5G技术在电力应急通信中的应用研究.docx

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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

摘要：

电力应急通信系统为各类突发事件和自然灾害现场实时直播提供重要通道保障。

在重点研究5G切片等关键技术及特点的基础上，通过结合电力应急通信业务需求，对5G技术在电力应急通信中的应用展开研究，提出一种基于5G技术的电力应急通信网络架构解决方案，并从架构特点、业务流向、安全等方面阐述了应用架构的优势，该解决方案提升了应急现场在直播多个高清画面时的可靠传输能力，满足复杂多变的应用环境。

关键词：

应急通信；5G；网络切片；网络架构

1　引言

随着5G技术的成熟与发展，5G网络具备极高的速率、极大的容量、极低的时延三大技术特点，因此5G技术成为全球移动通信竞争的焦点，中国已成为推动构建全球5G产业发展生态圈的引领者[1]。

目前，5G以全新的网络架构和性能赋能应急管理、交通运输、医疗健康、教育等垂直行业的信息化发展，在智能发电、输电、配电等智能电网中也具有广泛应用，备受全球范围内各行各业的关注[2-3]。

电力应急通信在各类突发事件、自然灾害等极端条件下起到至关重要的作用，可提供应急现场画面直播、调度指挥、事件严重性等级评估等保障[4]。

随着泛在电力物联网建设的不断推进，研究5G技术在电力应急通信中的应用，能够解决应急现场画面直播角度单一、灵活度不足、成本较高、移动性差等短板问题，满足快速部署条件下现场应急通信区域覆盖、指挥调度畅通等一系列需求，对快速定位事件原因、提升应急响应速度、提高应急处置效率具有重要意义。

因此，5G技术在电力应急通信中的应用研究，己成为电力应急通信发展中迫切需要关注的焦点。

本文介绍了电力应急通信组网结构，分析了应急现场直播业务需求，在重点研究5G切片等关键技术及特点的基础上，结合电力应急通信业务需求，提出一种基于5G技术的电力应急通信网络架构解决方案。

2　电力应急通信系统组网结构与需求分析

2.1　电力应急通信系统组网结构

电力应急通信系统由卫星通信和3G/4G公网通信两个通道承载，可实现应急现场多个画面直播同时传输、调度指挥等功能（见图1）。

图1　电力应急通信网组网结构

卫星通信网是由卫星通信中心站、移动便携站、移动单兵系统、应急通信车载站组成的星型通信网络。

卫星通信通常采用VSAT卫星通信技术，该技术利用卫星链路传递现场图像与信息，可加强灾难事故现场与外界的联系，并提供必要的信息基础救灾服务[4]。

但卫星通信容易受天气及环境等方面的影响，信号具有不稳定性，同时受到带宽限制，无法提供超高清视频回传。

3G/4G公网通信为卫星通信提供备用通信方式，当卫星通信信号不稳定时，可切换至公网通信进行应急现场画面传输，保障了数据传输的稳定性，解决了单一网络通道无法满足复杂多变的应用现场问题[5]。

但是4G技术也存在带宽限制，无法提供超高清视频实时回传，同时因在公网传输，通道传输安全缺乏有效的保证措施。

此外，电力应急通信还通过在应急通信车或便携站上安装球形摄像头进行实时画面回传，但此方式无法满足空中直播、多角度直播，不具备即开即播的灵活性，无法高带宽回传多个画面。

此外，一些特殊事故现场不宜部署应急通信车，且临时搭建成本较高。

2.2　电力应急通信需求分析

应急通信现场直播受限于直播车高昂的价格、4G带宽以及单一的直播角度，直播现状急需改变，而5G移动直播结合无人机空中直播的方式可以很好地改变这一现状，在新技术不断发展的推动下，分析如下应急通信需求。

（1）移动性、快捷性需求。

突发事件、重大事故现场限制了大型直播设备布放，急需便携式直播设备；同时，快速搭建直播环境、实现移动直播也推动了5G移动直播的发展。

（2）直播多角度、画面高清回传需求。

现有应急通信无法满足客户高画质的多角度观看；无法满足多用户在同一网络下同时观看。

（3）通道安全需求。

现有4G公网通道处于开放式传输模式，无端到端通信通道安全保证。

3　5G技术原理与特点

3.1　5G技术原理

5G技术包含多个频段，其中6GHz以下用于广域连接，24GHz~100GHz用于超高速传输，具有大带宽、低延时、广连接、高可靠等特性。

5G具有统一灵活空口、新型网络架构，融合网络切片、边缘计算等先进技术理念，能够通过灵活匹配业务需求和网络资源，满足不同垂直行业特定的业务需要[6-7]。

5G通信在各个性能指标上都领先于4G通信，其空口技术和关键性能指标与4G的对比参见表1、表2。

表1　5G与4G的空口技术对比

表2　5G与4G的关键性能指标对比

3.2　5G网络切片技术特点

5G网络切片利用SDN/NFV虚拟化技术，具备端到端SLA保障、业务隔离、网络功能按需定制等典型特点，是一种按需组网技术。

5G网络切片可满足不同场景，诸如工业控制、应急通信、远程医疗等各类行业业务的差异化需求。

（1）端到端SLA保障。

网络切片由核心网、无线、传输等多个子域构成，切片的SLA由多个子域组成的端到端网络保障；网络切片实现多域之间的协同，包括需求分解、SLA分解、部署与组网协同等，同时切片能够提供从接入到传输到核心网的安全隔离。

（2）业务隔离。

网络切片结合承载业务的需求特征，对网络功能、物理硬件等端到端的网络资源进行逻辑划分和封装，构建不同的网络实体，实现不同业务对网络带宽、时延、可靠性等网络性能的QoS质量保证；5G切片间相互独立，确保不同的切片之间业务不会相互干扰，切片之间的错误或故障也不会相互影响[8]。

（3）功能按需定制、动态编排。

5G网络基于服务化架构，具有网络可编排的能力，从切片的订购、编排、部署到激活采用全自动化技术。

3.3　5G网络切片场景应用

5G支持增强型移动宽带（enhancedMobilebroadband，eMBB）、海量物联（massiveMachineTypeofCommunication，mMTC）、超高可靠低时延（ultra-Reliable&low-latencyCommunication，uRLLC）三大类应用场景，对应三大主流场景应用切片。

3.3.1　面向高带宽需求的eMBB切片

eMBB切片指在现有的移动宽带业务基础上，为用户提供1Gbit/s用户体验速率和10Gbit/s峰值速率，较4G接入速率提升10倍，从而全面支持高清视频回传、高质量语音、增强现实、虚拟现实等业务，这些业务应用主要基于5G通信高速率特点，实现大流量、高带宽需求。

3.3.2　面向大连接需求的mMTC切片

mMTC切片提供具备超千亿网络连接支持能力，适用于大规模传感和数据采集应用。

mMTC典型应用场景包括泛在电力物联网、智慧家居、智慧城市等，这些业务应用主要基于5G通信低功耗和高容量特性，实现大连接、低功耗需求。

3.3.3　面向低延时与高可靠需求的uRLLC切片

uRLLC切片通过优化数据传输路径，使控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，从而提供对时延、可靠性极其敏感的服务，保证毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性，适用于车联网、远程医疗、智能电网控制等低时延、高可靠业务[6]。

随着国家电网“三型两网”“泛在电力物联网”建设的不断推进，开展5G技术在电网中的应用是实现国家电网战略转型的必经之路。

电力业务可分为电网控制类、信息采集类和移动应用类，与5G的应用场景非常匹配（见图2）。

其中，应急通信是eMBB业务场景应用的重要体现，本文结合应急通信需求，对未来基于5G技术的电力应急通信网络架构进行设计。

图2　5G电力业务应用场景

4　基于5G技术的电力应急通信网络架构

4.1　基于5G技术的电力应急通信网络架构设计

本文在研究分析了5G技术特点和5G切片关键技术的基础上，结合电力应急通信业务需求，提出基于5G技术的电力应急通信网络架构，该架构主要分为应急现场采集端、网络通信通道、应急指挥中心站（见图3）。

图3　基于5G技术的电力应急通信网络架构

4.1.1　现场采集

现场采集端主要包含应急通信车、便携站、无人机、5G背包（含高清摄像头），针对不同的应急场景选用合适的应急设备，用来采集现场音视频信息回传至应急指挥中心站，并接收中心站指令进行应急处置。

4.1.2　网络通信通道

网络通信通道主要包含卫星通信和5G通信两种，承载自然灾害、突发事故等应急现场的音视频及数据信息传输。

卫星通信与5G通信通道结合方式可适用于各种复杂的现场网络环境，确保应急通信的实时性、稳定性和安全性。

4.1.3　应急指挥中心站

应急指挥中心站主要包含视频处理服务器、视频处理平台、大屏显示设备等，为主站提供数据处理、传输、转发、显示等功能，提供与应急现场双方会商，指挥应急现场处置工作。

4.2　基于5G技术的电力应急通信网络架构优势

本文提出的基于5G技术的电力应急通信网络架构，具有高清视频回传，增强画面清晰度与流畅性，支持灵活、多角度直播，保证通信传输的稳定性及安全性等多个优势。

4.2.1　从架构特点分析

该架构在应急现场增设无人机、5G背包，其中5G直播方案灵活便捷，应急人员背上直播设备即可开始现场直播，不受场地限制，尤其遇到抗震救灾、突发事故时，5G直播优势很大；5G+无人机可实现空中多角度的高清直播，确保灾情、警情上报和指挥调度畅通等一系列需求。

在网络通信通道方面，5G能够提高超高清视频的实时传输，卫星通信能够保证极端应急环境下的基础画面回传与指挥调度服务。

4.2.2　从业务流向分析

在非极端条件下，应急人员采用背包等便携设备即可完成应急现场与指挥中心之间业务流的双向传输，成本远低于直播车+卫星直播的传统直播方式；在极端条件下，应急现场业务流可以选用卫星通信方式，也可经过5G应急自组网进行音视频传输，多种方式保证应急通道的流畅性。

4.2.3　从安全性角度分析

相比4G公网通信，5G切片技术能够保证应急通信业务资源占用的独立性和安全隔离性，同时保证应急通信在带宽、时延等方面的QoS质量。

5　结束语

电力应急通信系统是重大灾难、突发事故时保证电力设施等应急抢修、快速恢复的重要系统。

随着5G技术的不断成熟与发展，开展5G技术在电力应急通信中的应用具有重要意义。

本文结合应急通信需求提出的基于5G技术的电力应急通信网络架构，实现高清视频回传，支持灵活、多角度直播，同时保证应急现场多个画面传输的稳定性及安全性，提升应急响应速度及应急处置效率，能够应对复杂多变的应用环境，具有良好的应用前景。