基于5G的電力通信終端研制及應用

柯勝君

（中國通信建設第三工程局有限公司，湖北 武漢 430022）

0 引 言

隨著科學技術水平的提升，我國對5G通信技術的研究愈發深入。從實際應用結果來看，5G通信技術具備低延時、大連接、高帶寬等特點，不僅能夠為配網自動化的應用拓展提供助力，還能有效降低網絡覆蓋成本，滿足精準負荷業務的研究要求。同時，對電力系統來說，其運行條件相對特殊，常會有通信鏈路不確定、抖動程度較大的風險發生，需要相關技術人員加以重視。

1 5G通信技術的內容

1.1 MIMO技術

MIMO技術指需要多個天線共同進行電波接收與發射的傳輸技術，也是利用5G技術進行通信的核心技術之一。該技術也被稱為多輸入、多輸出技術，通過數以百計的電線共同運作，對電線波束進行定向傳輸，從而能夠在高頻電波的應用體現應用優勢[1]。同時，大型的MIMO技術能夠利用波束成型技術，使電信號得到增強。這不僅可以對電磁波進行定向傳輸，還能有效降低終端信號接收的難度。一般情況下，高頻率的電波環境更能滿足5G技術的使用需求，且信號傳輸損耗與電波頻率間成正比例關系。即傳輸距離越長，電波頻越低，相應的傳輸消耗也更少。另外，大型的MIMO技術還可以對電磁波的發射方向進行合理規劃，通過這種方式，高頻信號的傳輸損耗得到有效填補，數據的完整性及快捷性也能得到充分發揮。

在當前的數據傳輸中，MIMO技術具有十分重要的作用。但從實際應用情況來看，該技術同樣存在這使用缺陷。例如，在電磁波發射的過程中，其很難將數據傳輸至建筑物背面，進而產生了數據盲區，不利于信號衍射的進行。為解決這一問題，技術人員就需要增加現場的基站數量，或通過低頻電波進行輔助傳輸，以使數據傳輸工作高效穩定進行[2]。此外，基站數量的提高還能使信號盲區的數量得到顯著降低，并通過低頻電波輔助來降低電磁波信號的傳輸難度?，F階段，5G移動通信的發展目標為數據傳輸速度達到10 Gb/s。為此，技術人員需要對該技術進行深入研究，采取適宜的措施提高各基站的通信能力，并研發出與5G技術相匹配的智能收集，從而使數據與主機的頻率要求相互匹配，

1.2 物聯技術

信息技術的迅猛發展使得越來越多的智能設備能夠與手機進行匹配連接，從而實現對智能設備的遠程調控。另外，通過對5G移動通信技術的應用，設備與終端的連接效果得到提升，這不僅能夠為人們的日常活動提供便利，還能有效提高社會的科技發展水平[3]。過去，在4G技術普及應用的時期，便存在一些智能家居可與手機進行連接，以便用戶進行遠程操作。但是，當時的技術正處于初步發展階段，這主要因為4G技術無法響應復雜的數據指令。而隨著5G技術的不斷成熟，這一問題正逐漸被解決。當前的5G技術不僅擁有更加寬廣的覆蓋范圍及數據信號外，還具備更長的數據流量，這使得其在面對結構復雜、功能煩瑣的設備時，也能使手機與智能設備的連接效果得到保障，并對應用4G移動通信技術時產生的問題進行處理，從而為物聯網技術的發展奠定良好的基礎。5G移動通信技術作為物聯網建設的核心技術，對其的應用不僅可以使物聯網的覆蓋規模得到擴大，還能使流量消耗得到顯著降低，有助于節約網絡建設成本。此外，5G技術在物聯網中的應用不僅在于智能家居這方面，更能在工業生產、自動化設備等方面發揮明顯的應用成效[4]。且其也能連接關鍵任務數據，以提高電力通信水平。由此，通過對電力通信系統與5G技術的結合應用，物聯網的內部連接模式得到有效優化，網絡規模也能得到擴大。

1.3 人工智能

人工智能技術在社會各行業中應用廣泛。從實際應用模式來看，人工智能以智能交互技術為基礎，且與移動通信技術間有著緊密聯系，這使得該技術若想充分發揮效用，就需要得到移動通信技術的支持。因此，先進的通信技術是人工智能技術的發展前提，其應用范圍越廣，對通信技術的要求就越高。同時，5G移動通信技術還具有網絡延遲小、覆蓋面積大等優點，在未來的人工智能領域中必然會得到廣泛應用，且在數據通信、城市建設等方面具有建設性的作用[5]。此外，人工智能與通信技術的緊密連接也是5G技術具有先進性的有力證明。在實際的應用中，5G移動通信技術通過對數據傳輸速度進行優化，降低網絡延遲等，使人工智能設備的性能與智能度得到提升，對科技發展有著重要的促進作用。

1.4 云端技術

作為信息時代的產物，云端技術現已在各個領域中得到了廣泛應用。其中，云存儲技術的應用能夠將數據信息存儲到云空間中，其不僅具有較大的存儲空間，還能使數據安全及穩定性得到保障。同時，5G移動通信技術的成熟發展為云端技術水平的提高提供了強大的助力。通常情況下，云端技術需要在網絡環境下應用，這使得該技術具有更快的信息傳輸速度，相應的覆蓋范圍也更廣，為云端技術的發展打下了堅實的基礎。例如，在云端用戶進行文件的上傳及下載操作時，就可以在5G技術的支持下以更快的速度完成數據傳輸工作，并在較短的時間內完成大文件的上傳及下載工作[6]。另外，5G技術不僅可以為人們在云端提供更加便捷的服務，還能在電力通信技術層面提供較大的幫助，使電力通信的技術內容得到完善，實現通信技術結構的健全發展。這不僅可以滿足用戶的需求，還能通過大數據技術向用戶推送準確的信息，使云端技術的效用得到充分發揮，數據質量也能得到提升。另外，電力通信系統與5G移動通信技術的結合使用不僅可以使社會發展需求得到滿足，還能進一步豐富云端技術的功能效用，為我國通信行業的發展做出重要的貢獻。

2 5G技術的應用困境

2.1 通信系統能耗較高

在當前的時代背景下，邊緣計算技術的廣泛應用使得核心網的功能逐漸被下沉至網絡邊緣，相應的服務器也會被布設在更接近基站的位置。在這種情況下，網絡接入側的承擔任務數量更多。根據統計，在當前的通信系統中，基站射頻拉遠單元及相應的基帶處理單元的機房用電量最大，占總能耗的70%～80%。在2012年，全球通信基站的數量總量達到110萬座，每年月消耗140億kW·h。而隨著5G時代的到來，基站的安裝密度相比以往必然會得到顯著提升，根據行業專家預測，在2025年，全球基站數量將會增加至1 310萬個，其每年能耗將會達到2 000億kW·h[7]。另外，大規模天線陣列的應用也使得單站的耗能大幅增加。根據統計，4G基站的功耗應當在900 W左右，而5G功耗則會達到2 700 W。此外，5G通信系統的基站部署密度也比4G系統要高，最終會形成密集性極高的異構組網。因此，5G通信系統的能耗問題會給電力系統運行帶來新的問題與挑戰。

2.2 無線通信安全

5G通信的蓬勃發展加快了萬物互聯的進程，但是終端無線接入也對通信網絡的安全與用戶的隱私保護造成了不良影響。關于5G通信網絡的運行，相關技術人員需要對接入側安全、切片隔離安全、MEC安全及用戶邊界/私有云安全等加以重視。另外，對當前愈發先進的能源互聯網而言，網絡安全與用戶隱私保護依舊具有較高的重要性。例如，在電力系統中進行數據調度時，對數據信息的控制會對電網的安全穩定運行有著重要的影響。此時，一旦有網絡安全事件發生，就會造成不可估量的經濟損失[8]。另外，大型企業客戶的用電數據不僅是企業本身進行電費核算的重要依據，也是估算企業產能重要標準，對企業來說是十分重要的隱私數據。因此，需要加強對這方面數據信息的保護工作?？偠灾谖磥淼哪茉椿ヂ摼W中，數據信息的傳輸量相比以往必然會有顯著提升，需要企業技術人員對數據的保密等級進行合理、嚴謹設置，從而提高電力通信過程中的數據安全與隱私保護效果。

3 電力5G通信終端硬件架構

5G電力通信終端往往由主控模塊、擴展模塊及端口防護模塊等構件組成，具體配裝方式如圖1所示。在系統運行的過程中，模組適配模塊通過USB、PCIE等接口實現與主控模塊的通信工作，進而達成5G數據傳輸的工作目標。同時，其再與授時模塊通過傳輸器提供5G的授時信息，隨后利用GPIO傳輸口提供時鐘的同步信息。最后，利用主控模塊實行電力規約接入處理，提高對數據的管理效果，實現對其的高級應用。

圖1 硬件模塊框架

授時模塊能夠對網絡授時信號進行準確解析，在將其轉換為電力標準時，利用IRIG-B碼為業務終端提供時鐘源。最后，端口防護模塊的安裝可以滿足電磁環境的運營要求，并在電源端口、通信端口等部位加裝防護回路，從而能夠在等級為Ⅳ的浪涌、快速瞬變電等環境下進行正常工作，以保證產品的長期穩定運行。

4 電力5G終端軟件功能

從實際結構特性來看，該軟件的框架包括3個部分。

（1）人機交互層，主要作用為對終端參數進行合理配置，并能在顯示屏上展示出配置完成的參數、系統運行狀態及程序升級日志等信息。

（2）平臺層，其主要負責提供lib庫，如防火墻設置、路由功能及程序升級管理模塊等。

（3）業務層，其主要負責核心業務的處理，如LED顯示控制、核心數據轉發模塊及系統數據監控模塊等。其中，基于5G技術對時間信號進行傳播就被稱為時鐘源服務。在此過程中，基站通過系統信息塊SIB9的工作周期發送時間戳信息。隨后的終端自動對信息的傳輸延時進行累積計算，再通過迭代對實際延時進行逐步計算，并結合實際對本地時間進行修正。同時，該系統還可以基于R15標準，利用NR網絡的空中接口，通過SIB消息發下時鐘信息，包含天、秒、毫秒等信息。模組通過串口和GPIO分別向通信終端收拾模塊發送信息。

隨后，通信終端按照對應的時序進行模塊操作，具體從以下幾方面進行。

（1）CPU先對模組串口時標數據進行有效接收，再將數據轉換為B碼脈寬序列，傳輸給B碼芯片；

（2）當B碼芯片完成對脈寬序列接收后，若需類中有數據，則進行下一步驟，若無數據，則繼續進行接收；

（3）B碼芯片對基準脈沖進行檢查，若有脈沖電平變化發生，則輸出B碼，繼續接收脈寬序列。若無脈沖電平變化，則返回對脈沖的檢查步驟。

5 電力業務接入5G應用

5.1 核心網轉發方案

在實施拆動業務核心轉發模式的過程中，為達成運營商協調處理的模式，技術人員可通過5G客戶終端設備連接核心網，由其負責端到端路由功能。其中，核心網主要指獨立組網下的5G核心網，技術人員通過對其的應用，能夠通過CPE對上下行數據進行透傳，相關業務也能順利完成。

5.2 MEC服務器轉發方案

除上文所述外，技術人員也可以通過5G CPE連接MEC服務器，并在5G核心網用戶面實現功能下沉，最終形成獨立于核心網部署的專用服務器。從實際表現上來看，MEC服務器位于核心網與基站間，需要技術人員使其在物理距離上盡可能接近用戶，使端到端的延時得到有效控制，數據的轉發也更加貼近用戶側。另外，其還可以在MEC設備中設置管理網關，通過預設業終端使用戶與核心網的關系得到對應，再由業務終端連接的兩個CPE上電后，分別向鏈路路由管理模塊傳輸帶有業務終端標識的信息，且對CPE駐網IP信息也需及時進行傳輸。其還可以在UPF中建立兩側CPE互通策略，從而在動態IP的基礎上構建端到端的護筒鏈路，為5G配網差動業務的進行提供支持。

5.3 精準負荷控制業務5G網絡方案

在特高壓交流電網運行的過程中，對電力負荷的精準控制是其中的重要內容。通過對負荷資源進行分類、分區域管理，能夠實現從調度直接發令對分類用戶負荷的精準控制。與傳統的負荷控制業務相比，其不再通過有線光纖進行組網，網絡拓撲的難度得到下降，布局改造工作更加簡便，工程成本也得到了降低。此外，在對網絡拓撲問題進行處理時，5G網絡的應用能夠有效滿足傳統精準業務的控制需求。

6 結 論

現階段，5G網絡的蓬勃發展為電力通信水平的提高做出了重要的貢獻。本文論述了基于5G的電力通信終端研制及應用，對5G技術的應用困境進行分析，提出了相應的應用措施。