5G与WiFi6在水电站智慧运维中的应用研究

李甘 张茜茹 梁志开 金能

摘要：科技进步使智慧水电站的建设越来越成熟，除传统有线网络接入之外，稳定、高速、安全的全厂无线网络覆盖是水电站智慧运维工作中的重要基础设施之一。通过对5G与WiFi6在水电站无线组网方式中的对比研究，分析了5G，WiFi6及主要LPWAN技术的差异性与互补性，根据水电站智慧运维各主要业务的无线网络接入与网络安全需求，提出了现阶段以工作在非授权频段的WiFi6+LoRa技术作为水电站主要组网方式，并为长期演进至以工作在授权频段的5G+NB-IoT技术为主要组网方式预留条件。

关键词：智慧运维; 5G; WiFi6; NB-IoT; LoRa

中图法分类号：TN92文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.019

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0104 - 05

0 引 言

作为最新一代的蜂窝移动通信技术，5G技术在高速率、大容量、低时延等方面有着明显的优势，不仅在移动互联网中大放异彩，在工业、水利、电力等传统行业的智慧化进程中也扮演着重要角色。2020年，中国移动四川公司、大唐公司、清华研究院携手首次将5G技术应用于水力发电领域，融合运用人工智能、大数据等技术，推出5G水下机器人和5G无人机智能巡检项目，助力水电站智慧化管理水平提升和行业智能化演进[1]。

WiFi网络与运营商网络之争由来已久，新推出的802.11.ax（WiFi6）技术在速率、吞吐量、多设备接入、网络安全性等方面都有了较大提升，是5G技术的有力竞争者[2-3]。在智慧校园[4]、智慧矿山[5]等领域，5G与WiFi6均实现了融合应用。

本文基于5G、WiFi6及其相关低功耗物联网技术的发展现状、技术特点、产业链成熟度等方面，分析了适合水电站智慧运维应用场景的无线组网技术，为构建完整的水电站智慧运维体系奠定了坚实基础。

1 无线接入需求

根据电力监控系统安全防护相关规定，水电站的系统架构划分为生产控制大区（安全区Ⅰ、安全区Ⅱ）和管理信息大区（安全区Ⅲ、信息外网），在物理层次上划分为过程层、单元层、厂站层，如图1 所示。

由于涉及水电站的工控安全，目前生产控制大区业务在无线接入的实践方面还较为保守，大量的无线接入需求主要位于管理信息大区。目前，管理信息大区的无线网络主要用于有线接入条件差的传感器、终端设备、便携式设备以及可穿戴设备等。

通信数据量大的设备一般直接高速接入无线主网，如PDA、AR眼镜、智能安全帽、无人机、轮式机器人等，此类设备往往无法兼顾功耗与待机时间;可长时间免维护的物联网传感器则对功耗非常敏感，一般先接入低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN），再经LPWAN网关汇聚后与主网通信，此类设备通常通信数据量极小，日常处于休眠模式。

根据现阶段水电站智慧运维相关的主要业务应用场景与需求，可将其无线接入的需求分为以下几种类型，如表1所示。

机器人除轮式机器人外，还有轨道机器人和水下机器人。轨道机器人由于行走路径确定，具备有线供电及通信的接入条件;水下机器人以ROV（Remote Operated Vehicle）型式为主[6]，通过脐带电缆与水面母船连接，不通过无线网接入。

2 5G与WiFi6

5G与WiFi6作为目前最主流的新一代无线网络技术，各自具有自身独特的技术优势与最佳应用场景[7]。

在高速无线接入方面，作为數字经济时代的重要基础设施，近年来5G技术受到高度重视，得到了国家的大力支持，其高速率、大容量、低时延等特性使其在传统行业应用场景中也具有较为明显的竞争优势。5G虽热，但由于水电站自身的特点，现阶段全面推行5G技术作为高速无线接入方式还存在不少难点，因此WiFi6仍然是一个重要的可选项。相比于前几代的WiFi技术，WiFi6作为第六代无线网络技术，具有延时更低、容量更大、更安全、更省电的特点。

2.1 网络建设与管理

无线电频谱资源是国家重要的战略性资源，受国家统一管控，5G网络工作在授权频段，须经由电信运营商建设并运营，5G用户对5G网络本身的建设与管理都没有控制权。水电站大多建设在远离城市的偏远地区，5G信号覆盖普遍较差，尤其是水电站内部构造复杂、电磁干扰强度大，在水电站地下空间及室内环境建设5G网络的成本高，需要部署较多的室内基站才能实现有效覆盖，而水电站内5G用户单一，投资回报率低，中小型水电站难以吸引电信运营商投资建设5G网络。

WiFi6则工作在非授权频段（国家划分的一部分业余业务可使用的频段），WiFi6网络的建设与运营管理可由发电企业自主实施，企业可根据网络安全的需要对无线网络精准管控，且WiFi6网络的建设成本较5G相对低廉。

在建设成本、建设周期及网络控制权等方面，WiFi6网络较5G有较大优势。

2.2 网络覆盖

5G网络在室外的覆盖能力明显优于WiFi6，但在室内，尤其是水电站地下空间内的覆盖能力取决于室内微型基站的建设密度，而室内场景是水电站最复杂、最重要的运维场景之一，对无线高速接入的需求较高，这大大增加了水电站5G网络建设难度与建设成本。

WiFi6网络基于其低成本和部署便利性，在室内的覆盖效果优于5G网络。

2.3 通信质量

在通信质量方面，由于5G网络部署在授权频段，其抗干扰能力明显优于WiFi6网络，WiFi6网络部署的2.4G频段也是蓝牙和ZigBee等网络技术的频段，容易互相干扰。

有移动性需求的终端设备在跨AP切换时，WiFi6网络易产生掉线或丢包的情况，5G网络则可实现无感切换。5G与WiFi6的技术对比如表2所示。

3 LPWAN

水电站的智慧运维场景中，除高速无线接入需求外，还需要部署大量的物联网传感器，以实现对主要电气设备、水工建筑物、高危边坡、水生态环境等各类观测对象的立体在线监视。物联网传感器数量大，安装位置分散，难以一一提供可靠供电电源，需要依赖电池供电。5G与WiFi6等通信技术通信速率高、功耗大，电池无法支撑传感器长期运行，接入LPWAN是物联网传感器的优先选择。

LPWAN是一种能够以低比特率进行远距离通信的无线网络，可以同时满足覆盖和续航的要求，是近年来国际上一项物联网接入的革命性技术，远距离、低功耗、低运维是LPWAN技术最大的特点。与现有的5G、WiFi6、蓝牙、ZigBee[8]等技术相比，LPWAN真正实现了物联网的低成本覆盖，目前主流的LPWAN技术为NB-IoT与LoRa[9]。

3.1 网络建设与管理

NB-IoT工作在授权频段，依赖运营商统一建设管理[10-11]。虽然NB-IoT基站可由现有蜂窝基站升级改造而来，但水电站一般地处偏远，现阶段推动运营商在水电站部署NB-IoT网络的难度较大。

基于LoRa技术则可建设一个工作在1 GHz以下非授权频段的私有网络，自主性更强。基于LoRa 网络的私有特性，企业完成部署后，后续在承载应用时不需要额外支付通信服务或流量费用，且目前LoRa设备的通信模组价格也普遍比NB-IoT 更低，对发电企业的物联网终端的一次性投入也能大幅下降。

3.2 网络覆盖

LoRa工作在非授权频段（中国主要使用470～518 MHz），频谱优势较NB-IoT明显。NB-IoT也具有较强的远距离覆盖能力和穿透能力，二者的通信速率、单网接入容量、终端电池续航时间等技术性能均能满足现有的运维场景[12]。

由于LoRa工作在非授权频段，其频段使用的合法性与独占性没有保障。

3.3 产业链成熟度

NB-IoT标准于2016年公布，除网络部署之外，相应的商业化和产业链的建立还需要更长的时间和努力去探索。此外，NB-IoT产业链还受到频段、运营商等限制。

LoRa产业链相对已较为成熟，部分国家正在进行或者已经完成了全国性的LoRa网络部署。

对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简单，更容易开发并且对于微处理器的适用和兼容性更好。

NB-IoT与LoRa的技术对比如表3所示。

4 网络演进

通信网络的建设是一个循序渐进的过程，现有的水电站普遍沒有为无线组网预留充足的基础条件，在做无线网络升级改造设计时，应充分考虑技术的演进方式，可统一考虑基站选址、基站组网、基站供电等共性问题，以适应不同的组网方式，避免后期重复建设。新建水电站则应着眼长远，争取直接建成覆盖全厂的无线网，并具备网络演进的条件。

长远来看，工作在授权频段的5G+NB-IoT技术组合有更正规的建设运营模式、更合法的频段保障、更有力的国家支持，是水电站无线通信网络远期规划必须考虑的方案之一。现阶段工作在非授权频段的WiFi6+LoRa技术组合则是更灵活、更敏捷、更易于落地的无线组网方案之一。从各项技术参数来看，无论是5G+NB-IoT还是WiFi6+LoRa均可满足现有的水电站智慧运维无线接入需求。随着5G产业链的逐步发展，在5G+NB-IoT专网建设模式成熟、建设成本大幅下降、企业拥有较高的控制权后[13]，WiFi6+LoRa网络的优势就会不再明显。

目前5G专网技术已经在智能电网中有探索性应用，国家电网试点实现了基于5G专网的配电自动化与差动保护[14]，随着拥有700 MHz优质频段的广电5G牌照落地[15]，5G+NB-IoT技术在物联网方面有了更大的想象空间。对大多数水电站来说，平滑的网络演进是更好的选择。

5 结 语

理论上5G+NB-IoT比WiFi6+LoRa拥有更大的发展潜力和更高的技术天花板，但二者从技术层面均能较好满足水电站现有的智慧运维场景需求。受限于建设模式、工作频段、网络控制权、产业链成熟度等因素，目前WiFi6+LoRa网络较5G+NB-IoT网络存在一定优势。

除特大型水电站之外，现阶段推荐以工作在非授权频段的WiFi6+LoRa技术作为水电站主要无线组网方式，并预留远期演进至以工作在授权频段的5G+NB-IoT技术作为主要无线组网方式的条件，在条件成熟后可建设5G+NB-IoT专网。

参考文献：

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[15] 王斯荟.基于广电5G+WiFi6+LoRa融合的企业移动物联专网方案研究[J].通信技术，2020，53（8）：1952-1958.

（编辑：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，工程师，硕士，主要从事水利信息化与数字孪生研究工作。E-mail：ligan@cjwsjy.com.cn