基于5G的電力通信終端研制及應(yīng)用

柯勝君

（中國(guó)通信建設(shè)第三工程局有限公司，湖北 武漢 430022）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，我國(guó)對(duì)5G通信技術(shù)的研究愈發(fā)深入。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，5G通信技術(shù)具備低延時(shí)、大連接、高帶寬等特點(diǎn)，不僅能夠?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化的應(yīng)用拓展提供助力，還能有效降低網(wǎng)絡(luò)覆蓋成本，滿足精準(zhǔn)負(fù)荷業(yè)務(wù)的研究要求。同時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其運(yùn)行條件相對(duì)特殊，常會(huì)有通信鏈路不確定、抖動(dòng)程度較大的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，需要相關(guān)技術(shù)人員加以重視。

1 5G通信技術(shù)的內(nèi)容

1.1 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)指需要多個(gè)天線共同進(jìn)行電波接收與發(fā)射的傳輸技術(shù)，也是利用5G技術(shù)進(jìn)行通信的核心技術(shù)之一。該技術(shù)也被稱為多輸入、多輸出技術(shù)，通過(guò)數(shù)以百計(jì)的電線共同運(yùn)作，對(duì)電線波束進(jìn)行定向傳輸，從而能夠在高頻電波的應(yīng)用體現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1]。同時(shí)，大型的MIMO技術(shù)能夠利用波束成型技術(shù)，使電信號(hào)得到增強(qiáng)。這不僅可以對(duì)電磁波進(jìn)行定向傳輸，還能有效降低終端信號(hào)接收的難度。一般情況下，高頻率的電波環(huán)境更能滿足5G技術(shù)的使用需求，且信號(hào)傳輸損耗與電波頻率間成正比例關(guān)系。即傳輸距離越長(zhǎng)，電波頻越低，相應(yīng)的傳輸消耗也更少。另外，大型的MIMO技術(shù)還可以對(duì)電磁波的發(fā)射方向進(jìn)行合理規(guī)劃，通過(guò)這種方式，高頻信號(hào)的傳輸損耗得到有效填補(bǔ)，數(shù)據(jù)的完整性及快捷性也能得到充分發(fā)揮。

在當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸中，MIMO技術(shù)具有十分重要的作用。但從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，該技術(shù)同樣存在這使用缺陷。例如，在電磁波發(fā)射的過(guò)程中，其很難將數(shù)據(jù)傳輸至建筑物背面，進(jìn)而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)盲區(qū)，不利于信號(hào)衍射的進(jìn)行。為解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員就需要增加現(xiàn)場(chǎng)的基站數(shù)量，或通過(guò)低頻電波進(jìn)行輔助傳輸，以使數(shù)據(jù)傳輸工作高效穩(wěn)定進(jìn)行[2]。此外，基站數(shù)量的提高還能使信號(hào)盲區(qū)的數(shù)量得到顯著降低，并通過(guò)低頻電波輔助來(lái)降低電磁波信號(hào)的傳輸難度?，F(xiàn)階段，5G移動(dòng)通信的發(fā)展目標(biāo)為數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到10 Gb/s。為此，技術(shù)人員需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究，采取適宜的措施提高各基站的通信能力，并研發(fā)出與5G技術(shù)相匹配的智能收集，從而使數(shù)據(jù)與主機(jī)的頻率要求相互匹配，

1.2 物聯(lián)技術(shù)

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展使得越來(lái)越多的智能設(shè)備能夠與手機(jī)進(jìn)行匹配連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)控。另外，通過(guò)對(duì)5G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備與終端的連接效果得到提升，這不僅能夠?yàn)槿藗兊娜粘；顒?dòng)提供便利，還能有效提高社會(huì)的科技發(fā)展水平[3]。過(guò)去，在4G技術(shù)普及應(yīng)用的時(shí)期，便存在一些智能家居可與手機(jī)進(jìn)行連接，以便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。但是，當(dāng)時(shí)的技術(shù)正處于初步發(fā)展階段，這主要因?yàn)?G技術(shù)無(wú)法響應(yīng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)指令。而隨著5G技術(shù)的不斷成熟，這一問(wèn)題正逐漸被解決。當(dāng)前的5G技術(shù)不僅擁有更加寬廣的覆蓋范圍及數(shù)據(jù)信號(hào)外，還具備更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，這使得其在面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能煩瑣的設(shè)備時(shí)，也能使手機(jī)與智能設(shè)備的連接效果得到保障，并對(duì)應(yīng)用4G移動(dòng)通信技術(shù)時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行處理，從而為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。5G移動(dòng)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心技術(shù)，對(duì)其的應(yīng)用不僅可以使物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋規(guī)模得到擴(kuò)大，還能使流量消耗得到顯著降低，有助于節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。此外，5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用不僅在于智能家居這方面，更能在工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化設(shè)備等方面發(fā)揮明顯的應(yīng)用成效[4]。且其也能連接關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)，以提高電力通信水平。由此，通過(guò)對(duì)電力通信系統(tǒng)與5G技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)部連接模式得到有效優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也能得到擴(kuò)大。

1.3 人工智能

人工智能技術(shù)在社會(huì)各行業(yè)中應(yīng)用廣泛。從實(shí)際應(yīng)用模式來(lái)看，人工智能以智能交互技術(shù)為基礎(chǔ)，且與移動(dòng)通信技術(shù)間有著緊密聯(lián)系，這使得該技術(shù)若想充分發(fā)揮效用，就需要得到移動(dòng)通信技術(shù)的支持。因此，先進(jìn)的通信技術(shù)是人工智能技術(shù)的發(fā)展前提，其應(yīng)用范圍越廣，對(duì)通信技術(shù)的要求就越高。同時(shí)，5G移動(dòng)通信技術(shù)還具有網(wǎng)絡(luò)延遲小、覆蓋面積大等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的人工智能領(lǐng)域中必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用，且在數(shù)據(jù)通信、城市建設(shè)等方面具有建設(shè)性的作用[5]。此外，人工智能與通信技術(shù)的緊密連接也是5G技術(shù)具有先進(jìn)性的有力證明。在實(shí)際的應(yīng)用中，5G移動(dòng)通信技術(shù)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行優(yōu)化，降低網(wǎng)絡(luò)延遲等，使人工智能設(shè)備的性能與智能度得到提升，對(duì)科技發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。

1.4 云端技術(shù)

作為信息時(shí)代的產(chǎn)物，云端技術(shù)現(xiàn)已在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其中，云存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)?shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到云空間中，其不僅具有較大的存儲(chǔ)空間，還能使數(shù)據(jù)安全及穩(wěn)定性得到保障。同時(shí)，5G移動(dòng)通信技術(shù)的成熟發(fā)展為云端技術(shù)水平的提高提供了強(qiáng)大的助力。通常情況下，云端技術(shù)需要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用，這使得該技術(shù)具有更快的信息傳輸速度，相應(yīng)的覆蓋范圍也更廣，為云端技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如，在云端用戶進(jìn)行文件的上傳及下載操作時(shí)，就可以在5G技術(shù)的支持下以更快的速度完成數(shù)據(jù)傳輸工作，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成大文件的上傳及下載工作[6]。另外，5G技術(shù)不僅可以為人們?cè)谠贫颂峁└颖憬莸姆?wù)，還能在電力通信技術(shù)層面提供較大的幫助，使電力通信的技術(shù)內(nèi)容得到完善，實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)結(jié)構(gòu)的健全發(fā)展。這不僅可以滿足用戶的需求，還能通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)向用戶推送準(zhǔn)確的信息，使云端技術(shù)的效用得到充分發(fā)揮，數(shù)據(jù)質(zhì)量也能得到提升。另外，電力通信系統(tǒng)與5G移動(dòng)通信技術(shù)的結(jié)合使用不僅可以使社會(huì)發(fā)展需求得到滿足，還能進(jìn)一步豐富云端技術(shù)的功能效用，為我國(guó)通信行業(yè)的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。

2 5G技術(shù)的應(yīng)用困境

2.1 通信系統(tǒng)能耗較高

在當(dāng)前的時(shí)代背景下，邊緣計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得核心網(wǎng)的功能逐漸被下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，相應(yīng)的服務(wù)器也會(huì)被布設(shè)在更接近基站的位置。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)接入側(cè)的承擔(dān)任務(wù)數(shù)量更多。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在當(dāng)前的通信系統(tǒng)中，基站射頻拉遠(yuǎn)單元及相應(yīng)的基帶處理單元的機(jī)房用電量最大，占總能耗的70%～80%。在2012年，全球通信基站的數(shù)量總量達(dá)到110萬(wàn)座，每年月消耗140億kW·h。而隨著5G時(shí)代的到來(lái)，基站的安裝密度相比以往必然會(huì)得到顯著提升，根據(jù)行業(yè)專家預(yù)測(cè)，在2025年，全球基站數(shù)量將會(huì)增加至1 310萬(wàn)個(gè)，其每年能耗將會(huì)達(dá)到2 000億kW·h[7]。另外，大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用也使得單站的耗能大幅增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，4G基站的功耗應(yīng)當(dāng)在900 W左右，而5G功耗則會(huì)達(dá)到2 700 W。此外，5G通信系統(tǒng)的基站部署密度也比4G系統(tǒng)要高，最終會(huì)形成密集性極高的異構(gòu)組網(wǎng)。因此，5G通信系統(tǒng)的能耗問(wèn)題會(huì)給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

2.2 無(wú)線通信安全

5G通信的蓬勃發(fā)展加快了萬(wàn)物互聯(lián)的進(jìn)程，但是終端無(wú)線接入也對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的安全與用戶的隱私保護(hù)造成了不良影響。關(guān)于5G通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)接入側(cè)安全、切片隔離安全、MEC安全及用戶邊界/私有云安全等加以重視。另外，對(duì)當(dāng)前愈發(fā)先進(jìn)的能源互聯(lián)網(wǎng)而言，網(wǎng)絡(luò)安全與用戶隱私保護(hù)依舊具有較高的重要性。例如，在電力系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)信息的控制會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的影響。此時(shí)，一旦有網(wǎng)絡(luò)安全事件發(fā)生，就會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[8]。另外，大型企業(yè)客戶的用電數(shù)據(jù)不僅是企業(yè)本身進(jìn)行電費(fèi)核算的重要依據(jù)，也是估算企業(yè)產(chǎn)能重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是十分重要的隱私數(shù)據(jù)。因此，需要加強(qiáng)對(duì)這方面數(shù)據(jù)信息的保護(hù)工作。總而言之，在未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)信息的傳輸量相比以往必然會(huì)有顯著提升，需要企業(yè)技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)的保密等級(jí)進(jìn)行合理、嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)置，從而提高電力通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)效果。

3 電力5G通信終端硬件架構(gòu)

5G電力通信終端往往由主控模塊、擴(kuò)展模塊及端口防護(hù)模塊等構(gòu)件組成，具體配裝方式如圖1所示。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，模組適配模塊通過(guò)USB、PCIE等接口實(shí)現(xiàn)與主控模塊的通信工作，進(jìn)而達(dá)成5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髂繕?biāo)。同時(shí)，其再與授時(shí)模塊通過(guò)傳輸器提供5G的授時(shí)信息，隨后利用GPIO傳輸口提供時(shí)鐘的同步信息。最后，利用主控模塊實(shí)行電力規(guī)約接入處理，提高對(duì)數(shù)據(jù)的管理效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的高級(jí)應(yīng)用。

圖1 硬件模塊框架

授時(shí)模塊能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)授時(shí)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確解析，在將其轉(zhuǎn)換為電力標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，利用IRIG-B碼為業(yè)務(wù)終端提供時(shí)鐘源。最后，端口防護(hù)模塊的安裝可以滿足電磁環(huán)境的運(yùn)營(yíng)要求，并在電源端口、通信端口等部位加裝防護(hù)回路，從而能夠在等級(jí)為Ⅳ的浪涌、快速瞬變電等環(huán)境下進(jìn)行正常工作，以保證產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 電力5G終端軟件功能

從實(shí)際結(jié)構(gòu)特性來(lái)看，該軟件的框架包括3個(gè)部分。

（1）人機(jī)交互層，主要作用為對(duì)終端參數(shù)進(jìn)行合理配置，并能在顯示屏上展示出配置完成的參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及程序升級(jí)日志等信息。

（2）平臺(tái)層，其主要負(fù)責(zé)提供lib庫(kù)，如防火墻設(shè)置、路由功能及程序升級(jí)管理模塊等。

（3）業(yè)務(wù)層，其主要負(fù)責(zé)核心業(yè)務(wù)的處理，如LED顯示控制、核心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊及系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊等。其中，基于5G技術(shù)對(duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行傳播就被稱為時(shí)鐘源服務(wù)。在此過(guò)程中，基站通過(guò)系統(tǒng)信息塊SIB9的工作周期發(fā)送時(shí)間戳信息。隨后的終端自動(dòng)對(duì)信息的傳輸延時(shí)進(jìn)行累積計(jì)算，再通過(guò)迭代對(duì)實(shí)際延時(shí)進(jìn)行逐步計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際對(duì)本地時(shí)間進(jìn)行修正。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以基于R15標(biāo)準(zhǔn)，利用NR網(wǎng)絡(luò)的空中接口，通過(guò)SIB消息發(fā)下時(shí)鐘信息，包含天、秒、毫秒等信息。模組通過(guò)串口和GPIO分別向通信終端收拾模塊發(fā)送信息。

隨后，通信終端按照對(duì)應(yīng)的時(shí)序進(jìn)行模塊操作，具體從以下幾方面進(jìn)行。

（1）CPU先對(duì)模組串口時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效接收，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為B碼脈寬序列，傳輸給B碼芯片；

（2）當(dāng)B碼芯片完成對(duì)脈寬序列接收后，若需類中有數(shù)據(jù)，則進(jìn)行下一步驟，若無(wú)數(shù)據(jù)，則繼續(xù)進(jìn)行接收；

（3）B碼芯片對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行檢查，若有脈沖電平變化發(fā)生，則輸出B碼，繼續(xù)接收脈寬序列。若無(wú)脈沖電平變化，則返回對(duì)脈沖的檢查步驟。

5 電力業(yè)務(wù)接入5G應(yīng)用

5.1 核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)方案

在實(shí)施拆動(dòng)業(yè)務(wù)核心轉(zhuǎn)發(fā)模式的過(guò)程中，為達(dá)成運(yùn)營(yíng)商協(xié)調(diào)處理的模式，技術(shù)人員可通過(guò)5G客戶終端設(shè)備連接核心網(wǎng)，由其負(fù)責(zé)端到端路由功能。其中，核心網(wǎng)主要指獨(dú)立組網(wǎng)下的5G核心網(wǎng)，技術(shù)人員通過(guò)對(duì)其的應(yīng)用，能夠通過(guò)CPE對(duì)上下行數(shù)據(jù)進(jìn)行透?jìng)?，相關(guān)業(yè)務(wù)也能順利完成。

5.2 MEC服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)方案

除上文所述外，技術(shù)人員也可以通過(guò)5G CPE連接MEC服務(wù)器，并在5G核心網(wǎng)用戶面實(shí)現(xiàn)功能下沉，最終形成獨(dú)立于核心網(wǎng)部署的專用服務(wù)器。從實(shí)際表現(xiàn)上來(lái)看，MEC服務(wù)器位于核心網(wǎng)與基站間，需要技術(shù)人員使其在物理距離上盡可能接近用戶，使端到端的延時(shí)得到有效控制，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)也更加貼近用戶側(cè)。另外，其還可以在MEC設(shè)備中設(shè)置管理網(wǎng)關(guān)，通過(guò)預(yù)設(shè)業(yè)終端使用戶與核心網(wǎng)的關(guān)系得到對(duì)應(yīng)，再由業(yè)務(wù)終端連接的兩個(gè)CPE上電后，分別向鏈路路由管理模塊傳輸帶有業(yè)務(wù)終端標(biāo)識(shí)的信息，且對(duì)CPE駐網(wǎng)IP信息也需及時(shí)進(jìn)行傳輸。其還可以在UPF中建立兩側(cè)CPE互通策略，從而在動(dòng)態(tài)IP的基礎(chǔ)上構(gòu)建端到端的護(hù)筒鏈路，為5G配網(wǎng)差動(dòng)業(yè)務(wù)的進(jìn)行提供支持。

5.3 精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)5G網(wǎng)絡(luò)方案

在特高壓交流電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，對(duì)電力負(fù)荷的精準(zhǔn)控制是其中的重要內(nèi)容。通過(guò)對(duì)負(fù)荷資源進(jìn)行分類、分區(qū)域管理，能夠?qū)崿F(xiàn)從調(diào)度直接發(fā)令對(duì)分類用戶負(fù)荷的精準(zhǔn)控制。與傳統(tǒng)的負(fù)荷控制業(yè)務(wù)相比，其不再通過(guò)有線光纖進(jìn)行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞碾y度得到下降，布局改造工作更加簡(jiǎn)便，工程成本也得到了降低。此外，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯?wèn)題進(jìn)行處理時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能夠有效滿足傳統(tǒng)精準(zhǔn)業(yè)務(wù)的控制需求。

6 結(jié) 論

現(xiàn)階段，5G網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展為電力通信水平的提高做出了重要的貢獻(xiàn)。本文論述了基于5G的電力通信終端研制及應(yīng)用，對(duì)5G技術(shù)的應(yīng)用困境進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的應(yīng)用措施。