面向電力業務接入的跨頻段融合與寬窄一體無線專網

邵煒平，陸陽，李建岐，馬平，張東磊

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面向電力業務接入的跨頻段融合與寬窄一體無線專網

邵煒平1，陸陽2，李建岐2，馬平3，張東磊2

（1. 國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000； 2. 全球能源互聯網研究院有限公司，北京 102209； 3. 國網紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

對電力無線專網的通信需求進行了分析，提出了面向電力業務接入的跨頻段融合與寬窄一體無線專網核心理念，可以同時滿足電網高速寬帶、低時延高可靠、廣覆蓋大連接等多業務接入需求。具體提出了基于統一核心網融合方式的跨頻段無線網絡架構、跨頻段多信道傳輸與基于QCI優先級的業務數據流調度技術以及跨頻段無線網絡安全防護方案。研究表明，跨頻段融合無線專網兼具LTE230、LTE1800優勢，滿足電網寬帶、窄帶業務接入需求，相關方案的實施具有必要性和可行性，為電力無線專網的深化應用提供了支撐。

長期演進；無線專網；跨頻段；融合；寬窄一體

1 引言

終端通信接入網是電力系統骨干通信網的延伸，負責提供配電與用電業務終端同電力骨干通信網的連接[1]。“十三五”期間，國家高度重視配用電智能化發展，要求終端通信接入網能夠快速、靈活、高效地為各種業務提供支撐。智能配用電應用環境復雜、業務承載需求多樣、傳輸可靠性要求高、終端分布區域廣、測量監控點多、易受配電網擴容和城建影響。在部分場景下，光纖通信受施工難度大、建設周期長、難以全覆蓋等因素制約。無線通信具有無須通信通道建設、網絡部署快、系統擴展能力強等巨大的技術優勢，同時，電網公司通過建設電力無線專網可以為業務傳輸提供可靠性、安全性保障，并可節省租用運營商無線公網的費用。電力無線專網已成為智能配用電終端通信接入網的重要組成部分。

目前，國內主流電力無線專網均采用長期演進（long term evolution，LTE）技術體制，基于230 MHz（LTE230）和1 800 MHz（LTE1800）兩種頻段開展電力無線通信系統建設[2-4]。以國家電網公司為例，已先后在浙江、江蘇、重慶、天津、福建等地開展了LTE230、LTE1800無線專網的試點應用，取得了初步成效。從應用效果來看[5,6]，LTE230基于223~235 MHz電力行業授權頻段，具有覆蓋遠、組網成本低等優勢，然而由于電力行業僅獲準使用該頻段中非連續的1 MHz帶寬（共40個信道，單信道25 kHz），網絡容量暫時不足，尚難完全滿足無線專網的多業務承載需求。LTE1800完全基于公網LTE技術，能夠提供高帶寬業務保障，具備從核心網、基站到終端的完善的產業鏈，然而電網公司需要單獨申請1 785~1 805 MHz頻段，單基站覆蓋半徑小，網絡建設成本較LTE230偏高。總體來看，兩種技術體系各有優缺點，分別適合不同的電力業務場景。

隨著智能電網建設的不斷推進，電力無線專網的通信需求也在快速發展。無線專網作為電網公司自有資產，如何實現一張網絡同時承載電網寬帶、窄帶差異化業務，實現“一網多能”，成為亟待解決的問題。從目前應用情況來看，基于LTE230或LTE1800單頻組網方式的無線專網尚難同時滿足傳輸帶寬、可靠性和網絡覆蓋范圍要求，并且產品之間相互獨立，接入網傳輸層面未能實現互聯互通，使得無線網絡支撐智能配用電業務的實用性受到限制。參考文獻[7]對電力LTE異頻組網系統應用進行了初步探討，但在網絡架構、業務承載與調度、網絡安全防護等方面仍有待進一步明確。因此，提出充分利用LTE230和LTE1800的優勢互補性，在繼續發揮230 MHz無線頻譜資源優勢的同時，采用先進技術優化傳輸效率，深入挖掘1 800 MHz頻段性能，建設跨頻段融合與寬窄一體無線專網，實現基于統一核心網的融合以及跨頻段多信道傳輸，滿足電力高速寬帶、低時延高可靠、廣覆蓋大連接業務安全接入需求，為電力無線專網的深化應用提供支撐。

2 電力無線專網通信需求

面向智能配用電終端通信接入網應用環境，并結合成本測算，無線專網適合于業務終端分布密度較為集中、安全性要求高的場景。按照供電區域進行劃分[8]，在光纖建設困難的A+、A類供電區域以及B、C類供電區域開展無線專網建設具有較好的技術經濟性。電力無線專網可以承載的業務類型主要分為電網控制類、信息采集類、移動應用類3種，具體描述如下。

? 部分業務通信傳輸容量大，實時性要求較高，如視頻監控、智能營業廳業務等。單業務終端傳輸速率需求可達4 Mbit/s，如果考慮業務的并發性，對帶寬需求還將提高。

? 部分業務通信傳輸容量不大，但對實時性、可靠性要求非常高，如配電自動化、精準負荷控制、分布式電源監控、主動配電網差動保護等。以精準負荷控制業務為例，要求端到端通信時延在毫秒級，且要求控制的安全可靠[9]；配電自動化要求實現“遙控”的可靠性，以支撐電網供電可靠性不低于99.999%的發展目標等。

? 部分業務對實時性、傳輸速率要求不高，但通信數量非常龐大、信息安全需求較高，如用電信息采集、電動汽車充電樁、電網狀態監測等。單業務終端傳輸速率需求在kbit/s量級，然而無線基站單扇區覆蓋范圍內的節點數量可達上千個。

? 部分業務對移動性、互動化通信能力要求較高，如電力資產全壽命周期管理、移動作業、移動巡檢、移動營銷、企業管理相關業務等。無線網絡因其組網靈活性，在該類型業務承載上將扮演重要角色。

展望未來，隨著智能電網和能源互聯網發展，業務通信需求將進一步提升，迫切要求電力通信網能夠適應以特高壓電網為骨干、各級電網協調發展的新型電網模式，實現各類負荷的精準控制；引入可視化、實時化、精益化的新型作業方式，實現各級電網重要廊道的監視、巡檢；開展基于“互聯網+”的新型業務模式，實現用戶與電網的雙向互動、用電精細化管理。如圖1所示，未來電力業務的發展，物聯網業務及寬帶業務并存，具有廣覆蓋、大連接、低時延、高可靠、高安全等特征，對電力無線專網的差異化業務支撐能力提出了更新、更高的要求。

圖1 電力無線專網通信需求

3 跨頻段融合與寬窄一體核心理念

LTE是第三代合作伙伴計劃（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）提出的“準4G”技術，目標是實現3GPP無線接入技術向著更高數據速率、低時延和分組優化的無線接入技術的方向演進，包括分時長期演進（time division long term evolution，TD-LTE）與頻分雙工長期演進（long term evolution frequency division duplex，LTE FDD）兩種方式[10-12]。目前，在LTE技術原理基礎上發展的用于電力無線專網的無線通信系統主要采用TD-LTE方式，以更好地滿足電力行業上下行非對稱業務傳輸需求，具體包括LTE230和LTE1800。對現有LTE230、LTE1800系統的相關技術參數進行比較，見表1。

通過對比可以看出，LTE230覆蓋性能優異，但電力授權頻譜資源暫時不足，對部分熱點地區的寬帶業務承載能力有限；LTE1800系統滿足寬帶接入需求，但網絡在覆蓋范圍、穿墻性、與業務的適配性方面存在劣勢。如何在230 MHz基礎上，結合1 800 MHz頻段組建跨頻段融合電力無線網絡，在廣域覆蓋的同時兼顧局域熱點地區的高帶寬需求以及通信盲區的延伸覆蓋要求，成為亟待解決的問題。結合電力無線通信需求及未來發展趨勢，提出了跨頻段融合與寬窄一體無線專網核心理念，具體表現如下。

表1 LTE230與LTE1800相關技術參數的比較

所謂“寬”，有兩層含義：一是系統可用的工作頻段寬；二是系統能夠支撐寬帶業務。其中，系統可用的工作頻段既包括了電力授權的230 MHz窄帶頻段，也包括了1 800 MHz寬帶頻段，系統能夠支撐對傳輸速率、時延要求高的業務。目前，終端通信接入網朝著智能化的方向發展，視頻監控、精準負荷控制均是其中重要的業務類型。

所謂“窄”，也有兩層含義：一是兼容原有窄帶LTE230終端及業務；二是系統能夠支撐低速、廣深覆蓋等電力物聯業務。為了充分利用已建設的電力無線專網，不造成資源浪費，跨頻段融合與寬窄一體無線專網必須具有前向兼容能力，兼容原有窄帶LTE230終端及業務。此外，目前國內外掀起了低功耗廣域物聯網技術研究、芯片研發、模組研制的熱潮，旨在實現萬物互聯。電力行業具有大量的數據采集、監測等具有“小數據”特征的業務，要實現真正的電網智能化，電力無線專網必須引入先進的物聯網廣深覆蓋、低功耗相關技術，支撐電力低速業務節點的泛在互聯。

在此基礎上，形成跨230 MHz和1 800 MHz融合的、寬窄一體的電力無線專網，網絡同時包含寬帶通信終端和窄帶通信終端，能夠同時支持視頻監控等高速寬帶、精準負荷控制等低時延高可靠、采集監測等低速、廣深覆蓋等多樣化業務終端接入，并實現和電網公司不同業務平臺的對接。系統基于跨頻段融合基站設備、核心網設備，采用跨頻段多信道傳輸與業務數據流調度技術來同時承載電網差異化業務需求，從而實現電力無線專網的“一網多能”，為推動電力無線專網的深化應用指明了方向。跨頻段融合與寬窄一體無線專網示意圖如圖2所示。

4 跨頻段融合與寬窄一體無線專網方案

4.1 網絡架構

LTE230和LTE1800跨頻段融合實現多頻組網，可以采用緊融合和松融合兩種方式。緊融合方式是指LTE230和LTE1800采用統一核心網、統一基站，通過在基站中采用不同的板卡，以使兩者完全融合，僅在空口上分為LTE230和LTE1800獨立天線接入，這種方式又稱為統一核心網的融合方式。松融合方式是指LTE230和LTE1800采用獨立核心網、獨立基站，僅在上層協議實現融合，這種方式也可稱為獨立核心網的融合方式。

圖2 跨頻段融合與寬窄一體無線專網示意圖

在統一核心網融合方式中，LTE230和LTE1800采用統一網絡層和媒體接入控制（media access control，MAC）層的融合，不需要協議轉換。在圖3（a）的網絡架構中，將LTE230和LTE1800無線通道在MAC層及以上統一，但基站設計需要考慮LTE230和LTE1800無線頻率、帶寬等不同，采用獨立的參數以及調制方式實現物理層（physical layer，PHY）。因此，基站需采用LTE230和LTE1800不同板卡的設計技術來滿足二者的差異化要求。該方式下，LTE230終端和LTE1800終端之間通信非常簡便，不需要協議轉換過程。

在獨立核心網融合方式中，LTE230和LTE1800采用獨立核心網和基站。在圖3（b）的網絡架構中，將LTE230和LTE1800無線通道在網絡層及以上的協議層實現融合。該方式下，LTE230終端和LTE1800終端之間通信需要進行協議的轉換。

從提高業務承載效率、降低無線專網建設成本的角度出發，采用統一核心網融合方式更具備優勢。因此，在設備層面，須實現跨頻段融合、寬窄一體核心網，可同時接入LTE230基站和LTE230終端、LTE1800基站和LTE1800終端；實現跨頻段融合無線網管系統，在同一套網管上完成對LTE230、LTE1800多個頻段無線專網的設備管理；實現LTE230、LTE1800跨頻段融合無線基站，通過不同板卡或軟件升級方式，實現對230 MHz和1 800 MHz無線射頻模塊的接入。跨頻段融合基站基于分布式架構，包括基帶單元（base band unit，BBU）和射頻單元（radio remote unit，RRU），兩者之間相互分離，傳輸的是基帶信號，可以使用光纖來傳輸，傳輸距離一般在5 km以上。在上述統一核心網融合方式下，LTE230以實現廣域、深度覆蓋為目標，LTE1800可以在LTE230的覆蓋范圍內部署，也可以在LTE230的覆蓋范圍外部署，并重點通過LTE1800覆蓋業務集中、數據量大的熱點區域（如變電站內視頻監控），從而滿足差異化業務接入需求。由于部分場景下，在變電站內建設基站導致一些距離變電站較遠的業務節點接入存在困難，因此可以通過在變電站部署BBU，利用光纖將信號延伸到無線網絡覆蓋盲區附近再部署RRU，從而解決網絡的弱覆蓋問題。對于地下室、管井等通常無線網絡的弱覆蓋區域，可以采用無線終端的自組織多跳級聯組網方式，實現末端業務節點的靈活接入。

4.2 業務承載與調度

跨頻段融合與寬窄一體無線專網的初衷是實現一張網絡的多業務承載，因此需要按照電網公司相關規定，采取多種措施將生產控制大區與管理信息大區業務傳輸通道進行物理隔離[13]。提出跨頻段融合與寬窄一體無線專網通過空口不同的頻率、時隙資源，基站雙跨頻段基帶板、傳輸板/端口，雙跨頻段核心網/板卡和物理隔離的同步數字序列（synchronous digital hierarchy，SDH）/多業務傳送平臺（multi-service transport platform，MSTP）通道為不同的業務提供專線通道，實現端到端的跨頻段多信道傳輸，并通過接入點名稱（access point name，APN）/虛擬專用網（virtual private network，VPN）實現管理信息大區內業務之間的邏輯隔離。

如圖4所示，作為一個例子，采集業務終端、移動業務終端、配電業務終端、精控業務終端分別通過不同的無線終端以及RRU接入，其中，RRU230代表LTE230的射頻單元，RRU1800代表LTE1800的射頻單元，并通過可以靈活配比的、不同的空口接入頻率或時隙，實現生產控制大區與管理信息大區業務的物理隔離。基站采用雙跨頻段基帶板、傳輸板/端口，并盡可能利用變電站等電網公司自有物業進行建設。核心網實現在市公司通信機房的地市部署，不同的核心網設備/板卡分別承載生產控制大區和管理信息大區業務。其中，針對服務質量（quality of service，QoS）要求高的精準負荷控制業務，為其分配專用的時域、頻域資源，實現專線通道傳輸，其他業務則采用共享網絡接入方式，由系統提供QoS優先級保障。提出LTE230、LTE1800射頻單元均可接入電網控制類終端（如配電自動化“三遙”、精準負荷控制），實現更快速、更安全的控制；用電信息采集、電網狀態監測等信息采集類終端重點由LTE230來接入，滿足未來信息采集量更多、頻次更高的要求；移動作業、移動營銷等移動應用類終端重點由LTE1800來接入，滿足電網公司各專業、隨時隨地支撐現場業務（特別是視頻監控類高帶寬業務）的要求。

圖4 跨頻段多信道傳輸實現多業務承載

跨頻段多信道傳輸離不開高效業務調度技術的支撐。提出基于業務QoS參數（QoS class identifier，QCI）優先級實現業務數據流調度，通過為不同業務配置QCI優先級，針對QCI優先級提供網絡傳輸資源保障。首先，根據不同電力數據業務對時延、傳輸速率、可靠性的不同需求，對網絡所承載的電力數據業務進行優先級劃分。基站調度時，根據業務QCI優先級來分配時隙、頻率資源，優先保證控制類低時延高可靠業務接入。當檢測到擁塞時，丟棄位于嚴重擁塞閾值后的低優先級業務，一方面優先保證了高優先級業務的QoS需求，另一方面緩解了擁塞節點的擁塞程度。在為被丟棄的低優先級業務重新建立傳輸通道時，綜合考慮備選路徑的時延與可用帶寬，不僅可以保證業務的QoS，且優化了網絡資源，均衡了整個無線網絡的負載。

4.3 網絡安全防護

面向智能配用電終端通信接入網的跨頻段無線專網可同時承載生產控制大區、管理信息大區業務，導致網絡跨接在物理隔離的兩張信息內網之間，可能引起兩張網絡的物理隔離被打破，造成潛在的安全風險，因此，網絡安全防護是不可或缺的一環。其中，配電環節的業務處于生產控制大區，直接服務于生產調度，對安全防護等級要求較高。按照相關標準，為了保證控制的安全可靠性，具備遙控功能的業務應優先采用專網通信方式，保證一次設備的安全運行，如采用無線專網實現信息接入應符合相關安全防護規定，并有嚴格的安全防護策略。與此同時，隨著分時電價、階梯電價、遠程費控等用電營銷業務需求出現，用電環節對通信安全性的要求進一步提高，電價和用電信息的傳送必須要有安全、穩定、可靠的通信通道。在采用電力通信專用通道傳輸此類信息時，網絡信息安全要在原有用電信息采集系統的基礎上達到更高的層次。綜上所述，根據電力通信網安全防護總體要求，電力通信接入網安全接入方案應根據不同安全分區特點，對生產控制大區和管理信息大區分別設計防護措施，并重點在主站側、終端側和邊界處予以部署[13]，其總體框架如圖5所示。

結合上述分析，并借鑒4G無線公網的安全防護機制以及LTE無線專網可采用的安全防護策略，提出面向跨頻段融合與寬窄一體無線專網的安全防護方案，主要包括：

? 空口以不同的時隙、頻率實現不同業務的物理隔離；

? 跨頻段融合基站以不同的基帶板卡實現不同業務的物理隔離；

? 跨頻段融合基站與核心網間采用SDH/MSTP單獨通道或網際安全協議（internet protocol security，IPSec）加密傳輸，優先考慮使用SDH/MSTP單獨通道，不同業務的SDH板卡實現物理隔離；

? 跨頻段融合核心網以不同設備/板卡對不同業務進行隔離；

? 通信終端與安全接入分區接入設備之間采用VPN進行邏輯業務通道隔離，加強安全加密措施；

? 業務終端MAC地址綁定，防止合法終端被竊取后，被不法人員用于攻擊網絡；

? 通信終端可采用國際移動用戶識別碼（international mobile subscriber identity，IMSI）綁定措施，采用eSIM形態，消除終端被盜用、復制的可能性；

? 對終端與基站之間數據進行加密傳輸、完整性保護，防止空口數據被截獲，實現信息隱蔽；

? 對終端與核心網之間采用非接入層（non-access stratum，NAS）加密、雙向認證鑒權、完整性保護，防止偽基站竊取、篡改終端數據，偽終端入侵網絡以及高層控制信令被截獲和篡改；

? 通過以上措施，對跨頻段融合與寬窄一體無線專網承載電力業務接入，特別是配電自動化“三遙”、精準負荷控制等電網控制類業務提供有效的安全防護。

5 結束語

LTE無線專網是智能配用電終端通信接入網的重要組成部分，然而現階段基于230 MHz、1 800 MHz單頻組網方式建設的LTE無線專網尚難同時滿足傳輸帶寬、可靠性和網絡覆蓋范圍要求。結合電力無線專網通信需求分析，指出未來電網業務將呈現高速寬帶、低時延高可靠、廣覆蓋大連接等差異化屬性。以業務發展趨勢為牽引，提出了面向電力業務接入的跨頻段融合與寬窄一體無線專網核心理念，形成了跨230 MHz和1 800 MHz、從核心網層面深度融合的無線網絡架構。提出了230 MHz和1 800 MHz具備業務覆蓋側重、生產控制大區業務與管理信息大區業務傳輸通道端到端物理隔離的跨頻段多信道傳輸方案，基于QCI優先級的業務數據流調度技術以及符合電力通信接入網安全接入總體要求的跨頻段無線網絡安全防護方案，為電力無線專網的深化應用與不斷演進提供了支撐。

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Cross-band fusion and wide-narrow integrated wireless private network oriented electric service access

SHAO Weiping1, LU Yang2, LI Jianqi2, MA Ping3, ZHANG Donglei2

1. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310000, China 2. Global Energy Interconnection Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China 3. State Grid Shaoxing Electric Power Supply Company, Shaoxing 312000, China

The communication requirements of electric wireless private network were analyzed, and the core idea of cross-band fusion and wide-narrow integrated wireless private network oriented electric service access was proposed, meeting the needs of multiple service access simultaneously, such as high speed broadband services, low delay and high reliability services, as well as wide coverage and large connection services. Research shows that cross band fusion based wireless private network has the advantages of both LTE230 and LTE1800, and it can meet the needs of broadband and narrowband service access in the power grid. The implementation of the related schemes is necessary and feasible, which provides support for the further application of the electric wireless private network.

long term evolution, wireless private network, cross band, fusion, broadband and narrowband integrated

TN 918.91

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018145

邵煒平（1976?），男，國網浙江省電力有限公司高級工程師、通信處副處長，主要從事基于電網業務需求的通信應用技術研究工作。

陸陽（1984?），男，博士，全球能源互聯網研究院有限公司高級工程師，主要從事無線通信、電力線載波通信及其在智能電網中的應用研究工作。

李建岐（1969?），男，全球能源互聯網研究院有限公司高級工程師（教授級）、信息通信研究所副總工程師，主要從事電力通信技術研究及開發工作。

馬平（1962?），男，國網紹興供電公司高級工程師，主要從事電力系統通信網絡規劃建設和運行管理工作。

張東磊（1986?），男，全球能源互聯網研究院有限公司工程師，主要從事電力通信技術應用研究工作。

2018?01?26；

2018?04?04

國網浙江省電力有限公司科技項目（No.5211SX16000L）

Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd. (No.5211SX16000L)