5G與WiFi6在水電站智慧運(yùn)維中的應(yīng)用研究

李甘 張茜茹 梁志開(kāi) 金能

摘要：科技進(jìn)步使智慧水電站的建設(shè)越來(lái)越成熟，除傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)接入之外，穩(wěn)定、高速、安全的全廠無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是水電站智慧運(yùn)維工作中的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。通過(guò)對(duì)5G與WiFi6在水電站無(wú)線組網(wǎng)方式中的對(duì)比研究，分析了5G，WiFi6及主要LPWAN技術(shù)的差異性與互補(bǔ)性，根據(jù)水電站智慧運(yùn)維各主要業(yè)務(wù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入與網(wǎng)絡(luò)安全需求，提出了現(xiàn)階段以工作在非授權(quán)頻段的WiFi6+LoRa技術(shù)作為水電站主要組網(wǎng)方式，并為長(zhǎng)期演進(jìn)至以工作在授權(quán)頻段的5G+NB-IoT技術(shù)為主要組網(wǎng)方式預(yù)留條件。

關(guān)鍵詞：智慧運(yùn)維; 5G; WiFi6; NB-IoT; LoRa

中圖法分類號(hào)：TN92文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.019

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）05 - 0104 - 05

0 引 言

作為最新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)在高速率、大容量、低時(shí)延等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中大放異彩，在工業(yè)、水利、電力等傳統(tǒng)行業(yè)的智慧化進(jìn)程中也扮演著重要角色。2020年，中國(guó)移動(dòng)四川公司、大唐公司、清華研究院攜手首次將5G技術(shù)應(yīng)用于水力發(fā)電領(lǐng)域，融合運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，推出5G水下機(jī)器人和5G無(wú)人機(jī)智能巡檢項(xiàng)目，助力水電站智慧化管理水平提升和行業(yè)智能化演進(jìn)[1]。

WiFi網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)之爭(zhēng)由來(lái)已久，新推出的802.11.ax（WiFi6）技術(shù)在速率、吞吐量、多設(shè)備接入、網(wǎng)絡(luò)安全性等方面都有了較大提升，是5G技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者[2-3]。在智慧校園[4]、智慧礦山[5]等領(lǐng)域，5G與WiFi6均實(shí)現(xiàn)了融合應(yīng)用。

本文基于5G、WiFi6及其相關(guān)低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等方面，分析了適合水電站智慧運(yùn)維應(yīng)用場(chǎng)景的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，為構(gòu)建完整的水電站智慧運(yùn)維體系奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 無(wú)線接入需求

根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)相關(guān)規(guī)定，水電站的系統(tǒng)架構(gòu)劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)（安全區(qū)Ⅰ、安全區(qū)Ⅱ）和管理信息大區(qū)（安全區(qū)Ⅲ、信息外網(wǎng)），在物理層次上劃分為過(guò)程層、單元層、廠站層，如圖1 所示。

由于涉及水電站的工控安全，目前生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)在無(wú)線接入的實(shí)踐方面還較為保守，大量的無(wú)線接入需求主要位于管理信息大區(qū)。目前，管理信息大區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要用于有線接入條件差的傳感器、終端設(shè)備、便攜式設(shè)備以及可穿戴設(shè)備等。

通信數(shù)據(jù)量大的設(shè)備一般直接高速接入無(wú)線主網(wǎng)，如PDA、AR眼鏡、智能安全帽、無(wú)人機(jī)、輪式機(jī)器人等，此類設(shè)備往往無(wú)法兼顧功耗與待機(jī)時(shí)間;可長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器則對(duì)功耗非常敏感，一般先接入低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN），再經(jīng)LPWAN網(wǎng)關(guān)匯聚后與主網(wǎng)通信，此類設(shè)備通常通信數(shù)據(jù)量極小，日常處于休眠模式。

根據(jù)現(xiàn)階段水電站智慧運(yùn)維相關(guān)的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景與需求，可將其無(wú)線接入的需求分為以下幾種類型，如表1所示。

機(jī)器人除輪式機(jī)器人外，還有軌道機(jī)器人和水下機(jī)器人。軌道機(jī)器人由于行走路徑確定，具備有線供電及通信的接入條件;水下機(jī)器人以ROV（Remote Operated Vehicle）型式為主[6]，通過(guò)臍帶電纜與水面母船連接，不通過(guò)無(wú)線網(wǎng)接入。

2 5G與WiFi6

5G與WiFi6作為目前最主流的新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各自具有自身獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與最佳應(yīng)用場(chǎng)景[7]。

在高速無(wú)線接入方面，作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重要基礎(chǔ)設(shè)施，近年來(lái)5G技術(shù)受到高度重視，得到了國(guó)家的大力支持，其高速率、大容量、低時(shí)延等特性使其在傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中也具有較為明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。5G雖熱，但由于水電站自身的特點(diǎn)，現(xiàn)階段全面推行5G技術(shù)作為高速無(wú)線接入方式還存在不少難點(diǎn)，因此WiFi6仍然是一個(gè)重要的可選項(xiàng)。相比于前幾代的WiFi技術(shù)，WiFi6作為第六代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有延時(shí)更低、容量更大、更安全、更省電的特點(diǎn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與管理

無(wú)線電頻譜資源是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性資源，受國(guó)家統(tǒng)一管控，5G網(wǎng)絡(luò)工作在授權(quán)頻段，須經(jīng)由電信運(yùn)營(yíng)商建設(shè)并運(yùn)營(yíng)，5G用戶對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)本身的建設(shè)與管理都沒(méi)有控制權(quán)。水電站大多建設(shè)在遠(yuǎn)離城市的偏遠(yuǎn)地區(qū)，5G信號(hào)覆蓋普遍較差，尤其是水電站內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、電磁干擾強(qiáng)度大，在水電站地下空間及室內(nèi)環(huán)境建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的成本高，需要部署較多的室內(nèi)基站才能實(shí)現(xiàn)有效覆蓋，而水電站內(nèi)5G用戶單一，投資回報(bào)率低，中小型水電站難以吸引電信運(yùn)營(yíng)商投資建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。

WiFi6則工作在非授權(quán)頻段（國(guó)家劃分的一部分業(yè)余業(yè)務(wù)可使用的頻段），WiFi6網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理可由發(fā)電企業(yè)自主實(shí)施，企業(yè)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全的需要對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)管控，且WiFi6網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本較5G相對(duì)低廉。

在建設(shè)成本、建設(shè)周期及網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)等方面，WiFi6網(wǎng)絡(luò)較5G有較大優(yōu)勢(shì)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

5G網(wǎng)絡(luò)在室外的覆蓋能力明顯優(yōu)于WiFi6，但在室內(nèi)，尤其是水電站地下空間內(nèi)的覆蓋能力取決于室內(nèi)微型基站的建設(shè)密度，而室內(nèi)場(chǎng)景是水電站最復(fù)雜、最重要的運(yùn)維場(chǎng)景之一，對(duì)無(wú)線高速接入的需求較高，這大大增加了水電站5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度與建設(shè)成本。

WiFi6網(wǎng)絡(luò)基于其低成本和部署便利性，在室內(nèi)的覆蓋效果優(yōu)于5G網(wǎng)絡(luò)。

2.3 通信質(zhì)量

在通信質(zhì)量方面，由于5G網(wǎng)絡(luò)部署在授權(quán)頻段，其抗干擾能力明顯優(yōu)于WiFi6網(wǎng)絡(luò)，WiFi6網(wǎng)絡(luò)部署的2.4G頻段也是藍(lán)牙和ZigBee等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的頻段，容易互相干擾。

有移動(dòng)性需求的終端設(shè)備在跨AP切換時(shí)，WiFi6網(wǎng)絡(luò)易產(chǎn)生掉線或丟包的情況，5G網(wǎng)絡(luò)則可實(shí)現(xiàn)無(wú)感切換。5G與WiFi6的技術(shù)對(duì)比如表2所示。

3 LPWAN

水電站的智慧運(yùn)維場(chǎng)景中，除高速無(wú)線接入需求外，還需要部署大量的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要電氣設(shè)備、水工建筑物、高危邊坡、水生態(tài)環(huán)境等各類觀測(cè)對(duì)象的立體在線監(jiān)視。物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)量大，安裝位置分散，難以一一提供可靠供電電源，需要依賴電池供電。5G與WiFi6等通信技術(shù)通信速率高、功耗大，電池?zé)o法支撐傳感器長(zhǎng)期運(yùn)行，接入LPWAN是物聯(lián)網(wǎng)傳感器的優(yōu)先選擇。

LPWAN是一種能夠以低比特率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)滿足覆蓋和續(xù)航的要求，是近年來(lái)國(guó)際上一項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)接入的革命性技術(shù)，遠(yuǎn)距離、低功耗、低運(yùn)維是LPWAN技術(shù)最大的特點(diǎn)。與現(xiàn)有的5G、WiFi6、藍(lán)牙、ZigBee[8]等技術(shù)相比，LPWAN真正實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的低成本覆蓋，目前主流的LPWAN技術(shù)為NB-IoT與LoRa[9]。

3.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與管理

NB-IoT工作在授權(quán)頻段，依賴運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一建設(shè)管理[10-11]。雖然NB-IoT基站可由現(xiàn)有蜂窩基站升級(jí)改造而來(lái)，但水電站一般地處偏遠(yuǎn)，現(xiàn)階段推動(dòng)運(yùn)營(yíng)商在水電站部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的難度較大。

基于LoRa技術(shù)則可建設(shè)一個(gè)工作在1 GHz以下非授權(quán)頻段的私有網(wǎng)絡(luò)，自主性更強(qiáng)?；贚oRa 網(wǎng)絡(luò)的私有特性，企業(yè)完成部署后，后續(xù)在承載應(yīng)用時(shí)不需要額外支付通信服務(wù)或流量費(fèi)用，且目前LoRa設(shè)備的通信模組價(jià)格也普遍比NB-IoT 更低，對(duì)發(fā)電企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)終端的一次性投入也能大幅下降。

3.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

LoRa工作在非授權(quán)頻段（中國(guó)主要使用470～518 MHz），頻譜優(yōu)勢(shì)較NB-IoT明顯。NB-IoT也具有較強(qiáng)的遠(yuǎn)距離覆蓋能力和穿透能力，二者的通信速率、單網(wǎng)接入容量、終端電池續(xù)航時(shí)間等技術(shù)性能均能滿足現(xiàn)有的運(yùn)維場(chǎng)景[12]。

由于LoRa工作在非授權(quán)頻段，其頻段使用的合法性與獨(dú)占性沒(méi)有保障。

3.3 產(chǎn)業(yè)鏈成熟度

NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)于2016年公布，除網(wǎng)絡(luò)部署之外，相應(yīng)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)鏈的建立還需要更長(zhǎng)的時(shí)間和努力去探索。此外，NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈還受到頻段、運(yùn)營(yíng)商等限制。

LoRa產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)已較為成熟，部分國(guó)家正在進(jìn)行或者已經(jīng)完成了全國(guó)性的LoRa網(wǎng)絡(luò)部署。

對(duì)終端節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，LoRa協(xié)議比NB-IoT更簡(jiǎn)單，更容易開(kāi)發(fā)并且對(duì)于微處理器的適用和兼容性更好。

NB-IoT與LoRa的技術(shù)對(duì)比如表3所示。

4 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，現(xiàn)有的水電站普遍沒(méi)有為無(wú)線組網(wǎng)預(yù)留充足的基礎(chǔ)條件，在做無(wú)線網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮技術(shù)的演進(jìn)方式，可統(tǒng)一考慮基站選址、基站組網(wǎng)、基站供電等共性問(wèn)題，以適應(yīng)不同的組網(wǎng)方式，避免后期重復(fù)建設(shè)。新建水電站則應(yīng)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，爭(zhēng)取直接建成覆蓋全廠的無(wú)線網(wǎng)，并具備網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的條件。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，工作在授權(quán)頻段的5G+NB-IoT技術(shù)組合有更正規(guī)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式、更合法的頻段保障、更有力的國(guó)家支持，是水電站無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)期規(guī)劃必須考慮的方案之一?，F(xiàn)階段工作在非授權(quán)頻段的WiFi6+LoRa技術(shù)組合則是更靈活、更敏捷、更易于落地的無(wú)線組網(wǎng)方案之一。從各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)來(lái)看，無(wú)論是5G+NB-IoT還是WiFi6+LoRa均可滿足現(xiàn)有的水電站智慧運(yùn)維無(wú)線接入需求。隨著5G產(chǎn)業(yè)鏈的逐步發(fā)展，在5G+NB-IoT專網(wǎng)建設(shè)模式成熟、建設(shè)成本大幅下降、企業(yè)擁有較高的控制權(quán)后[13]，WiFi6+LoRa網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)就會(huì)不再明顯。

目前5G專網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在智能電網(wǎng)中有探索性應(yīng)用，國(guó)家電網(wǎng)試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了基于5G專網(wǎng)的配電自動(dòng)化與差動(dòng)保護(hù)[14]，隨著擁有700 MHz優(yōu)質(zhì)頻段的廣電5G牌照落地[15]，5G+NB-IoT技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)方面有了更大的想象空間。對(duì)大多數(shù)水電站來(lái)說(shuō)，平滑的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)是更好的選擇。

5 結(jié) 語(yǔ)

理論上5G+NB-IoT比WiFi6+LoRa擁有更大的發(fā)展?jié)摿透叩募夹g(shù)天花板，但二者從技術(shù)層面均能較好滿足水電站現(xiàn)有的智慧運(yùn)維場(chǎng)景需求。受限于建設(shè)模式、工作頻段、網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等因素，目前WiFi6+LoRa網(wǎng)絡(luò)較5G+NB-IoT網(wǎng)絡(luò)存在一定優(yōu)勢(shì)。

除特大型水電站之外，現(xiàn)階段推薦以工作在非授權(quán)頻段的WiFi6+LoRa技術(shù)作為水電站主要無(wú)線組網(wǎng)方式，并預(yù)留遠(yuǎn)期演進(jìn)至以工作在授權(quán)頻段的5G+NB-IoT技術(shù)作為主要無(wú)線組網(wǎng)方式的條件，在條件成熟后可建設(shè)5G+NB-IoT專網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 四川移動(dòng).四川移動(dòng)首個(gè)5G智慧水電站落地[J].通信與信息技術(shù)，2020（6）：11.

[2] 馮磊，趙飛，譚鑫，等.WiFi 6對(duì)5G發(fā)展的影響[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2020，46（16）：39.

[3] 凌毓.WIFI6技術(shù)解讀及其對(duì)5G發(fā)展的影響分析[J].信息通信，2020（2）：268-269.

[4] 江波.5G技術(shù)和WiFi6技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（4）：28-30.

[5] 孫繼平，陳暉升.智慧礦山與5G和WiFi6[J].工礦自動(dòng)化，2019，45（10）：1-4.

[6] 譚界雄，田金章，王秘學(xué).水下機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及在水利行業(yè)的應(yīng)用前景[J].中國(guó)水利，2018（12）：33-36.

[7] 鄭磊.WiFi6與5G技術(shù)的性能對(duì)比與應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（16）：144-151.

[8] 劉文輝，雷四華，徐贊.無(wú)線通信ZigBee技術(shù)在中小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水利水電快報(bào)，2019，40（11）：74-77.

[9] 鄭寧，楊曦，吳雙力.低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J].信息通信技術(shù)，2017，11（1）：47-54.

[10] 戴國(guó)華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J].移動(dòng)通信，2016，40（7）：31-36.

[11] 鄒玉龍，丁曉進(jìn)，王全全.NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].中興通訊技術(shù)，2017，23（1）：43-46.

[12] 史東華，李然.基于LoRa技術(shù)的水文遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式研究[J].水利水電快報(bào)，2021，42（2）：68-72.

[13] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等. 5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2014，44（5）：551-563.

[14] 夏旭，袁欣，梁云，等. 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46（1）：17-21.

[15] 王斯薈.基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合的企業(yè)移動(dòng)物聯(lián)專網(wǎng)方案研究[J].通信技術(shù)，2020，53（8）：1952-1958.

（編輯：李 晗）

Research on application of 5G and WiFi6 in smart operation and maintenance of Hydropower Station

LI Gan1，ZHANG Qianru2， LIANG Zhikai1， JIN Neng1

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd，Wuhan 430010， China; 2. CISPDR Corporation， Wuhan? 430010，

China）

Abstract：With the gradual maturity of the objective conditions for scientific and technological progress， in addition to traditional wired network access， stable， high-speed， and safe plant-wide wireless network coverage is one of the important foundation facilities for smart operation and maintenance of hydropower stations. Through the comparative study of 5G and WiFi6 in the wireless networking of hydropower stations， the differences and complementarities of 5G and WiFi6 are analyzed. According to the wireless network access and network security requirements of the main businesses of smart operation and maintenance of hydropower stations， the solution is proposed： in the current stage， WiFi6+Lora technology working in an unlicensed frequency band is used as the main networking method for hydropower stations， and long-term evolution to using 5G+NB-IoT technology working in a licensed frequency band is reserved as the main networking method.

Key words： smart operation and maintenance; 5G; WiFi6; NB-IoT; LoRa

收稿日期：2021-07-01

作者簡(jiǎn)介：李 甘，男，工程師，碩士，主要從事水利信息化與數(shù)字孿生研究工作。E-mail：ligan@cjwsjy.com.cn