5G與WiFi6在水電站智慧運維中的應用研究

李甘 張茜茹 梁志開 金能

摘要：科技進步使智慧水電站的建設越來越成熟，除傳統有線網絡接入之外，穩定、高速、安全的全廠無線網絡覆蓋是水電站智慧運維工作中的重要基礎設施之一。通過對5G與WiFi6在水電站無線組網方式中的對比研究，分析了5G，WiFi6及主要LPWAN技術的差異性與互補性，根據水電站智慧運維各主要業務的無線網絡接入與網絡安全需求，提出了現階段以工作在非授權頻段的WiFi6+LoRa技術作為水電站主要組網方式，并為長期演進至以工作在授權頻段的5G+NB-IoT技術為主要組網方式預留條件。

關鍵詞：智慧運維; 5G; WiFi6; NB-IoT; LoRa

中圖法分類號：TN92文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.019

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0104 - 05

0 引 言

作為最新一代的蜂窩移動通信技術，5G技術在高速率、大容量、低時延等方面有著明顯的優勢，不僅在移動互聯網中大放異彩，在工業、水利、電力等傳統行業的智慧化進程中也扮演著重要角色。2020年，中國移動四川公司、大唐公司、清華研究院攜手首次將5G技術應用于水力發電領域，融合運用人工智能、大數據等技術，推出5G水下機器人和5G無人機智能巡檢項目，助力水電站智慧化管理水平提升和行業智能化演進[1]。

WiFi網絡與運營商網絡之爭由來已久，新推出的802.11.ax（WiFi6）技術在速率、吞吐量、多設備接入、網絡安全性等方面都有了較大提升，是5G技術的有力競爭者[2-3]。在智慧校園[4]、智慧礦山[5]等領域，5G與WiFi6均實現了融合應用。

本文基于5G、WiFi6及其相關低功耗物聯網技術的發展現狀、技術特點、產業鏈成熟度等方面，分析了適合水電站智慧運維應用場景的無線組網技術，為構建完整的水電站智慧運維體系奠定了堅實基礎。

1 無線接入需求

根據電力監控系統安全防護相關規定，水電站的系統架構劃分為生產控制大區（安全區Ⅰ、安全區Ⅱ）和管理信息大區（安全區Ⅲ、信息外網），在物理層次上劃分為過程層、單元層、廠站層，如圖1 所示。

由于涉及水電站的工控安全，目前生產控制大區業務在無線接入的實踐方面還較為保守，大量的無線接入需求主要位于管理信息大區。目前，管理信息大區的無線網絡主要用于有線接入條件差的傳感器、終端設備、便攜式設備以及可穿戴設備等。

通信數據量大的設備一般直接高速接入無線主網，如PDA、AR眼鏡、智能安全帽、無人機、輪式機器人等，此類設備往往無法兼顧功耗與待機時間;可長時間免維護的物聯網傳感器則對功耗非常敏感，一般先接入低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN），再經LPWAN網關匯聚后與主網通信，此類設備通常通信數據量極小，日常處于休眠模式。

根據現階段水電站智慧運維相關的主要業務應用場景與需求，可將其無線接入的需求分為以下幾種類型，如表1所示。

機器人除輪式機器人外，還有軌道機器人和水下機器人。軌道機器人由于行走路徑確定，具備有線供電及通信的接入條件;水下機器人以ROV（Remote Operated Vehicle）型式為主[6]，通過臍帶電纜與水面母船連接，不通過無線網接入。

2 5G與WiFi6

5G與WiFi6作為目前最主流的新一代無線網絡技術，各自具有自身獨特的技術優勢與最佳應用場景[7]。

在高速無線接入方面，作為數字經濟時代的重要基礎設施，近年來5G技術受到高度重視，得到了國家的大力支持，其高速率、大容量、低時延等特性使其在傳統行業應用場景中也具有較為明顯的競爭優勢。5G雖熱，但由于水電站自身的特點，現階段全面推行5G技術作為高速無線接入方式還存在不少難點，因此WiFi6仍然是一個重要的可選項。相比于前幾代的WiFi技術，WiFi6作為第六代無線網絡技術，具有延時更低、容量更大、更安全、更省電的特點。

2.1 網絡建設與管理

無線電頻譜資源是國家重要的戰略性資源，受國家統一管控，5G網絡工作在授權頻段，須經由電信運營商建設并運營，5G用戶對5G網絡本身的建設與管理都沒有控制權。水電站大多建設在遠離城市的偏遠地區，5G信號覆蓋普遍較差，尤其是水電站內部構造復雜、電磁干擾強度大，在水電站地下空間及室內環境建設5G網絡的成本高，需要部署較多的室內基站才能實現有效覆蓋，而水電站內5G用戶單一，投資回報率低，中小型水電站難以吸引電信運營商投資建設5G網絡。

WiFi6則工作在非授權頻段（國家劃分的一部分業余業務可使用的頻段），WiFi6網絡的建設與運營管理可由發電企業自主實施，企業可根據網絡安全的需要對無線網絡精準管控，且WiFi6網絡的建設成本較5G相對低廉。

在建設成本、建設周期及網絡控制權等方面，WiFi6網絡較5G有較大優勢。

2.2 網絡覆蓋

5G網絡在室外的覆蓋能力明顯優于WiFi6，但在室內，尤其是水電站地下空間內的覆蓋能力取決于室內微型基站的建設密度，而室內場景是水電站最復雜、最重要的運維場景之一，對無線高速接入的需求較高，這大大增加了水電站5G網絡建設難度與建設成本。

WiFi6網絡基于其低成本和部署便利性，在室內的覆蓋效果優于5G網絡。

2.3 通信質量

在通信質量方面，由于5G網絡部署在授權頻段，其抗干擾能力明顯優于WiFi6網絡，WiFi6網絡部署的2.4G頻段也是藍牙和ZigBee等網絡技術的頻段，容易互相干擾。

有移動性需求的終端設備在跨AP切換時，WiFi6網絡易產生掉線或丟包的情況，5G網絡則可實現無感切換。5G與WiFi6的技術對比如表2所示。

3 LPWAN

水電站的智慧運維場景中，除高速無線接入需求外，還需要部署大量的物聯網傳感器，以實現對主要電氣設備、水工建筑物、高危邊坡、水生態環境等各類觀測對象的立體在線監視。物聯網傳感器數量大，安裝位置分散，難以一一提供可靠供電電源，需要依賴電池供電。5G與WiFi6等通信技術通信速率高、功耗大，電池無法支撐傳感器長期運行，接入LPWAN是物聯網傳感器的優先選擇。

LPWAN是一種能夠以低比特率進行遠距離通信的無線網絡，可以同時滿足覆蓋和續航的要求，是近年來國際上一項物聯網接入的革命性技術，遠距離、低功耗、低運維是LPWAN技術最大的特點。與現有的5G、WiFi6、藍牙、ZigBee[8]等技術相比，LPWAN真正實現了物聯網的低成本覆蓋，目前主流的LPWAN技術為NB-IoT與LoRa[9]。

3.1 網絡建設與管理

NB-IoT工作在授權頻段，依賴運營商統一建設管理[10-11]。雖然NB-IoT基站可由現有蜂窩基站升級改造而來，但水電站一般地處偏遠，現階段推動運營商在水電站部署NB-IoT網絡的難度較大。

基于LoRa技術則可建設一個工作在1 GHz以下非授權頻段的私有網絡，自主性更強。基于LoRa 網絡的私有特性，企業完成部署后，后續在承載應用時不需要額外支付通信服務或流量費用，且目前LoRa設備的通信模組價格也普遍比NB-IoT 更低，對發電企業的物聯網終端的一次性投入也能大幅下降。

3.2 網絡覆蓋

LoRa工作在非授權頻段（中國主要使用470～518 MHz），頻譜優勢較NB-IoT明顯。NB-IoT也具有較強的遠距離覆蓋能力和穿透能力，二者的通信速率、單網接入容量、終端電池續航時間等技術性能均能滿足現有的運維場景[12]。

由于LoRa工作在非授權頻段，其頻段使用的合法性與獨占性沒有保障。

3.3 產業鏈成熟度

NB-IoT標準于2016年公布，除網絡部署之外，相應的商業化和產業鏈的建立還需要更長的時間和努力去探索。此外，NB-IoT產業鏈還受到頻段、運營商等限制。

LoRa產業鏈相對已較為成熟，部分國家正在進行或者已經完成了全國性的LoRa網絡部署。

對終端節點來說，LoRa協議比NB-IoT更簡單，更容易開發并且對于微處理器的適用和兼容性更好。

NB-IoT與LoRa的技術對比如表3所示。

4 網絡演進

通信網絡的建設是一個循序漸進的過程，現有的水電站普遍沒有為無線組網預留充足的基礎條件，在做無線網絡升級改造設計時，應充分考慮技術的演進方式，可統一考慮基站選址、基站組網、基站供電等共性問題，以適應不同的組網方式，避免后期重復建設。新建水電站則應著眼長遠，爭取直接建成覆蓋全廠的無線網，并具備網絡演進的條件。

長遠來看，工作在授權頻段的5G+NB-IoT技術組合有更正規的建設運營模式、更合法的頻段保障、更有力的國家支持，是水電站無線通信網絡遠期規劃必須考慮的方案之一。現階段工作在非授權頻段的WiFi6+LoRa技術組合則是更靈活、更敏捷、更易于落地的無線組網方案之一。從各項技術參數來看，無論是5G+NB-IoT還是WiFi6+LoRa均可滿足現有的水電站智慧運維無線接入需求。隨著5G產業鏈的逐步發展，在5G+NB-IoT專網建設模式成熟、建設成本大幅下降、企業擁有較高的控制權后[13]，WiFi6+LoRa網絡的優勢就會不再明顯。

目前5G專網技術已經在智能電網中有探索性應用，國家電網試點實現了基于5G專網的配電自動化與差動保護[14]，隨著擁有700 MHz優質頻段的廣電5G牌照落地[15]，5G+NB-IoT技術在物聯網方面有了更大的想象空間。對大多數水電站來說，平滑的網絡演進是更好的選擇。

5 結 語

理論上5G+NB-IoT比WiFi6+LoRa擁有更大的發展潛力和更高的技術天花板，但二者從技術層面均能較好滿足水電站現有的智慧運維場景需求。受限于建設模式、工作頻段、網絡控制權、產業鏈成熟度等因素，目前WiFi6+LoRa網絡較5G+NB-IoT網絡存在一定優勢。

除特大型水電站之外，現階段推薦以工作在非授權頻段的WiFi6+LoRa技術作為水電站主要無線組網方式，并預留遠期演進至以工作在授權頻段的5G+NB-IoT技術作為主要無線組網方式的條件，在條件成熟后可建設5G+NB-IoT專網。

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（編輯：李 晗）

Research on application of 5G and WiFi6 in smart operation and maintenance of Hydropower Station

LI Gan1，ZHANG Qianru2， LIANG Zhikai1， JIN Neng1

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd，Wuhan 430010， China; 2. CISPDR Corporation， Wuhan? 430010，

China）

Abstract：With the gradual maturity of the objective conditions for scientific and technological progress， in addition to traditional wired network access， stable， high-speed， and safe plant-wide wireless network coverage is one of the important foundation facilities for smart operation and maintenance of hydropower stations. Through the comparative study of 5G and WiFi6 in the wireless networking of hydropower stations， the differences and complementarities of 5G and WiFi6 are analyzed. According to the wireless network access and network security requirements of the main businesses of smart operation and maintenance of hydropower stations， the solution is proposed： in the current stage， WiFi6+Lora technology working in an unlicensed frequency band is used as the main networking method for hydropower stations， and long-term evolution to using 5G+NB-IoT technology working in a licensed frequency band is reserved as the main networking method.

Key words： smart operation and maintenance; 5G; WiFi6; NB-IoT; LoRa

收稿日期：2021-07-01

作者簡介：李 甘，男，工程師，碩士，主要從事水利信息化與數字孿生研究工作。E-mail：ligan@cjwsjy.com.cn