1 引言

    應急通信保障是國家突發(fā)事件應急管理體系的一個重要的組成部分，當通信網(wǎng)設施遭受破壞、性能降級、或涉及國家公共安全特別是突發(fā)公共事件等特殊通信保障任務的情況下，應急通信都發(fā)揮著不可替代的作用。電力應急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)是電網(wǎng)發(fā)展提出的新課題，目前還處在研究探索階段。由于突發(fā)事件以不確定性和應急性為重要特征，事發(fā)時間、地點無法預先預知，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡無法確保已有應急需要，指揮中心、相關部門不能及時、充分地了解相關情況而無法下達指令，指揮協(xié)調(diào)難度大，所以電力應急通信系統(tǒng)建設亟需改進和提高。因此，需要建設一套完整的電力應急通信系統(tǒng)，支持現(xiàn)場視頻回傳與語音通信，以保證在最短的時間內(nèi)調(diào)動不同部門，協(xié)同作戰(zhàn)，對突發(fā)事件做出有序、快速、高效反應。

    傳統(tǒng)應急指揮系統(tǒng)中個人通信手段單一，通信車與個人之間僅能提供簡單的語音功能。為了解決傳統(tǒng)應急通信方案的缺陷，本文提出了依托當?shù)鼐C合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，采用國家通信標準和國際通信標準McWiLL寬帶無線通信技術（國家通信標準號YD/T 1989—2009；國際通信標準號M.1801）的解決方案。通過視頻傳輸用于電力應急指揮系統(tǒng)中，為電網(wǎng)突發(fā)事件情況下，提供電力故障搶修應急指揮通信手段，為生產(chǎn)系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)的業(yè)務等業(yè)務部門提供快捷的應急通信方式，實現(xiàn)應急指揮信息接入統(tǒng)一的應急指揮平臺，決策信息和搶險信息實時化、可視化互傳，提高電網(wǎng)應對突發(fā)事件能力。

    2 電力應急通信的設計要求

    隨著國民經(jīng)濟的日益增長，加強電網(wǎng)中各種高標準的研究，生產(chǎn)業(yè)務和管理信息越來越多。這對電網(wǎng)應對突發(fā)事故的處理能力提出了更高的要求。因此研究研究與應用電網(wǎng)事故搶修“應急通信系統(tǒng)”，實現(xiàn)應急指揮、搶險現(xiàn)場的全過程可視化，便于指揮，提高搶修工作效率是電網(wǎng)通信研究與應用的當務之急。電力應急通信通常包含兩個方面的含義：

    （1）電力通信故障應急恢復。指的是當沒有成環(huán)的光纖鏈路發(fā)生故障時，采用臨時的無線傳輸手段將遠端變電站的自動化等數(shù)據(jù)回傳，保障在光纜搶修期間該變電站能正常地運行。

    （2）電力事故現(xiàn)場的應急指揮。指的是當發(fā)生突發(fā)事件時，應急指揮車可以開到事故現(xiàn)場附近，搶修人員可以單兵進入事故地點內(nèi)部，通過應急通信終端與應急指揮車通信，指揮車的通信系統(tǒng)可以進行現(xiàn)場各種人員的集群通信和調(diào)度指揮。現(xiàn)場應急指揮車可通過某種回程網(wǎng)絡技術與后方指揮中心聯(lián)系，以此構建一個完整的應急指揮系統(tǒng)。

    只有綜合考慮這兩種應急需求，在不同的突發(fā)事件時采用不同的應急通信手段，才能為電力系統(tǒng)開展的各項業(yè)務提供保障，發(fā)揮電力應急通信系統(tǒng)真正的作用。

    3　總體方案

    與單純的“應急通信”不同，電力應急更加強調(diào)視頻的應用，電力應急通信系統(tǒng)擺脫了以往只能通過電話來協(xié)調(diào)各部門處理事件的局面，各級應急指揮中心都可以第一時間了解搶險現(xiàn)場的真實情況，這種可視化的指揮很大程度提高了電力應急處置水平。電力應急通信系統(tǒng)中視頻信號的傳輸對通信鏈路提出了較高的要求，因此如何確保通信鏈路的可靠性是目前電力應急視頻系統(tǒng)建設必須解決的技術問題。目前，電力系統(tǒng)經(jīng)過多年的內(nèi)部信息化建設，擁有了大容量和遠距離的光纖骨干網(wǎng)絡，基本上實現(xiàn)了局、所、站的光纖聯(lián)網(wǎng)，電力光纖綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)帶寬大，可為承載大容量的視音頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了高速化、寬帶化的骨干傳輸通道。同時，由于無線通信網(wǎng)絡覆蓋范圍大、施工方便、成本低，在電力系統(tǒng)也具有良好的可行性和實用性，因此建設基于光纖有線通信和無線通信方式相結合的電力應急通信系統(tǒng)，是電力部門進行應急視頻傳輸?shù)淖罴逊绞健?/p>

    電力應急無線通信系統(tǒng)由點對點回程通信網(wǎng)絡和寬帶無線接入網(wǎng)絡組成（見圖1）。

圖1　系統(tǒng)層次結構圖

    3.1　點對點回程網(wǎng)絡

    應急指揮通信車通過回程網(wǎng)絡連接到指揮中心，保證現(xiàn)場通信終端能夠通過通信車訪問位于指揮中心信息網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務服務器和相關數(shù)據(jù)庫。本方案采用COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，編碼正交頻分復用的簡稱）技術實現(xiàn)回程，是目前世界最先進和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術。它的實用價值就在于支持突破視距限制的應用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術，可以對噪聲和干擾有著很好的免疫力。回程接入點可選擇就近的有光纖并能正常通信的變電站或電力分支機構場所。COFDM技術能夠在“高速運動中”、“非視通條件下”實現(xiàn)高速無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的實時傳輸，可完成“運動中和阻擋條件”下傳輸語音、數(shù)據(jù)、圖像等單、雙向網(wǎng)絡綜合業(yè)務，是寬帶無線接入回程網(wǎng)絡的最佳選擇。

    3.2　現(xiàn)場寬帶無線接入網(wǎng)

    應急現(xiàn)場指揮通信車，裝配應急升降桿、McWiLL基站及其核心網(wǎng)系統(tǒng)，通過McWiLL基站建立故障現(xiàn)場區(qū)域內(nèi)的寬帶無線接入網(wǎng)信號覆蓋，構建事故現(xiàn)場應急搶修的語音、視頻和數(shù)據(jù)的綜合接入通信通道，可將故障現(xiàn)場信息有效返回到應急現(xiàn)場指揮通信車，可進行現(xiàn)場指揮。在McWiLL無線本地接入網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)每個搶修救援小組可以攜帶一套單兵系統(tǒng)進行現(xiàn)場工作，附近的工作人員攜帶的無線筆記本，PDA和手機等單兵通信終端可以通過單兵系統(tǒng)進行組內(nèi)現(xiàn)場分析和上報。以單兵系統(tǒng)為通信中心組成的救援小組為電力應急無線通信系統(tǒng)提供了靈活的組網(wǎng)和工作方式，提高了電網(wǎng)應對突發(fā)事故的應變能力（見圖2）。

圖2　電力應急系統(tǒng)工作圖

    在應急通信應用中，只有選用有效、高速、安全的無線通信技術才能真正發(fā)揮應急指揮系統(tǒng)快速反應、準確處理的特點，McWiLL寬帶無線接入技術，具有覆蓋范圍廣、接入速率高，易于擴展，抗多徑干擾能力強的特點。

    3.3　應用場景

    單一的點對點通信網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)電力故障應急恢復；當出現(xiàn)大的突發(fā)事件時，也可以作為寬帶無線本地接入網(wǎng)的回程使用；寬帶無線接入網(wǎng)絡則作為現(xiàn)場應急指揮系統(tǒng)的通信手段。具體應用場景為：

    （1）當出現(xiàn)一般故障需要進行簡單的通信恢復時，可將COFDM無線傳輸網(wǎng)橋的兩端分別安裝在故障線路兩端的變電站內(nèi)，在10~20km的范圍內(nèi)恢復遠端變電站的通信。保證電力信息及時安全地傳輸，保證電網(wǎng)的正常運行。

    （2）當出現(xiàn)大的突發(fā)事件需要進行現(xiàn)場應急指揮時，采用COFDM技術實現(xiàn)點到點無線傳輸，可構成應急通信系統(tǒng)現(xiàn)場指揮通信回程網(wǎng)絡，將故障現(xiàn)場信息通過COFDM無線傳輸網(wǎng)橋回傳到后方指揮中心，實現(xiàn)遠程應急指揮。

    執(zhí)行任務時指揮通信車在第一時間到達現(xiàn)場，可通過COFDM無線局域網(wǎng)構建回傳信道，及時地在指揮車、指揮中心之間建立視頻、語音、數(shù)據(jù)傳輸通道。

    語音、數(shù)據(jù)碼流由車載復用/交換設備匯聚，視音頻監(jiān)控碼流則通過視音頻矩陣進行選擇、編碼。編碼后的視音頻監(jiān)控碼流與語音、數(shù)據(jù)通過復用、調(diào)制、變頻和功率放大后，通過指定的轉發(fā)器發(fā)回指揮中心，供指揮員參考。指揮中心也可以采用同樣方式將視頻、語音、數(shù)據(jù)信息下傳至指揮通信車。

    4　安全體系

    為了電力應急通信系統(tǒng)的正常運作，系統(tǒng)的安全問題應該得到足夠的重視。根據(jù)電力應急通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡層次，應該使用不同的安全技術有針對性地保障該通信系統(tǒng)發(fā)揮應有的作用，電力應急通信系統(tǒng)的安全體系如圖3所示。

圖3　電力應急系統(tǒng)的安全體系

    4.1　回程網(wǎng)絡的安全

    本方案中采用VPN技術保證回程網(wǎng)絡的信息傳輸安全。VPN技術，又叫做虛擬專用網(wǎng)，它通過在網(wǎng)絡中建立一個獨立穩(wěn)定的安全鏈接進行通信數(shù)據(jù)的傳輸。

    VPN架構中采用了多種安全機制，如隧道技術（Tunneling）、加解密技術（Encryption）、密鑰管理技術、身份認證技術（Authentication）等，通過上述的各項網(wǎng)絡安全技術，在現(xiàn)場應急指揮車和指揮中心之間建立一個獨立的通信信道，確保資料在公眾網(wǎng)絡中傳輸時不被竊取，而且可以根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的安全級別設置不同的傳輸優(yōu)先級，保證重要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠第一時間傳送到指揮中心，保證現(xiàn)場救援工作的順利進行。

    4.2　McWiLL接入網(wǎng)的安全

    現(xiàn)場接入網(wǎng)絡McWiLL的安全體系可以實現(xiàn)以下3個目標：

    （1）保護合法用戶的身份信息的安全性。

    （2）保護合法用戶的通信信息不被竊取或監(jiān)聽。

    （3）保護網(wǎng)絡資源不被非法終端使用和修改。

    針對以上目標，McWiLL網(wǎng)絡采用了由安全數(shù)據(jù)管理、接入安全和業(yè)務安全組成的多層次安全體系（見表1）。

    表1　McWiLL多層次安全體系

    安全數(shù)據(jù)的妥善管理和有效控制是整個接入網(wǎng)安全機制的根本。安全數(shù)據(jù)包括對各種身份標識的驗證、密鑰技術和安全算法。通過對終端的用戶標識號（User Identifier，UID），用戶標識號（User Identifier，UID）和用戶安全識別碼（Security Identifier，SID）等身份信息進行認證，然后通過隨機序列生成算法，開戶流程中用戶信息的加密算法，UID和SID保護算法，空中接口業(yè)務流加密算法和空中接口消息字段加密等算法對數(shù)據(jù)庫的信息進行保護，防止信息被竊取和修改。

    接入安全技術包括下行波束賦形，接入限制，設備鑒權和用戶鑒權等技術。下行波賦形是指基站對每個發(fā)送給終端的信號都采用了波束賦形，因此下行鏈路的信號很難被截獲，保證了空中接口的通信安全；接入限制是指，對McWiLL網(wǎng)絡的網(wǎng)絡標識號（Network Identifier，NID）和用戶終端網(wǎng)絡標識進行匹配驗證，判斷該用戶是否有接入網(wǎng)絡的權限；設備鑒權是McWiLL系統(tǒng)對用戶終端設備的身份驗證，以防止非法用戶終端接入系統(tǒng)；用戶鑒權，是對設備鑒權的補充，它包含了對用戶標識號（UID）的惟一性檢查和采用鑒權算法對用戶身份的驗證兩個過程，這個過程可以防止非法用戶接入網(wǎng)絡，同時還可以防止多個設備使用同一用戶名訪問網(wǎng)絡的情況發(fā)生。

    業(yè)務安全包括業(yè)務認證，非法分組過濾，賬號綁定和端到端加密。業(yè)務認證用于保證用戶終端接入網(wǎng)絡后，只能享用該用戶已經(jīng)開通了的相關業(yè)務；非法分組過濾工作在用戶側可以阻止非法數(shù)據(jù)包流向網(wǎng)絡；賬號綁定功能可以限制用戶賬號在沒有經(jīng)過授權的其他終端上使用；在McWiLL網(wǎng)絡中針對一些安全級別比較高的數(shù)據(jù)或語音業(yè)務，常常會采用基于可信第三方的安全解決方案，通過第三方提供加密認證等安全業(yè)務保證傳輸信息的安全性。

    5　結束語

    本文提出的采用McWiLL寬帶無線通信技術與COFDM無線視頻傳輸技術建設電力應急指揮系統(tǒng)，可以在電網(wǎng)突發(fā)事件情況下，提供電力故障搶修應急指揮通信手段，為生產(chǎn)系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)的業(yè)務等業(yè)務部門提供快捷的應急通信方式，安全體系能夠保證用戶的安全接入和數(shù)據(jù)的安全傳輸，實現(xiàn)了電力應急指揮信息接入統(tǒng)一的應急指揮平臺，決策信息和搶險信息實時化、可視化互傳的目標，提高電網(wǎng)應對突發(fā)事件能力。<