蜂窝物联网在电力通信系统中的应用

李敬义，袁 琳

（1.吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012；2.吉林恒通电力设计股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

物联网技术在各个领域都发挥着重要作用。近年来，物联网业务规模不断扩大，2010年全世界的物联网连接不到2亿，2014年末连接达到2.43亿，2020年全世界的物联网连接数超过10亿。从物联网连接情况来看，2010年运营商蜂窝网络的连接占有比例不足2%，到2020年增长到10%。当前，物联网业务已经逐渐成为人们生活中的一部分，电信运营商应用蜂窝网络为各个领域提供服务。电力通信系统运行过程中积极发挥蜂窝物联网技术的作用，提高了系统运行可靠性，可有效控制运行成本。

1 物联网技术标准化的基本介绍

物联网技术走上商业化发展道路，在亚洲地区、欧洲地区以及北美洲地区得到了广泛应用，并融入了商业领域。物联网业务运行呈现出商业化模式，各种应用场景应运而生，新的技术需求不断涌现。现在各个国家的国际规模组织都相继制定了物联网技术标准，每个标准化组织都履行各自的工作职能积极开展标准化工作[1]。物联网技术标准化路标如图1所示。

图1 物联网技术标准化路标

1.1 ETSI（欧洲电信标准化协会）标准

ETSI是欧洲电信标准化协会，是欧共体委员会在1988年批准建立的电信标准化组织，属于非赢利性单位。ETSI2009年开始启动M2M项目，并制定了解决端到端的标准方案。ETSI对于这个项目的研究是从2个层面展开的：第1层面是从M2M市场需求出发，收集M2M的应用情况，分析M2M业务需求；第2层面是界定M2M业务需求、网络体系架构以及接口和过程的设计。

ETSI制定M2M标准后，应用范围得以扩展，涵盖范围广泛，具体为M2M业务需求、M2M接口功能体系、M2M架构以及M2M术语等。从实例出发展开研究，主要研究电子健康技术、用户互联技术以及城市自动化技术等。

1.2 3GPP（第三代合作伙伴计划）标准

3GPP是第三代合作伙伴计划，成立于1998年12月，为多个电信标准组织伙伴经过商讨合作议程共同签署的协议。从2005年开始，3GPP从物联网技术在移动通信系统中的应用出发，对SA和RAN开展可行性研究。3GPP对M2M业务的界定是机器类型通信（MTC），在进行项目研究中多个工作组并行开展，完成的工作任务包括M2M通信、2G网络环境、3G网络环境以及4G网络环境对M2M业务产生的增强功能[2]。3GPP的功能增强研究主要将MTC作为起点，涵盖的功能包括小数据增强功能和节电增强功能。

1.3 CCSA（中国通信标准化协会）标准

CCSA是中国通信标准化协会，2002年12月在北京正式成立，是中国的企业单位和事业单位自愿联合构建的组织。CCSA开展M2M标准化工作通过移动通信工作委员会或移动网络技术工作委员会进行。在M2M业务研究报告中界定了M2M的应用模式，除典型应用模式外，还有商业模式。此外，对M2M业务特征提出建立量化模型。随着3GPP研究取得进展，开始启动M2M移动网络技术的研究工作，主要研究内容包括M2M通信影响接入网的情况及采取的优化措施、影响核心网的情况及采取的优化措施[3]。TC10制定M2M业务的总体技术要求，界定业务的概念和系统架构，构建典型场景。此外，TC10还制定M2M端到端通信应用协议技术的有关要求。

2 蜂窝式物联网

物联网技术的应用广泛，网络运营商需针对设备匹配性能良好的无线电技术。ZigBee 3.0作为低功耗网状市场的首选技术，推动了物联网技术的应用。Wi-Fi技术和蓝牙技术是广泛应用的技术，LTE-M与NB-IoT只被少数人了解，但这些技术在蜂窝物联网中都发挥着重要作用[4]。

所谓的“蜂窝物联网”就是将物联网设备连接在蜂窝网络上。蜂窝物联网的可用性强，成本低，应用范围广。蜂窝物联网的可用性强体现在应用普遍，即全世界超过90%的人口都在使用这种网络。美国运营商认为，LTE覆盖已经达到99%，且呈现出不断增长的趋势。其他技术如Wi-Fi在规模上有所不同，需要用户搜索本地网络并建立连接，防止出现恶意接入问题[5]。

蜂窝物联网的运行成本相对较低。很多企业在蜂窝网络上加大投资力度，为用户提供高质量的服务。充分利用当前的基础设施，结合成熟的技术，蜂窝物联网可以连接更多的设备，所投入的资金较少。例如，Nordic将4G RF前端与IoT芯片组结合，创建了全球蜂窝式物联网解决方案。蜂窝式物联网如图2所示。

图2 蜂窝式物联网

蜂窝物联网的移动网络范围更广，能满足低功耗设备的需求。对高带宽而言，Wi-Fi和蓝牙的用途很大。如果信息传递的距离较远，需要发挥蜂窝物联网的作用，即使用智能手机连接远程基站[6]。

3 蜂窝物联网在电力通信系统中的应用

3.1 建立电力通信信息模型

将蜂窝物联网技术应用于电力通信系统构成电力物联网。电力通信系统运行产生各种信息，收集信息时发挥感知层传感器的作用，整理和识别信息。传感器自身的性能良好，可充分利用多种传感器表达各个接口的信息。由于信息数量庞大且多种多样，选择传感器时会存在一定的困难，也会增加相关软件的开发难度。由此可见，在电力通信系统中应用物联网技术非常必要[7]。建立电力通信信息模型，从电力通信系统当前的运行情况出发实现信息交互，可为蜂窝物联网的有效应用提供基础保障。

3.2 通信规约统一化

通信规约是非常重要的技术，尤其近年来电力通信网终端数量不断增加，采集数据的难度相应增加，需要建立统一的通信规约，使电力通信系统应用蜂窝物联网时能实施有效管理[8]。选择物联网通信规约时要保证其具有可行性，且信息模型映射对应存在，从而根据电力通信系统设备的需要选择合理的通信规约。网络层的通信规约需借助SCSM技术和APCI技术，确保物联网和信息模型间不会产生矛盾，促进电力通信系统的稳定快速发展。

3.3 高并发系统实现技术的应用

在电力通信系统中应用蜂窝物联网技术，可发挥底层传感器收集数据的作用，并整理数据信息，在网络层面有效识别数据信息。初步处理数据后，将数据划分为不同的类型传输至所属的模块。各项处理工作到位后，模块处理将不会有压力[9]。现在终端用户的数量增多，数据的传输工作存在一定难度，传输数据也比较困难，这种现象必然会对整个通信系统的运行产生影响。应用蜂窝物联网实施统一接入，对数据库而言也是很大的挑战。无论是访问数据还是写入数据，都很有可能导致电力通信系统不能正常发挥作用，影响系统的正常运行。

4 结 论

物联网市场发展速度不断加快，电信运营商认识到物联网将成为提高竞争力的重要载体。物联网市场不断扩展，需要在业务领域发挥物联网的作用。M2M业务有多种需求，考虑到M2M业务所具备的特征及移动通信网络技术所具备的特点，塑造应用场景，增强移动通信网络技术的功能，对M2M业务需求有良好的适应性。在电力通信系统中引入网络新技术时，要充分考虑M2M业务具备的特点，还要充分了解2G网络、3G网络、4G网络以及5G网络的演进方略。2G网络速度的加快、3G网络实现全面覆盖、4G网络建设速度加快以及5G网络技术跨越式发展，都推进着物联网建设发展。处于当前的物联网竞争环境，需综合考虑M2M业务规模，控制好终端成本，满足业务特点，在后续工作中提高行业竞争力。组网方案设计时，需加大窄带M2M技术方案，在功能完善和性能验证方面加大人力投入和物力投入，研究物联网的新特征标准化，以满足电力通信系统的需求。