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3G和4G无线通信技术在ICT网络模式中的应用

2022-08-11 10:08:23| 来源:leyu乐鱼体育全站app 作者:乐鱼体育平台进入

  介绍了ICT 对电力通信系统研究的重要意义,在分析3G/4G 移动通信系统的发展现状及应用的基础上,介绍了3G/4G 移动通信技术在电力系统通信的应急通信、配电自动化、无线视频接入和智能电网等几种重要场景中的应用, 论述了无线通信技术在ICT 网络中应用时所面临的安全问题。

  当前,信息与通信、自动化、生产、管理等应用日益走向融合,信息网络与通信网络融合在一个网络平台上,实现了数据信息传输、音视频会议、电话、传真、即时通信等多种类型的应用服务,这种新型网络模式称为信息通信技术(ICT,InformationCommunicationTechnology)网络模式。

  ICT网络模式不仅是业务网络的融合,还带来了产业网络的融合,给各行业的通信与信息网络带来建设、应用、运行、维护全过程的创新。进入20世纪90年代以来,移动通信系统飞速发展,从传统的通信业务逐渐向互联网、多媒体等宽带业务发展,为新一代电力ICT网络的无线接入带来新的选择。随着3G在全世界范围的大规模商用,其已成为目前通信领域讨论的热点,传输速率在支持静止状态下为2Mbit/s,步行慢速移动环境中为384kbit/s,高速移动下为144kbit/s,定位于多媒体IP业务。4G将移动通信推向更大的带宽,物理层采用OFDM-MIMO技术,极大地提高了频谱效率,使数据通信速率有了质的提高。核心网演进为全IP网络,使用IPv6提供了海量的IP地址,同时提供了4种QoS水平,满足不同业务的服务需求,系统容量更大,功能更强。4G的最大特点是能够在任何地方提供互联网的宽带接入,同时提供信息通信之外的定时定位、数据采集、远程控制等综合功能。

  因此,研究3G和4G无线通信技术在新一代ICT网络模式中的应用,将无线通信接入和电力通信网络进行统一规划,充分考虑电力业务和信息化发展的需求,使无线通信技术更好地服务于电力系统,具有重要意义。

  4G移动通信系统是目前移动通信领域的研究热点,虽然3G移动通信系统比以往的移动网络有巨大的进步,但是离目前用户对移动通信系统的期望仍有差距。所以,世界各地都展开了4G的研究和讨论。在中国,China4GWORLD于2009年5月13-14日在北京召开,会议内容包括LTE(LongTermEvolution,长期演进),VoLTE和MobileBackhaul,研讨中LTE备受关注。LTE是未来主流的移动通信技术,LTER8标准已于2009年3月完全冻结,意味着LTE正式进入商用化研发的倒计时,完全能够满足2010年商用的需要。基于LTE-Advanced的研究已经在3GPP(3rdGenerationPartnershipProject,第三代合作伙伴计划)进行,3GPP已经向ITU提交了基于LTE演进的4G候选技术的初稿,2011年初将会提交完整版本和自评估报告。

  4G通信技术与3G及现有通信技术相比,具有通信速度更快、网络频谱更宽、智能性更高、终端兼容性更好等优点。部分国内外专家认为,为了实现4G移动通信,在无线接入网络、核心网和终端技术方面都需要进行深刻的变革。目前关于4G的研究很多,如多址方案、调制与编码、智能天线技术等,但基于电力系统的应用研究相对比较薄弱,而4G技术在电力信息系统中的理论及应用研究正是一个能带来可观的经济效益和社会效益的领域。

  2.1应急通信在发生灾难、事故等紧急情况下,需要启动应急通信系统建立事故现场的通信。应急通信系统的架构如图1所示。

  应急通信指挥车是现场通信的核心,与PDA、手提电脑、单兵视频采集等终端采用4G宽带无线技术进行通信,与指挥中心通过卫星、光纤或微波链路建立连接。

  单兵视频采集终端通过无线方式将现场视频数据传送到应急通信指挥车,PDA、智能手机、手提电脑等终端通过无线接入到应急通信指挥车进行通信,这都需要大量的数据传输。系统采用OFDM作为无线通信技术,同时结合MIMO,在发端和收端配备多个天线,利用空间分集和复用,提高信道容量。由于子载波间相互正交,接收端可采用相关技术将子信道的信息分开,子信道之间的相互干扰很小。OFDM的抗频率选择性衰落和抗多径效应等性能优异,能在恶劣的地理环境中提供高质量的通信。被视为准4G技术的LTE,其系统传输带宽可在1.5~20MHz范围内灵活配置,峰值传输速率上行可达50Mbit/s,下行达到100Mbit/s;LTE-Advanced系统带宽设计为100MHz,考虑的峰值速率上行达500Mbit/s,下行达1Gbit/s.利用这样的数据速率,单兵视频采集终端能够向应急通信指挥车回传清晰的现场视频和图像数据,PDA、宽带手机等终端也能够进行高速的数据上传/下载和通信。

  3G和4G应用于配电网具有许多优势,其覆盖面广,适合分布广泛的配电网终端监测点的接入需求。3G和4G都是双向通信系统,支持数据的双向传输。3G在低速环境下的通信速率在2Mbit/s以上,4G的通信速率与3G相比,达到上行50Mbit/s、下行100Mbit/s以上。这样高的数据传输速率,完全能够满足配电网自动化的信息传输要求。以4G为例,移动通信系统应用于配电自动化系统的组网方式,如图2所示。

  Fig.2Distributionautomationsystemwith4Gtechnology

  4G采用更趋于扁平化的网络架构,取消了3G中的RNC节点,仅由eNB组成。这种扁平化的网络架构带来的好处是降低了呼叫建立时延及用户数据的传输时延。无线接入终端从驻留状态转换到激活状态的时延在100ms以内,数据传输时延在10ms以内,完全能够满足配电自动化要求的响应时间和数据传送时间。

  在保证传输数据可靠性方面,3G和4G均使用了HARQ(HybridAutomaticRepeatRequest,混合自动重传)进行链路差错控制。HARQ同时使用FEC(ForwardErrorCorrection,前向纠错)和ARQ(AutomaticRepeatRequest,自动重传)技术,保证了数据吞吐量和可靠性。同时,3G和4G系统对用户均有认证机制,对传输数据均进行加密处理,以保证服务于配网自动化系统的可靠性。

  视频信息具有数据量大、对错误敏感、压缩算法复杂等特点。无线信道带宽有限,由于干扰、多径效应等原因造成误码率高,且无线视频接入的终端一般是便携的,功率受限,无法进行复杂的压缩变换算法,这些都给无线视频接入带来了挑战。

  视频压缩标准的数据速率以及2G和3G数据传输速率分别见表1和表2所列。表1视频压缩标准的数据速率

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