毫米波感知＋5G—A通信，讓智慧能源更安全

借助毫米波高精度感知和5G網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大通信能力，聯(lián)通浙江開展了全國首個電力行業(yè)5G—A試點，可有效防范外部物體入侵、誤觸，提升電網(wǎng)事故防范水平和供電可靠性，同時節(jié)約電網(wǎng)運維成本，實現(xiàn)用戶、電網(wǎng)、運營商多方互利共贏

“黑飛”無人機(jī)入侵重要電力基礎(chǔ)設(shè)施、誤撞變電站、高壓線路，挖掘機(jī)、吊車誤觸電力線路……近年來，隨著無人機(jī)等智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用及大規(guī)模城市化建設(shè)的推進(jìn)，電網(wǎng)等能源本體安全面臨巨大挑戰(zhàn)。

要保障電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施更安全可靠的運行，需要借助數(shù)字技術(shù)手段打造新型電力系統(tǒng)，使之具有超強(qiáng)感知能力、智慧決策能力和快速執(zhí)行能力。聯(lián)通（浙江）產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司（下稱“聯(lián)通浙江”）結(jié)合電力行業(yè)需求，借助毫米波高精度感知和5G網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大通信能力，在浙江嘉興開展了全國首個電力行業(yè)5G—Advanced通感一體技術(shù)研究與應(yīng)用試點（下稱“5G—A試點”），可有效防范外部物體入侵、誤觸，提升電網(wǎng)事故防范水平和供電可靠性，同時節(jié)約電網(wǎng)運維成本，實現(xiàn)用戶、電網(wǎng)、運營商多方互利共贏，有力支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

三大關(guān)鍵融合技術(shù)，精準(zhǔn)突破“技防”難點

電網(wǎng)安全是保障社會財產(chǎn)生命安全的有效前提。傳統(tǒng)的輸電線路防范外力破壞手段主要以“人防”為主，人力投入大、成本高，卻效果甚微。新型電力系統(tǒng)迫切需要借助廣泛存在的超強(qiáng)感知能力以支撐智慧決策和快速響應(yīng)，實現(xiàn)管理手段從“人防”到“技防”，更可靠地保障國家電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施安全。

5G—A試點設(shè)計了基站—核心網(wǎng)—監(jiān)控平臺的通感一體化系統(tǒng)架構(gòu)，在基站側(cè)通過空口融合設(shè)計、時頻空資源復(fù)用、高隔離度天線收發(fā)全雙工等技術(shù)，實現(xiàn)感知功能在通信基站上共享共用、按需疊加，有效降低感知的部署成本，提高快速部署能力；在核心網(wǎng)側(cè)部署AI感知解算能力，高效解析感知目標(biāo)位置、速度、類型等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)感知目標(biāo)精準(zhǔn)分辨識別；在平臺側(cè)部署電力空域安全防御平臺，實現(xiàn)感知事件信息生成、圖形界面展示、告警提示等功能，真正實現(xiàn)感知能力和通信能力的融合共生、互惠互利。

具體來說，5G—A試點主要包含三大關(guān)鍵技術(shù)——

首先是通感一體空口融合技術(shù)，包括波形設(shè)計和感知幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。在波形設(shè)計方面，通過頻域稀疏性設(shè)計使感知信號占用更大帶寬的同時節(jié)省資源開銷，通過感知信號在時域進(jìn)行重復(fù)傳輸來提升多普勒估計準(zhǔn)確性，通過窄波束掃描的方式發(fā)送感知信號來最大化感知信號鏈路質(zhì)量、最小化感知信號與其他信號之間的干擾，從而提升距離、速度、角度估計精度，實現(xiàn)通信和感知性能的雙向提升。在感知幀結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，通過讓通信和感知各自擁有自己的幀結(jié)構(gòu)，通信與感知的資源通過時分、頻分、空分、碼分等方式復(fù)用，以同時滿足通信和感知的需求。

其次是通感一體軟硬件融合技術(shù)。主動感知需工作在同時同頻全雙工模式，當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)共用收發(fā)天線，隔離度不能滿足感知需求。通過軟件配置，可以令一部分天線工作在發(fā)射模式，一部分天線工作在接收模式實現(xiàn)全雙工，在收發(fā)天線之間實現(xiàn)高隔離度，避免發(fā)射信號造成接收通道阻塞，實現(xiàn)主動感知功能，并提高探測范圍和結(jié)果的可靠性。

最后是低慢小目標(biāo)探測和跟蹤技術(shù)。無人機(jī)的目標(biāo)反射截面積非常低，需要很高的探測靈敏度才能實現(xiàn)穩(wěn)定的探測和跟蹤，而高靈敏度又容易受地面目標(biāo)干擾而出現(xiàn)虛警。采用多波束精確測角技術(shù)實現(xiàn)米級測高精度，采用目標(biāo)識別技術(shù)區(qū)分無人機(jī)和非無人機(jī)目標(biāo)，采用軌跡跟蹤技術(shù)克服無人機(jī)短暫懸停導(dǎo)致的軌跡中斷錯誤，提高無人機(jī)軌跡完整度和探測跟蹤的可靠性，實現(xiàn)目標(biāo)高度和移動軌跡準(zhǔn)確識別。

豐富應(yīng)用場景，提升社會治理水平

如今，5G—A試點基站部署在嘉興烏鎮(zhèn)變電站附近，實現(xiàn)24小時全天候監(jiān)測跟蹤變電站全空域“黑飛”無人機(jī)動向，探測距離達(dá)到1km；無人機(jī)在變電站100米范圍內(nèi)發(fā)出首次入侵告警，在變電站50米范圍內(nèi)發(fā)出黃色入侵告警，在20米范圍內(nèi)發(fā)出紅色嚴(yán)重告警，構(gòu)建了面向變電站無人機(jī)入侵檢測防御的“電子圍欄”。2022年8月至2023年4月，在烏鎮(zhèn)變電站區(qū)域1000米范圍內(nèi)累計識別黑飛、誤飛無人機(jī)39架次，大幅提高了變電站空域防御水平，有力地保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

“從試點運行情況來看，5G—A通感一體技術(shù)的創(chuàng)新價值主要體現(xiàn)在技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、成本優(yōu)勢和性能優(yōu)勢4個方面。”聯(lián)通浙江相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹道。

技術(shù)方面，采用5G—A毫米波通信感知技術(shù)和新型感知算法，具有更高的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，同時可實現(xiàn)1km距離高精度的目標(biāo)識別和軌跡跟蹤，具有更強(qiáng)的實時性和可靠性，可滿足不同場景和業(yè)務(wù)的需求。經(jīng)濟(jì)性方面，此項技術(shù)可在不改變現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、不增加站點部署密度基礎(chǔ)上，提供廣域覆蓋的全天候、多類型的目標(biāo)感知能力，真正實現(xiàn)感知能力和通信能力融合共生、互惠互利。

成本優(yōu)勢上，一個通感單站可替代4個TDoA站點（總投資需80萬元），而新建通感單站成本僅需50萬元，且可利用已有基礎(chǔ)設(shè)施和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，單站可節(jié)省建設(shè)和維護(hù)成本超30萬元，并可一網(wǎng)多用，具有更低的成本和更高的性價比。性能優(yōu)勢上，通感一體技術(shù)可以高精度、高分辨率的無人機(jī)探測和跟蹤，可實現(xiàn)對低空無人機(jī)的實時監(jiān)測和預(yù)警。

“十四五”期間，我國電網(wǎng)建設(shè)加速，電網(wǎng)生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)與社會其他生產(chǎn)生活場景結(jié)合得更加緊密，交互過程中存在影響電力安全可靠的潛在風(fēng)險。5G—A通感一體技術(shù)可大幅減少管理成本，提升電網(wǎng)數(shù)字化管理和安全水平。如將其應(yīng)用于變電站無人機(jī)偵測及周界防護(hù)場景，可實現(xiàn)精確識別變電站禁飛區(qū)域無人機(jī)入侵及周界防護(hù)，且感知精度高、發(fā)現(xiàn)速度快、探測種類全。對于城市施工環(huán)境輸配電線路風(fēng)險識別場景，可實現(xiàn)工程車輛識別和定位，并在設(shè)備靠近輸電線路指定距離范圍時引發(fā)預(yù)警，保障施工人員人身安全及輸電設(shè)備穩(wěn)定運行。

隨著數(shù)智化社會轉(zhuǎn)型持續(xù)深化，無人機(jī)、自動駕駛汽車、機(jī)器人等自動設(shè)備在社會生產(chǎn)生活中運用逐漸增多，對周圍環(huán)境的影響逐漸增大。5G—A通感一體技術(shù)的應(yīng)用研究，在城市建設(shè)、智慧交通與車路協(xié)同場景、鐵路周界場景具有廣大的應(yīng)用前景，不僅可以通過規(guī)模效應(yīng)和引領(lǐng)作用，進(jìn)一步降低終端價格，也能為不斷涌現(xiàn)的智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療、智能交通等新興業(yè)務(wù)場景提供底層能力支撐，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，助力數(shù)智社會高效治理。

[作者單位：聯(lián)通（浙江）產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司]