蜂窩物聯網在電力通信系統中的應用

李敬義，袁 琳

（1.吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012；2.吉林恒通電力設計股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

物聯網技術在各個領域都發揮著重要作用。近年來，物聯網業務規模不斷擴大，2010年全世界的物聯網連接不到2億，2014年末連接達到2.43億，2020年全世界的物聯網連接數超過10億。從物聯網連接情況來看，2010年運營商蜂窩網絡的連接占有比例不足2%，到2020年增長到10%。當前，物聯網業務已經逐漸成為人們生活中的一部分，電信運營商應用蜂窩網絡為各個領域提供服務。電力通信系統運行過程中積極發揮蜂窩物聯網技術的作用，提高了系統運行可靠性，可有效控制運行成本。

1 物聯網技術標準化的基本介紹

物聯網技術走上商業化發展道路，在亞洲地區、歐洲地區以及北美洲地區得到了廣泛應用，并融入了商業領域。物聯網業務運行呈現出商業化模式，各種應用場景應運而生，新的技術需求不斷涌現。現在各個國家的國際規模組織都相繼制定了物聯網技術標準，每個標準化組織都履行各自的工作職能積極開展標準化工作[1]。物聯網技術標準化路標如圖1所示。

圖1 物聯網技術標準化路標

1.1 ETSI（歐洲電信標準化協會）標準

ETSI是歐洲電信標準化協會，是歐共體委員會在1988年批準建立的電信標準化組織，屬于非贏利性單位。ETSI2009年開始啟動M2M項目，并制定了解決端到端的標準方案。ETSI對于這個項目的研究是從2個層面展開的：第1層面是從M2M市場需求出發，收集M2M的應用情況，分析M2M業務需求；第2層面是界定M2M業務需求、網絡體系架構以及接口和過程的設計。

ETSI制定M2M標準后，應用范圍得以擴展，涵蓋范圍廣泛，具體為M2M業務需求、M2M接口功能體系、M2M架構以及M2M術語等。從實例出發展開研究，主要研究電子健康技術、用戶互聯技術以及城市自動化技術等。

1.2 3GPP（第三代合作伙伴計劃）標準

3GPP是第三代合作伙伴計劃，成立于1998年12月，為多個電信標準組織伙伴經過商討合作議程共同簽署的協議。從2005年開始，3GPP從物聯網技術在移動通信系統中的應用出發，對SA和RAN開展可行性研究。3GPP對M2M業務的界定是機器類型通信（MTC），在進行項目研究中多個工作組并行開展，完成的工作任務包括M2M通信、2G網絡環境、3G網絡環境以及4G網絡環境對M2M業務產生的增強功能[2]。3GPP的功能增強研究主要將MTC作為起點，涵蓋的功能包括小數據增強功能和節電增強功能。

1.3 CCSA（中國通信標準化協會）標準

CCSA是中國通信標準化協會，2002年12月在北京正式成立，是中國的企業單位和事業單位自愿聯合構建的組織。CCSA開展M2M標準化工作通過移動通信工作委員會或移動網絡技術工作委員會進行。在M2M業務研究報告中界定了M2M的應用模式，除典型應用模式外，還有商業模式。此外，對M2M業務特征提出建立量化模型。隨著3GPP研究取得進展，開始啟動M2M移動網絡技術的研究工作，主要研究內容包括M2M通信影響接入網的情況及采取的優化措施、影響核心網的情況及采取的優化措施[3]。TC10制定M2M業務的總體技術要求，界定業務的概念和系統架構，構建典型場景。此外，TC10還制定M2M端到端通信應用協議技術的有關要求。

2 蜂窩式物聯網

物聯網技術的應用廣泛，網絡運營商需針對設備匹配性能良好的無線電技術。ZigBee 3.0作為低功耗網狀市場的首選技術，推動了物聯網技術的應用。Wi-Fi技術和藍牙技術是廣泛應用的技術，LTE-M與NB-IoT只被少數人了解，但這些技術在蜂窩物聯網中都發揮著重要作用[4]。

所謂的“蜂窩物聯網”就是將物聯網設備連接在蜂窩網絡上。蜂窩物聯網的可用性強，成本低，應用范圍廣。蜂窩物聯網的可用性強體現在應用普遍，即全世界超過90%的人口都在使用這種網絡。美國運營商認為，LTE覆蓋已經達到99%，且呈現出不斷增長的趨勢。其他技術如Wi-Fi在規模上有所不同，需要用戶搜索本地網絡并建立連接，防止出現惡意接入問題[5]。

蜂窩物聯網的運行成本相對較低。很多企業在蜂窩網絡上加大投資力度，為用戶提供高質量的服務。充分利用當前的基礎設施，結合成熟的技術，蜂窩物聯網可以連接更多的設備，所投入的資金較少。例如，Nordic將4G RF前端與IoT芯片組結合，創建了全球蜂窩式物聯網解決方案。蜂窩式物聯網如圖2所示。

圖2 蜂窩式物聯網

蜂窩物聯網的移動網絡范圍更廣，能滿足低功耗設備的需求。對高帶寬而言，Wi-Fi和藍牙的用途很大。如果信息傳遞的距離較遠，需要發揮蜂窩物聯網的作用，即使用智能手機連接遠程基站[6]。

3 蜂窩物聯網在電力通信系統中的應用

3.1 建立電力通信信息模型

將蜂窩物聯網技術應用于電力通信系統構成電力物聯網。電力通信系統運行產生各種信息，收集信息時發揮感知層傳感器的作用，整理和識別信息。傳感器自身的性能良好，可充分利用多種傳感器表達各個接口的信息。由于信息數量龐大且多種多樣，選擇傳感器時會存在一定的困難，也會增加相關軟件的開發難度。由此可見，在電力通信系統中應用物聯網技術非常必要[7]。建立電力通信信息模型，從電力通信系統當前的運行情況出發實現信息交互，可為蜂窩物聯網的有效應用提供基礎保障。

3.2 通信規約統一化

通信規約是非常重要的技術，尤其近年來電力通信網終端數量不斷增加，采集數據的難度相應增加，需要建立統一的通信規約，使電力通信系統應用蜂窩物聯網時能實施有效管理[8]。選擇物聯網通信規約時要保證其具有可行性，且信息模型映射對應存在，從而根據電力通信系統設備的需要選擇合理的通信規約。網絡層的通信規約需借助SCSM技術和APCI技術，確保物聯網和信息模型間不會產生矛盾，促進電力通信系統的穩定快速發展。

3.3 高并發系統實現技術的應用

在電力通信系統中應用蜂窩物聯網技術，可發揮底層傳感器收集數據的作用，并整理數據信息，在網絡層面有效識別數據信息。初步處理數據后，將數據劃分為不同的類型傳輸至所屬的模塊。各項處理工作到位后，模塊處理將不會有壓力[9]?，F在終端用戶的數量增多，數據的傳輸工作存在一定難度，傳輸數據也比較困難，這種現象必然會對整個通信系統的運行產生影響。應用蜂窩物聯網實施統一接入，對數據庫而言也是很大的挑戰。無論是訪問數據還是寫入數據，都很有可能導致電力通信系統不能正常發揮作用，影響系統的正常運行。

4 結 論

物聯網市場發展速度不斷加快，電信運營商認識到物聯網將成為提高競爭力的重要載體。物聯網市場不斷擴展，需要在業務領域發揮物聯網的作用。M2M業務有多種需求，考慮到M2M業務所具備的特征及移動通信網絡技術所具備的特點，塑造應用場景，增強移動通信網絡技術的功能，對M2M業務需求有良好的適應性。在電力通信系統中引入網絡新技術時，要充分考慮M2M業務具備的特點，還要充分了解2G網絡、3G網絡、4G網絡以及5G網絡的演進方略。2G網絡速度的加快、3G網絡實現全面覆蓋、4G網絡建設速度加快以及5G網絡技術跨越式發展，都推進著物聯網建設發展。處于當前的物聯網競爭環境，需綜合考慮M2M業務規模，控制好終端成本，滿足業務特點，在后續工作中提高行業競爭力。組網方案設計時，需加大窄帶M2M技術方案，在功能完善和性能驗證方面加大人力投入和物力投入，研究物聯網的新特征標準化，以滿足電力通信系統的需求。