碼率均大幅度降低。不僅如此，在信號傳輸速率、連接數(shù)密度等方面，5G的具體值分別為1Gbit/s和萬/km2，均是4G的10倍。而在峰值速率、平均速率、流量密度等性能指標(biāo)中，5G的具體值可達(dá)4G的15～20倍。由此可見，由于綜合能力更強(qiáng)，5G技術(shù)將會(huì)全面取代4G技術(shù)，在包含電力應(yīng)急通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域均會(huì)廣泛應(yīng)用。

三、5G技術(shù)在電力應(yīng)急通信中的具體應(yīng)用方式

3.1 5G電力應(yīng)急通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

5G技術(shù)應(yīng)用于電力應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心要素為5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，即利用SDN/NFV（網(wǎng)絡(luò)本身/網(wǎng)源）虛擬化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多終端之間的SLA（服務(wù)等級協(xié)議）保障、業(yè)務(wù)隔離、網(wǎng)絡(luò)功能按需定制等功能。簡言之，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是指按照特定的需求組建網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，可針對不同的應(yīng)急場景進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，避免單一模式應(yīng)用于不同場景而受到制約。5G電力應(yīng)急通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)的具體思路如下：

3.1.1現(xiàn)場信息采集

應(yīng)急通信車、便攜式設(shè)備、無人機(jī)等具備自主或被動(dòng)移動(dòng)能力的物品中均應(yīng)裝有高清攝像頭，根據(jù)應(yīng)急場景的實(shí)際情況，放置于不同的位置，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場情況并將有關(guān)視頻、圖像、音頻等信息傳遞至指揮中心。以此為基礎(chǔ)，處于不同位置的設(shè)備攜帶人員或人工智能設(shè)備（如機(jī)器人、無人機(jī)等）在接收到指揮中心發(fā)布的指令之后，立刻執(zhí)行相應(yīng)的操作，通過協(xié)調(diào)配合，保證現(xiàn)場情況朝著良好的方向發(fā)展。

3.1.2穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)通信信道的建立

應(yīng)用5G技術(shù)后，5G通信與原有的衛(wèi)星通信兩種方式可結(jié)合使用，共同承擔(dān)應(yīng)急現(xiàn)場音視頻、圖片等數(shù)據(jù)信息的無障礙迅速傳遞。此兩種技術(shù)結(jié)合運(yùn)用后，可在很大程度上客服現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境造成的不良影響，保證信息的實(shí)時(shí)無損傳輸。

3.1.3應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)

前文提到了應(yīng)急指揮中心應(yīng)該具備的功能和指導(dǎo)現(xiàn)場情況發(fā)展的需求分析。若要實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，指揮中心主站首先應(yīng)該具備專用的視頻處理服務(wù)器、視頻處理平臺，多區(qū)域視頻信號實(shí)時(shí)集中或分散顯示的大屏幕等。只有上述硬件設(shè)備全部具備后，主站的數(shù)據(jù)處理、傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)、顯示等才能長時(shí)間保持高質(zhì)量和穩(wěn)定性，進(jìn)而創(chuàng)造出良好的多方在線視頻會(huì)商、遠(yuǎn)程指揮工作的環(huán)境。

3.2 5G電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

5G電力應(yīng)急通信系統(tǒng)具備高清視頻回傳、能夠盡可能地提高清晰度與流暢性、支持多角度靈活切換等優(yōu)勢。具體而言：

（1）得益于5G技術(shù)，如具備特定功能的智能機(jī)器人（如地震后，探查危險(xiǎn)區(qū)域是否擁有生還人員的機(jī)器狗）、無人機(jī)、5G背包等，可實(shí)現(xiàn)地空聯(lián)合“直播”式的統(tǒng)一救援指揮，幾乎不會(huì)受地形環(huán)境的影響。以無人機(jī)為例，由于通信信道基于5G通信和衛(wèi)星通信兩種渠道而構(gòu)建，故地面控制無人機(jī)起飛后，可通過融合渠道向無人機(jī)內(nèi)置的智能系統(tǒng)下達(dá)指令。比如無人機(jī)攜帶高清攝像裝置飛到目標(biāo)區(qū)域后，可根據(jù)地面指令調(diào)整視角，搭載的攝像機(jī)鏡頭也能夠根據(jù)相關(guān)指令拉近/拉遠(yuǎn)。當(dāng)現(xiàn)場的實(shí)際情況通過全范圍無死角畫面實(shí)時(shí)傳遞至指揮中心后，有助于現(xiàn)場最高負(fù)責(zé)人更加精確地制定應(yīng)急處理方案。此外，由于融合通信方式可以保證極端的環(huán)境下的基礎(chǔ)信號傳輸穩(wěn)定性，故無須擔(dān)心信號中斷問題。

（2）上文提到，針對不同的現(xiàn)場環(huán)境需采用基于不同側(cè)重點(diǎn)的應(yīng)急方案。如地震、火災(zāi)現(xiàn)場，由于危險(xiǎn)系數(shù)極高，如消防、特種救援部隊(duì)等也無法深入現(xiàn)場探查實(shí)際情況。因此，需利用人工智能機(jī)器人替代人工，完成勘察工作。但實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中無障礙傳輸信號需建立在高成本投入的前提下，且人工智能設(shè)備也存在損毀的可能。故在一些情況不甚緊急、條件尚未達(dá)到極端嚴(yán)重的狀態(tài)下，可通過人工攜帶5G背包的方式，前往現(xiàn)場，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)信號的高清晰、無障礙傳輸。此種模式產(chǎn)生的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人工智能或直播車+衛(wèi)星直播的信號傳輸方式。

（3）與4G公共網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相比，應(yīng)用5G切片技術(shù)之后，支撐應(yīng)急系統(tǒng)的信號傳輸通道處于完全獨(dú)立以及安全隔離的狀態(tài)，不會(huì)占用區(qū)域公共無線通信信道，還能夠保證信號傳輸速度，幾乎不會(huì)出現(xiàn)延時(shí)等情況[3]。

四、結(jié)語

電力應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)該包含重要信息樞紐及指揮中心，結(jié)合邊緣計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，具備自組網(wǎng)能力，通過部署視頻監(jiān)控、調(diào)度指揮、綜合決策等豐富的應(yīng)用，提升應(yīng)急狀態(tài)下的電力通信水平。在該系統(tǒng)中，一方面，保證電能的穩(wěn)定供應(yīng);另一方面，提升信號的傳遞效率。上述兩項(xiàng)要素共同決定了應(yīng)急通信系統(tǒng)是否能夠維持穩(wěn)定的運(yùn)行，是否能夠及時(shí)傳遞準(zhǔn)確的信息，最終目的在于降低惡性影響，保障安全。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]劉鴻雁，鄭廣寧，車四四，等.量子加密技術(shù)在山東電力機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].信息通信，2020（09）：1-4.

[2]特古斯，金翠，李琦.5G通信技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用探討[J].中國新通信，2020，22（15）：1.

[3]袁詠詩. 波分復(fù)用技術(shù)及4G技術(shù)在電力應(yīng)急通信中的應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)，2018.