智能電網(wǎng)中的無(wú)線通信技術(shù)解析

 我國(guó)的智能電網(wǎng)經(jīng)過(guò)幾十年風(fēng)風(fēng)雨雨的建設(shè)，已經(jīng)初具規(guī)模，通過(guò)衛(wèi)星、微波、載波、光纜等多種通信手段構(gòu)建而成為立體交叉通信網(wǎng)。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)的特性發(fā)生巨大的變化。鑒于采用無(wú)線通信網(wǎng)不依賴于電網(wǎng)網(wǎng)架，且抗自然災(zāi)害能力較強(qiáng)，同時(shí)具有帶寬大、傳輸距離遠(yuǎn)、非視距傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，非常適合彌補(bǔ)目前通信方式的單一化、覆蓋面不全的缺陷。

下面就來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下無(wú)線通信傳輸體制的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，并分析其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

二、無(wú)線技術(shù)介紹

(一)無(wú)線通信技術(shù)的概念

目前，無(wú)線通信及其應(yīng)用已成為當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)最活躍的研究領(lǐng)域之一。其一般由無(wú)線基站、無(wú)線終端及應(yīng)用管理服務(wù)器等組成。

(二)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)線通信技術(shù)按照傳輸距離大致可以分為以下四種技術(shù)，即基于IEEE802.15的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)、基于IEEE802.11的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、基于IEEE802.16的無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)及基于IEEE802.20的無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)。

總的來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)距離無(wú)線接入技術(shù)的代表為：GSM、GPRS、3G; 短距離無(wú)線接入技術(shù)的代表則包括：WLAN、UWB等。按照移動(dòng)性又可以分為移動(dòng)接入和固定接入。其中固定無(wú)線接入技術(shù)主要有：3.5GHz無(wú)線接入 (MMDS)、本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)(LMDS)、802.16d;移動(dòng)無(wú)線接入技術(shù)主要包括：基于802.15的WPAN、基于802.11的WLAN、基于802.16e的WiMAX、基于802.20的WWAN.按照帶寬則又可分為窄帶無(wú)線接入和寬帶無(wú)線接入。其中寬帶無(wú)線接入技術(shù)的代表有3G、LMDS、WiMAX;窄帶無(wú)線接入技術(shù)的代表有第一代和第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。

1.主流無(wú)線通信技術(shù)

從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)可以看出，以O(shè)FDM+MIMO為核心的無(wú)線通信技術(shù)將成為未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展的主流方向。而目前基于該技術(shù)的無(wú)線通信技術(shù)主要有：B3G、WiMAX、Wi-Fi、WMN等4種技術(shù)。

2.其他無(wú)線通信技術(shù)

除了上述主流的無(wú)線通信技術(shù)外，目前已存在的無(wú)線通信技術(shù)還包括：IrDA、Bluetooth、RFID、UWB、集群通信等短距離通信技術(shù)及LMDS、MMDS、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波、衛(wèi)星通信等長(zhǎng)距離通信技術(shù)。

(1)IrDA：InfraredDataAssociation，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0-1m之間，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps，通信介質(zhì)為波長(zhǎng)900納米左右的近紅外線。

(2)Bluetooth：Bluetooth工作在全球開(kāi)放的2.4GHzISM頻段，使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，通信介質(zhì)為2.402GHz到2.480GHz的電磁波。

(3)RFID：RadioFrequencyIdentification，即射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽。它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID由標(biāo)簽、解讀器和天線三個(gè)基本要素組成。

(4)UWB：UltraWideband，即超寬帶技術(shù)。UWB通信又被稱為是無(wú)載波的基帶通信，幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本。

三、無(wú)線技術(shù)優(yōu)劣分析

(一)WLAN技術(shù)分析

Wi-Fi的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且大批量生產(chǎn)。該技術(shù)適用于無(wú)線局域網(wǎng)，作為有線網(wǎng)絡(luò)的延伸，對(duì)于特殊地點(diǎn)寬帶應(yīng)用，盡管Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，但是它依然在安全性上存在一定的安全隱患，Wi-Fi采用的是射頻(RF)技術(shù)，通過(guò)空氣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，所以非常容易受到來(lái)自外界的攻擊，黑客可以比較輕易地在電波的覆蓋范圍內(nèi)盜取數(shù)據(jù)甚至進(jìn)入未受保護(hù)的公司內(nèi)部局域網(wǎng)。

(二)WiMAX技術(shù)分析

WiMAX是一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)，推出相對(duì)較晚，存在頻率復(fù)用性小、利用率低的問(wèn)題，但由于最近才完成標(biāo)準(zhǔn)化，該技術(shù)的大規(guī)模推廣還需要實(shí)踐考驗(yàn)。從應(yīng)用前景看，該技術(shù)可以在較大范圍內(nèi)滿足上網(wǎng)要求，覆蓋可以包括室外和室內(nèi)，可以進(jìn)行大面積的信號(hào)覆蓋，甚至只要少數(shù)基站就可以實(shí)現(xiàn)全城覆蓋。 WiMAX由于其技術(shù)的先進(jìn)性和超遠(yuǎn)的傳輸距離，一直被業(yè)界看好，是未來(lái)移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向，并提供優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

(三)WMN技術(shù)分析

WMN是正在研究中的技術(shù)，在研究中不斷地在不同方面結(jié)合各種技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行融合，而且暫時(shí)沒(méi)有一個(gè)成熟的產(chǎn)品系列來(lái)支持該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。從應(yīng)用前景看，WMN這一新興網(wǎng)絡(luò)不僅在無(wú)線寬帶接入中有著廣闊的應(yīng)用空間，在其他方面如結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像采集模塊可以對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，并廣泛應(yīng)用到環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)、交通等領(lǐng)域。隨著其他技術(shù)的不斷更新完善，WMN更好地與之相融合、互補(bǔ)，從而能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)。

(四)3G技術(shù)分析

3G于1996年提出標(biāo)準(zhǔn)，2000年完成包括上層協(xié)議在內(nèi)的完整標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。3G網(wǎng)絡(luò)部署已具備相當(dāng)?shù)膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有一成套建網(wǎng)的理論，包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算、傳播模型預(yù)算以及計(jì)算機(jī)仿真等。從商用前景看，目前，3G在部分地區(qū)已得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，比如歐洲很多國(guó)家、日本、韓國(guó)等都已經(jīng)建設(shè)了3G的網(wǎng)絡(luò)。3G技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入可以實(shí)用的階段，還有很多國(guó)家和地區(qū)正在建設(shè)或?qū)⒁ㄔO(shè)3G網(wǎng)絡(luò)。

(五)LMDS技術(shù)分析

本地多點(diǎn)分布業(yè)務(wù)系統(tǒng)LMDS是一種提供點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的固定寬帶無(wú)線接入技術(shù)，其工作頻率在20GHZ以上，利用毫米波傳輸，可在一定的范圍內(nèi)提供數(shù)字雙工語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、因特網(wǎng)和視頻業(yè)務(wù)，是一種非常好的寬帶固定無(wú)線接入解決方案。在最優(yōu)情況下，距離可達(dá)8公里;但是由于受降雨的原因，距離通常限于1.5公里。

其主要工作原理是通過(guò)扇區(qū)或基站設(shè)備將ATM骨干網(wǎng)基帶信息調(diào)制為射頻信號(hào)發(fā)射出去，在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的許多用戶端設(shè)備接收并將射頻信號(hào)還原為ATM基帶信號(hào)，在無(wú)需為每個(gè)用戶專門(mén)鋪設(shè)光纖或銅纜情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向?qū)ΨQ高帶寬無(wú)線傳輸。

(六)MMDS技術(shù)分析

MMDS的主要缺點(diǎn)是有阻塞問(wèn)題且信號(hào)質(zhì)量易受天氣變化的影響，可用頻帶亦不夠?qū)?，最多不超過(guò)200MHz.其次，MMDS對(duì)傳輸路徑要求非常嚴(yán)格。由于MMDS采用的調(diào)制技術(shù)主要是相移鍵控PSK(包括BPSK、DQPSK、QPSK等)和正交幅度調(diào)制QAM調(diào)制技術(shù)，無(wú)法做到非視距傳輸，在目前復(fù)雜的城市環(huán)境下難以推廣應(yīng)用。另外，MMDS沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的設(shè)備存在兼容性問(wèn)題。

(七)集群通信技術(shù)分析

數(shù)字集群系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，它的頻譜利用率有很大提高，可進(jìn)一步提高集群系統(tǒng)的用戶容量;它提高了信號(hào)抗信道衰落的能力，使無(wú)線傳輸質(zhì)量變好;由于使用了發(fā)展成熟的數(shù)字加密理論和實(shí)用技術(shù)，所以對(duì)數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，保密性也有很大改善。

數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)可提供多業(yè)務(wù)服務(wù)，也就是說(shuō)除數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)外，還可以傳輸用戶數(shù)字、圖像信息等。由于網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)氖墙y(tǒng)一的數(shù)字信號(hào)，因此極大地提高了集群網(wǎng)的服務(wù)功能。

(八)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通信技術(shù)分析

微波傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，可以降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。與租用線路相比，微波系統(tǒng)的投資只要一年左右即可收回。第二，微波傳輸系統(tǒng)部署簡(jiǎn)潔快速。與傳統(tǒng)的傳輸手段相比，其快速部署的優(yōu)勢(shì)可以更快地滿足新業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。第三，目前的微波產(chǎn)品對(duì)未來(lái)的發(fā)展是有保障的，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商的新業(yè)務(wù)和新需求都可以給予很好的支撐。未來(lái)，微波傳輸系統(tǒng)將升級(jí)到全I(xiàn)P的平臺(tái)之上，可以全面支持運(yùn)營(yíng)商未來(lái)的發(fā)展。

(九)衛(wèi)星通信技術(shù)分析

利用衛(wèi)星在有些人口不很密集的地區(qū)來(lái)配合陸地通信。在這些地區(qū)散布著范圍較廣但不密集的用戶，可以利用衛(wèi)星作為用戶連至固定有線網(wǎng)的接入設(shè)施。在陸地通信網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)成寬帶多媒體通信網(wǎng)的環(huán)境下，利用衛(wèi)星建成寬帶衛(wèi)星接入系統(tǒng)是比較好而切合實(shí)際的方案，經(jīng)濟(jì)又可靠。

但是衛(wèi)星通信畢竟是采用衛(wèi)星作為通信平臺(tái)，其地面站的建設(shè)、通信信道租用費(fèi)用都需要花費(fèi)大量資金，而且通信資源為衛(wèi)星通信公司所有，受其帶寬的限制，使得大量數(shù)據(jù)的傳輸需要付出非常大的代價(jià)。因此，作為日常生產(chǎn)、生活使用是極為不經(jīng)濟(jì)的;而將衛(wèi)星通信作為應(yīng)急通信、作戰(zhàn)通信、海外通信等則比較適合。

四、無(wú)線技術(shù)綜合比較

目前無(wú)線通信領(lǐng)域各種技術(shù)的互補(bǔ)性日趨鮮明。這主要表現(xiàn)在不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍、不同的適用區(qū)域、不同的技術(shù)特點(diǎn)、不同的接入速率。3G可解決廣域無(wú)縫覆蓋和強(qiáng)漫游的移動(dòng)性需求，WLAN可解決中距離的較高速數(shù)據(jù)接入，而UWB可實(shí)現(xiàn)近距離的超高速無(wú)線接入。

首先，從標(biāo)準(zhǔn)化程度上看，本報(bào)告所涉及的技術(shù)中，僅僅WMN技術(shù)沒(méi)有成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，LMDS、MMDS、集群通信均有多種標(biāo)準(zhǔn)，只是沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其余的技術(shù)均已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)化工作，并且都進(jìn)行了試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)和商業(yè)網(wǎng)建設(shè)。

從頻率上看，Wi-Fi技術(shù)、WMN均使用的是開(kāi)放頻段，WiMAX技術(shù)、3G技術(shù)等其他技術(shù)使用的是授權(quán)頻段。

從覆蓋范圍上看，Wi-Fi技術(shù)、WMN技術(shù)屬于局域網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)，僅覆蓋35m-100m;WiMAX技術(shù)、3G技術(shù)、LMDS技術(shù)、 MMDS技術(shù)、集群通信屬于城域網(wǎng)接入技術(shù)，覆蓋范圍在1km-54km不等，而衛(wèi)星通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波則屬于廣域網(wǎng)技術(shù)，通常用于通信主干組網(wǎng)建設(shè)。

從傳輸速率上看，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波和衛(wèi)星通信屬于干線傳輸技術(shù)，不同的情況速率變化較大，而其余的技術(shù)均為接入技術(shù)，僅僅是3G技術(shù)接入速率最小，僅為384k，而其余技術(shù)均為幾十M甚至上百M(fèi)的速率。

從調(diào)制技術(shù)上看，其中Wi-Fi技術(shù)、WiMAX技術(shù)、WMN、3G技術(shù)均采用最新的調(diào)制技術(shù)OFDM，其余的技術(shù)均未采用OFDM調(diào)制技術(shù)。

從天線技術(shù)上看，僅僅3G和WiMAX技術(shù)采用了MIMO技術(shù)，而其他技術(shù)均未采用MIMO技術(shù);從傳輸環(huán)境上看，僅僅WiMAX技術(shù)和3G技術(shù)支持非視距傳輸，其余技術(shù)均要求視距傳輸環(huán)境;從網(wǎng)絡(luò)安全和QoS機(jī)制上看，WiMAX技術(shù)和3G技術(shù)在這方面做得比較優(yōu)秀、完善，其余的均存在較大的問(wèn)題。

五、無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用及展望

目前，在電網(wǎng)電力系統(tǒng)通信中仍然以具有高傳輸率、高帶寬、高可靠性等特性的光纖通信為主，但隨著電網(wǎng)對(duì)災(zāi)難應(yīng)急、配網(wǎng)自動(dòng)化、辦公智能化等需求的提出，無(wú)線通信將以其迅速部署、不受地面限制等特點(diǎn)尋求到在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用。

因此，無(wú)線通信可以成為電力系統(tǒng)通信的一個(gè)重要補(bǔ)充手段，為電力系統(tǒng)構(gòu)建綜合通信網(wǎng)提供非常重要的一個(gè)部分。