5G技术在电力应急通信中的应用研究

《5G技术在电力应急通信中的应用研究》论文发表期刊：《中国新通信》；发表周期：2021年06期

《5G技术在电力应急通信中的应用研究》论文作者信息：王芮(1984-)，男，汉族，吉林长春人，工程师，本科，研究方向为无线，有线通信

　　【摘要】“应急通信”即为支持应对突发或重大事件的通信，包含灾害发生地区、人口集聚数量较多的活动现场等。为了保证通信质量(如图片、音视频清晰度等)，纳入5G技术是必要的。本文分析了电力应急通信中通信系统的组网结构以及需求分析，介绍了5G技术应用于该系统的契合性，梳理了5G电力应急通信系统网络架构的设计思路以及优越性，希望5G技术得到广泛应用，提高应急通信质量。

　　【关键词】5G技术 电力应急通信 组网结构 需求分析

　　引言：现代意义的应急通信一般是指在出现自然或人为的突发性紧急情况，或是在重要的节假日、重要活动或会议现场，出现既有的通信系统无法承载骤然增多(或原系统被破坏)

　　通信需求时，综合利用多种通信资源，保证救援、紧急救助、维持必要的通信质量所需的通信手段和通信质量的应急机制口。随着5G技术的愈发成熟，该技术必然会应用到电力应急通信系统设计建设中。

　　一、电力应急通信中通信系统的组网结构以及需求分析

　　1.1电力应急通信系统的组网结构1.1.1针对突发或重大事件监视的通信系统使用要求通信系统又称为电信系统，一般由具备特定功能、相互作用、相互依赖的若干单元组成完成同一目标的有机整体。决定通信系统是否能够正常运行的主要因素在于两个方面，其一，稳定优质的电能供应：其二，保证信号正常传输。在一些特殊情况下(比如某地区出现地震、山体滑坡等灾害，导致人员受困、通信受阻，或是某地正在举办大规模集会型活动，或是召开重大会议，必须全程保持通信稳定度等)

　　均需将电力通信系统临时升级到“应急”状态，确保通信顺畅。具体的要求如下：

　　0应急通信系统必须能够支持预测和确认国家或地方级重大突发事件。

　　@电信业务包含大量的数据通信业务、报警业务、出警业务。

　　③工作环境根据突发事件的紧急程度，需要覆盖全国范围或能够沟通整个城市(管辖区域)。

　　④系统设计目标：保证各类业务的处理质量，尽量提高网络资源的利用效率，极尽可能提升电信网络的安全性，信息内容除了相关人员外，原则上不可向他人泄露。

　　1.1.2现场指挥系统应该具备的功能与设备紧急情况下的现场指挥系统必须具备的功能与设备如下：

　　①电信业务方面，固定电话、固定会议电话、高清视频及图像;

　　②现场应该临时搭建最高级别(相对)指挥所，配置最高级别支持度的应急通信网络。

　　1.1.3具体的组网结构

　　为了实现应急现场多个方位不同画面的同时直播信号传输，应按照如下方式组网。

　　①常规情况下，由于通信基站处于正常工作状态，故在3G/4G蜂窝移动通信技术的支持下，信号经过基站的“转发”，可支持不同终端用户的通信需求。在紧急情况下，通信基站可能因被破坏(如遭遇地震、泥石流等而损毁)，导致通信信号无法完成中转处理，或是在大型活动或重大会议现场，由于同时寻求通信连接的人数较多或是必须保证高质量的信号传输，导致基站无法承载如此庞大的需求当量，必须将性能更高的应急通信基站车开赴现场，实现现场终端设备与通信公网之间的中转。

　　②只要上述环节的通信质量得以保证，即人们常规认知中的“外网”时刻处于有效连接状态，则应急现场的“内网”

　　便可通过调制解调器，实现多通路的信号传输，同时满足多个用户的通信需求。

　　1.2应急情况下的电力通信需求分析在应急情况下，电力通信的主要需求如下：

　　(1)通信实现方式从“固定型”转化为“移动型、快捷型”

　　的需求。比如针对地震、火灾的现场应急指挥中心，受地形等环境的影响，很多大型直播设备没有合适的布置场所。因此，只能携带便携式直播设备，在极短时间内完成搭建。(2)保证传输信号的稳定性和清晰度。为了更好地指挥现场工作，指挥中心必须尽可能地掌握全覆盖范围内的所有信息。比如因山体滑坡导致某村落陷入危机状态，整个山体及该村落多个方向的所有环境变化情况理论上均应通过视频或图片的方式，实时传递至指挥中心，使现场人员多角度、高清晰度地观看。在必要的情况下，相关画面还应传递至救援人员携带的终端智能设备中，从而提升救援成功几率。

　　(3)保证通信信道的安全和电能的稳定供应。其一当前的无线通信信号主要通过微波、卫星两种系统实现传输。相比之下，采用微波通信方式时，如果距离较长，需通过“中继”的方式，使信号依次经过若干个相邻的微波接力站，最终传递至目标区域。如果特定位置的接力站无法发挥功能，则信道的安全性无法保证。在此种情况下，绕过常规的微波中继站，将卫星作为应急中继站，可保证信号的稳定传输。相比之下，采用微波通信方式时，如果距离较长，需通过“中继”的方式，使信号依次经过若干个相邻的微波接力站，最终传递至目标区域。如果特定位置的接力站无法发挥功能，则信道的安全性无法保证。在此种情况下，绕过常规的微波中继站，将卫星作为应急中继站，可保证信号的稳定传输。其二，现场电能供应。由于柴油发电机等设备的存在，用于应急电能供应的解决方式较多，无须担心。

　　二、5G技术应用于电力应急通信系统的契合性分析

　　根据上文所述的应急情况下的电力通信系统需求分析，5G技术与之具备极高的契合性。具体如下：在频率带宽、Massive MIMO(大规模天线)、调制技术、干扰消除、编码技术五种空口技术中，4G技术能够提供的支持参数以及运行方式分别为20M典型值、2T，4T.8T/R，64QAM、无干扰消除、Turbo;5G技术对应项为100M典型值、32T.641/R，256QAM，IC或双工NOMA干扰消除以及LTPC+Polar编码技术凹。

　　相较之下，在频率带宽、大规模天线、调制技术三个方面，5G与4G相比，速率分别增加5倍、16倍、1.25倍，干扰信号及误码率均大幅度降低。不仅如此，在信号传输速率、连接数密度等方面，5G的具体值分别为1Gbit/s和万/km2，均是4G的10倍。而在峰值速率、平均速率、流量密度等性能指标中，5G的具体值可达4G的15~20倍。由此可见，由于综合能力更强，5G技术将会全面取代4G技术，在包含电力应急通信系统在内的多个领域均会广泛应用。三、5G技术在电力应急通信中的具体应用方式

　　3.1 5G电力应急通信系统网络架构设计思路5G技术应用于电力应急通信系统设计的核心要素为5G网络切片技术，即利用SDN/NFV(网络本身/网源)虚拟化技术，可实现多终端之间的SLA(服务等级协议)保障、业务隔离、网络功能按需定制等功能。简言之，5G网络切片技术是指按照特定的需求组建网络的技术，可针对不同的应急场景进行差异化设计，避免单一模式应用于不同场景而受到制约。5G电力应急通信系统网络构架设计的具体思路如下：

　　3.1.1现场信息采集

　　应急通信车、便携式设备、无人机等具备自主或被动移动能力的物品中均应装有高清摄像头，根据应急场景的实际情况，放置于不同的位置，实时监控现场情况并将有关视频、图像、音频等信息传递至指挥中心。以此为基础，处于不同位置的设备携带人员或人工智能设备(如机器人、无人机等)

　　在接收到指挥中心发布的指令之后，立刻执行相应的操作，通过协调配合，保证现场情况朝着良好的方向发展。

　　3.1.2稳定网络通信信道的建立

　　应用5G技术后，5G通信与原有的卫星通信两种方式可结合使用，共同承担应急现场音视频、图片等数据信息的无障碍迅速传递。此两种技术结合运用后，可在很大程度上客服现场复杂环境造成的不良影响，保证信息的实时无损传输。

　　3.1.3应急指挥中心系统

　　前文提到了应急指挥中心应该具备的功能和指导现场情况发展的需求分析。若要实现相关功能，指挥中心主站首先应该具备专用的视频处理服务器、视频处理平台，多区域视频信号实时集中或分散显示的大屏幕等。只有上述硬件设备全部具备后，主站的数据处理、传输、转发、显示等才能长时间保持高质量和稳定性，进而创造出良好的多方在线视频会商、远程指挥工作的环境。

　　3.25G电力应急通信系统的优势分析5G电力应急通信系统具备高清视频回传、能够尽可能地提高清晰度与流畅性、支持多角度灵活切换等优势。具体而言：

　　(1)得益于5G技术，如具备特定功能的智能机器人(如地震后，探查危险区域是否拥有生还人员的机器狗)、无人机、5G背包等，可实现地空联合“直播”式的统一救援指挥，几乎不会受地形环境的影响。以无人机为例，由于通信信道基于5G通信和卫星通信两种渠道而构建，故地面控制无人机起飞后，可通过融合渠道向无人机内置的智能系统下达指令。比如无人机携带高清摄像装置飞到目标区域后，可根据地面指令调整视角，搭载的摄像机镜头也能够根据相关指令拉近/拉远。当现场的实际情况通过全范围无死角画面实时传递至指挥中心后，有助于现场最高负责人更加精确地制定应急处理方案。此外，由于融合通信方式可以保证极端的环境下的基础信号传输稳定性，故无须担心信号中断问题。(2)上文提到，针对不同的现场环境需采用基于不同侧重点的应急方案。如地震、火灾现场，由于危险系数极高，如消防、特种救援部队等也无法深入现场探查实际情况。因此，需利用人工智能机器人替代人工，完成勘察工作。但实现在复杂环境中无障碍传输信号需建立在高成本投入的前提下，且人工智能设备也存在损毁的可能。故在一些情况不甚紧急、条件尚未达到极端严重的状态下，可通过人工携带5G背包的方式，前往现场，同样能够实现信号的高清晰、无障碍传输。此种模式产生的成本远远低于人工智能或直播车+卫星直播的信号传输方式。

　　(3)与4G公共网络通信技术相比，应用5G切片技术之后，支撑应急系统的信号传输通道处于完全独立以及安全隔离的状态，不会占用区域公共无线通信信道，还能够保证信号传输速度，几乎不会出现延时等情况。

　　四、结语

　　电力应急通信系统应该包含重要信息枢纽及指挥中心，结合边缘计算等相关技术，具备自组网能力，通过部署视频监控、调度指挥、综合决策等丰富的应用，提升应急状态下的电力通信水平。在该系统中，一方面，保证电能的稳定供应：另一方面，提升信号的传递效率。上述两项要素共同决定了应急通信系统是否能够维持稳定的运行，是否能够及时传递准确的信息，最终目的在于降低恶性影响，保障安全。

　　参考文献

　　[1刘鸿雁，郑广宁，车四四，等，量子加密技术在山东电力机动应急通信系统中的研究与应用[D.信息通信，2000)：1-14.

　　[2]特古斯，金翠，李琦，3G通信技术在电力通信中的应用探讨[D.中国新通信，2020，22(15)1.

　　[3]袁咏诗，波分复用技术及4G技术在电力应急通信中的应用D.华南理工大学，2018.