5G技術在電力應急通信中的應用研究

王芮

【摘要】? ? “應急通信”即為支持應對突發或重大事件的通信，包含災害發生地區、人口集聚數量較多的活動現場等。為了保證通信質量（如圖片、音視頻清晰度等），納入5G技術是必要的。本文分析了電力應急通信中通信系統的組網結構以及需求分析，介紹了5G技術應用于該系統的契合性，梳理了5G電力應急通信系統網絡架構的設計思路以及優越性，希望5G技術得到廣泛應用，提高應急通信質量。

【關鍵詞】? ? 5G技術? ? 電力應急通信? ? 組網結構? ?需求分析

引言：

現代意義的應急通信一般是指在出現自然或人為的突發性緊急情況，或是在重要的節假日、重要活動或會議現場，出現既有的通信系統無法承載驟然增多（或原系統被破壞）通信需求時，綜合利用多種通信資源，保證救援、緊急救助、維持必要的通信質量所需的通信手段和通信質量的應急機制[1]。隨著5G技術的愈發成熟，該技術必然會應用到電力應急通信系統設計建設中。

一、電力應急通信中通信系統的組網結構以及需求分析

1.1電力應急通信系統的組網結構

1.1.1針對突發或重大事件監視的通信系統使用要求

通信系統又稱為電信系統，一般由具備特定功能、相互作用、相互依賴的若干單元組成完成同一目標的有機整體。決定通信系統是否能夠正常運行的主要因素在于兩個方面，其一，穩定優質的電能供應;其二，保證信號正常傳輸。在一些特殊情況下（比如某地區出現地震、山體滑坡等災害，導致人員受困、通信受阻，或是某地正在舉辦大規模集會型活動，或是召開重大會議，必須全程保持通信穩定度等），均需將電力通信系統臨時升級到“應急”狀態，確保通信順暢。具體的要求如下：

①應急通信系統必須能夠支持預測和確認國家或地方級重大突發事件。

②電信業務包含大量的數據通信業務、報警業務、出警業務。

③工作環境根據突發事件的緊急程度，需要覆蓋全國范圍或能夠溝通整個城市（管轄區域）。

④系統設計目標：保證各類業務的處理質量，盡量提高網絡資源的利用效率，極盡可能提升電信網絡的安全性，信息內容除了相關人員外，原則上不可向他人泄露。

1.1.2現場指揮系統應該具備的功能與設備

緊急情況下的現場指揮系統必須具備的功能與設備如下：

①電信業務方面，固定電話、固定會議電話、高清視頻及圖像;

②現場應該臨時搭建最高級別（相對）指揮所，配置最高級別支持度的應急通信網絡。

1.1.3具體的組網結構

為了實現應急現場多個方位不同畫面的同時直播信號傳輸，應按照如下方式組網。

①常規情況下，由于通信基站處于正常工作狀態，故在3G/4G蜂窩移動通信技術的支持下，信號經過基站的“轉發”，可支持不同終端用戶的通信需求。在緊急情況下，通信基站可能因被破壞（如遭遇地震、泥石流等而損毀），導致通信信號無法完成中轉處理，或是在大型活動或重大會議現場，由于同時尋求通信連接的人數較多或是必須保證高質量的信號傳輸，導致基站無法承載如此龐大的需求當量，必須將性能更高的應急通信基站車開赴現場，實現現場終端設備與通信公網之間的中轉。

②只要上述環節的通信質量得以保證，即人們常規認知中的“外網”時刻處于有效連接狀態，則應急現場的“內網”便可通過調制解調器，實現多通路的信號傳輸，同時滿足多個用戶的通信需求。

1.2應急情況下的電力通信需求分析

在應急情況下，電力通信的主要需求如下：

（1）通信實現方式從“固定型”轉化為“移動型、快捷型”的需求。比如針對地震、火災的現場應急指揮中心，受地形等環境的影響，很多大型直播設備沒有合適的布置場所。因此，只能攜帶便攜式直播設備，在極短時間內完成搭建。

（2）保證傳輸信號的穩定性和清晰度。為了更好地指揮現場工作，指揮中心必須盡可能地掌握全覆蓋范圍內的所有信息。比如因山體滑坡導致某村落陷入危機狀態，整個山體及該村落多個方向的所有環境變化情況理論上均應通過視頻或圖片的方式，實時傳遞至指揮中心，使現場人員多角度、高清晰度地觀看。在必要的情況下，相關畫面還應傳遞至救援人員攜帶的終端智能設備中，從而提升救援成功幾率。

（3）保證通信信道的安全和電能的穩定供應。其一，當前的無線通信信號主要通過微波、衛星兩種系統實現傳輸。相比之下，采用微波通信方式時，如果距離較長，需通過“中繼”的方式，使信號依次經過若干個相鄰的微波接力站，最終傳遞至目標區域。如果特定位置的接力站無法發揮功能，則信道的安全性無法保證。在此種情況下，繞過常規的微波中繼站，將衛星作為應急中繼站，可保證信號的穩定傳輸。其二，現場電能供應。由于柴油發電機等設備的存在，用于應急電能供應的解決方式較多，無須擔心。

二、 5G技術應用于電力應急通信系統的契合性分析

根據上文所述的應急情況下的電力通信系統需求分析，5G技術與之具備極高的契合性。具體如下：在頻率帶寬、Massive MIMO（大規模天線）、調制技術、干擾消除、編碼技術五種空口技術中，4G技術能夠提供的支持參數以及運行方式分別為20M典型值、2T、4T、8T/R、64QAM、無干擾消除、Turbo;5G技術對應項為100M典型值、32T、64T/R、256QAM、IC或雙工NOMA干擾消除以及LTPC+Polar編碼技術[2]。

相較之下，在頻率帶寬、大規模天線、調制技術三個方面，5G與4G相比，速率分別增加5倍、16倍、1.25倍，干擾信號及誤碼率均大幅度降低。不僅如此，在信號傳輸速率、連接數密度等方面，5G的具體值分別為1Gbit/s和萬/km2，均是4G的10倍。而在峰值速率、平均速率、流量密度等性能指標中，5G的具體值可達4G的15～20倍。由此可見，由于綜合能力更強，5G技術將會全面取代4G技術，在包含電力應急通信系統在內的多個領域均會廣泛應用。

三、5G技術在電力應急通信中的具體應用方式

3.1 5G電力應急通信系統網絡架構設計思路

5G技術應用于電力應急通信系統設計的核心要素為5G網絡切片技術，即利用SDN/NFV（網絡本身/網源）虛擬化技術，可實現多終端之間的SLA（服務等級協議）保障、業務隔離、網絡功能按需定制等功能。簡言之，5G網絡切片技術是指按照特定的需求組建網絡的技術，可針對不同的應急場景進行差異化設計，避免單一模式應用于不同場景而受到制約。5G電力應急通信系統網絡構架設計的具體思路如下：

3.1.1現場信息采集

應急通信車、便攜式設備、無人機等具備自主或被動移動能力的物品中均應裝有高清攝像頭，根據應急場景的實際情況，放置于不同的位置，實時監控現場情況并將有關視頻、圖像、音頻等信息傳遞至指揮中心。以此為基礎，處于不同位置的設備攜帶人員或人工智能設備（如機器人、無人機等）在接收到指揮中心發布的指令之后，立刻執行相應的操作，通過協調配合，保證現場情況朝著良好的方向發展。

3.1.2穩定網絡通信信道的建立

應用5G技術后，5G通信與原有的衛星通信兩種方式可結合使用，共同承擔應急現場音視頻、圖片等數據信息的無障礙迅速傳遞。此兩種技術結合運用后，可在很大程度上客服現場復雜環境造成的不良影響，保證信息的實時無損傳輸。

3.1.3應急指揮中心系統

前文提到了應急指揮中心應該具備的功能和指導現場情況發展的需求分析。若要實現相關功能，指揮中心主站首先應該具備專用的視頻處理服務器、視頻處理平臺，多區域視頻信號實時集中或分散顯示的大屏幕等。只有上述硬件設備全部具備后，主站的數據處理、傳輸、轉發、顯示等才能長時間保持高質量和穩定性，進而創造出良好的多方在線視頻會商、遠程指揮工作的環境。

3.2 5G電力應急通信系統的優勢分析

5G電力應急通信系統具備高清視頻回傳、能夠盡可能地提高清晰度與流暢性、支持多角度靈活切換等優勢。具體而言：

（1）得益于5G技術，如具備特定功能的智能機器人（如地震后，探查危險區域是否擁有生還人員的機器狗）、無人機、5G背包等，可實現地空聯合“直播”式的統一救援指揮，幾乎不會受地形環境的影響。以無人機為例，由于通信信道基于5G通信和衛星通信兩種渠道而構建，故地面控制無人機起飛后，可通過融合渠道向無人機內置的智能系統下達指令。比如無人機攜帶高清攝像裝置飛到目標區域后，可根據地面指令調整視角，搭載的攝像機鏡頭也能夠根據相關指令拉近/拉遠。當現場的實際情況通過全范圍無死角畫面實時傳遞至指揮中心后，有助于現場最高負責人更加精確地制定應急處理方案。此外，由于融合通信方式可以保證極端的環境下的基礎信號傳輸穩定性，故無須擔心信號中斷問題。

（2）上文提到，針對不同的現場環境需采用基于不同側重點的應急方案。如地震、火災現場，由于危險系數極高，如消防、特種救援部隊等也無法深入現場探查實際情況。因此，需利用人工智能機器人替代人工，完成勘察工作。但實現在復雜環境中無障礙傳輸信號需建立在高成本投入的前提下，且人工智能設備也存在損毀的可能。故在一些情況不甚緊急、條件尚未達到極端嚴重的狀態下，可通過人工攜帶5G背包的方式，前往現場，同樣能夠實現信號的高清晰、無障礙傳輸。此種模式產生的成本遠遠低于人工智能或直播車+衛星直播的信號傳輸方式。

（3）與4G公共網絡通信技術相比，應用5G切片技術之后，支撐應急系統的信號傳輸通道處于完全獨立以及安全隔離的狀態，不會占用區域公共無線通信信道，還能夠保證信號傳輸速度，幾乎不會出現延時等情況[3]。

四、結語

電力應急通信系統應該包含重要信息樞紐及指揮中心，結合邊緣計算等相關技術，具備自組網能力，通過部署視頻監控、調度指揮、綜合決策等豐富的應用，提升應急狀態下的電力通信水平。在該系統中，一方面，保證電能的穩定供應;另一方面，提升信號的傳遞效率。上述兩項要素共同決定了應急通信系統是否能夠維持穩定的運行，是否能夠及時傳遞準確的信息，最終目的在于降低惡性影響，保障安全。

參? 考? 文? 獻

[1]劉鴻雁，鄭廣寧，車四四，等.量子加密技術在山東電力機動應急通信系統中的研究與應用[J].信息通信，2020（09）：1-4.

[2]特古斯，金翠，李琦.5G通信技術在電力通信中的應用探討[J].中國新通信，2020，22（15）：1.

[3]袁詠詩. 波分復用技術及4G技術在電力應急通信中的應用[D].華南理工大學，2018.