電力專網(wǎng)面向5G 的演進(jìn)路線及創(chuàng)新模式研究

張瑞兵，徐光年，儲(chǔ)建新，鄭偉軍，嚴(yán)玉平

（1.普天信息技術(shù)有限公司，北京 100080；2.浙江華云信息科技有限公司，杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江海鹽縣供電有限公司，浙江 海鹽 314300；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速推進(jìn)，電能為居民日常生活以及企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)提供了強(qiáng)大保障。在電力資源配送過程中，需要高效的通信系統(tǒng)來滿足配用電系統(tǒng)在通信方面的需求。電網(wǎng)公司目前采用的通信方式主要包括光纖通信、無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)3 種，光纖方式安全防護(hù)和通信質(zhì)量最優(yōu)，但單位終端的通信配置成本最高；無線公網(wǎng)成本最低，但運(yùn)營商不提供針對(duì)電力業(yè)務(wù)的特殊保障及安全防護(hù)措施，通信質(zhì)量不可控，無法保證網(wǎng)絡(luò)安全；無線專網(wǎng)安全防護(hù)和通信質(zhì)量較好，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)接入。建設(shè)電力無線專網(wǎng)對(duì)解決“最后一公里”通信問題、推動(dòng)電網(wǎng)公司信息化企業(yè)建設(shè)和新興業(yè)務(wù)拓展具有重要意義。

國家電網(wǎng)公司2016—2017 年在10 個(gè)城市同期開展了終端通信接入網(wǎng)試點(diǎn)工作，試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，無線專網(wǎng)能滿足電力業(yè)務(wù)通信速率、時(shí)延和安全防護(hù)要求，可有效提升配電自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制成功率、用電信息采集成功率等指標(biāo)。2018 年底，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了有關(guān)LTE-G 230 的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q/GDW 11806.1—2018，Q/GDW 11806.2—2018，Q/GDW 11806.3—2018），對(duì)技術(shù)體制和技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了規(guī)定。然而無線通信技術(shù)更新迭代非常快速，隨著部分5G 標(biāo)準(zhǔn)的成熟，已建成的電力無線通信網(wǎng)絡(luò)如何引入5G 核心技術(shù)，平滑向5G 演進(jìn)成為一個(gè)重要研究課題。

1 電力無線專網(wǎng)現(xiàn)狀

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）定義了5G 的三大場(chǎng)景，其中eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）主要面向虛擬現(xiàn)實(shí)/高清視頻等大帶寬業(yè)務(wù)，mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）主要面向物聯(lián)網(wǎng)海量接入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，uRLLC（超高可靠低時(shí)延通信）主要面向工業(yè)控制以及自動(dòng)駕駛等低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)。Release 15 標(biāo)準(zhǔn)作為5G 的第一階段標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)全部完成并凍結(jié)，此版本規(guī)范了eMBB 場(chǎng)景規(guī)范，而mMTC 和uRLLC 場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)目前還沒最終確定，電力通信應(yīng)用更偏向于后面2 種場(chǎng)景。

國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，在嘉興建成國內(nèi)首個(gè)地市級(jí)區(qū)域全覆蓋的電力無線專網(wǎng)，并于2018 年底投入使用。目前已經(jīng)接入各類業(yè)務(wù)終端1 萬余個(gè)，涉及用電信息采集、配電自動(dòng)化、配變監(jiān)測(cè)、故障指示器、分布式電源、充電樁管理、語音集群、視頻傳輸、移動(dòng)辦公、無人機(jī)巡檢、智能倉儲(chǔ)等多類業(yè)務(wù)。

嘉興建成的電力無線專網(wǎng)基于LTE-G 230標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)通過載波聚合、頻譜感知等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻等傳輸能力，具備寬窄一體、一網(wǎng)多能的特點(diǎn)。然而科技人員在技術(shù)提升上的努力從未停止，近兩年不斷研究5G 核心技術(shù)在230 MHz 網(wǎng)絡(luò)的迭代演進(jìn)，以便對(duì)電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更低時(shí)延、更高可靠性的通信支撐。

2 面向5G 技術(shù)演進(jìn)

LTE-G 230 面向5G 演進(jìn)涵蓋離散載波聚合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)幾方面。

2.1 離散載波聚合技術(shù)

載波聚合技術(shù)是4G 和5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過聚合多個(gè)載波信道來提升帶寬，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率和容量的提升。5G 網(wǎng)絡(luò)可聚合多達(dá)16 個(gè)載波，通過高頻段結(jié)合中、低頻段的動(dòng)態(tài)重耕技術(shù)實(shí)現(xiàn)可用帶寬的擴(kuò)展（見圖1）。

圖1 載波聚合示意圖

載波聚合技術(shù)已在LTE-G 230 中采用，網(wǎng)絡(luò)針對(duì)連續(xù)或者離散的25 kHz 載波進(jìn)行聚合，甚至聚合多行業(yè)分時(shí)共享的載波，實(shí)現(xiàn)窄帶頻率的寬帶化應(yīng)用。

通過軟件升級(jí)，目前基站載波聚合能力從340 個(gè)載波提升到480 個(gè)載波；結(jié)合硬件升級(jí)，終端載波聚合能力從40 個(gè)載波提升到120 個(gè)載波，單終端無線傳輸速率提升了3 倍。

多載波調(diào)制是高速數(shù)據(jù)通信的理想接入方式，但是峰均功率比問題是多載波通信的固有難點(diǎn)，峰均功率比隨載波數(shù)增加而提高；另外，230 MHz 頻段還面臨著多行業(yè)交叉使用、多制式系統(tǒng)共存的干擾難點(diǎn)，LTE-G 230 網(wǎng)絡(luò)通過CFR（振幅因數(shù)消減）來降低峰均比，通過DPD（數(shù)字預(yù)失真）技術(shù)解決峰均功率比過大所導(dǎo)致的非線性，通過數(shù)字梳狀濾波和頻譜感知技術(shù)改善干擾問題，系統(tǒng)寬帶性能和抗干擾能力得到快速提升，目前已經(jīng)在浙江省低頻段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室落地應(yīng)用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G 標(biāo)準(zhǔn)面向不同的需求場(chǎng)景，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的安全性、移動(dòng)性、時(shí)延和可靠性的要求是不一樣的，因此需要采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將一張物理網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)切片資源面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，邏輯上進(jìn)行隔離，相互獨(dú)立。

針對(duì)電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景需求，網(wǎng)絡(luò)切片不僅有助于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隔離，還有助于提升數(shù)據(jù)的安全性，相對(duì)無線公網(wǎng)的“軟”切片，可以采取更嚴(yán)格的“硬”切片技術(shù)，這樣不僅要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，而且要求對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行更精準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)，所以從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)到端到端不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，從無線頻率的規(guī)劃使用到核心網(wǎng)的分區(qū)而治，從通道隔離到處理板的分工，均需要詳細(xì)設(shè)計(jì)。

安全隔離設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵守“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的原則，基站應(yīng)通過獨(dú)立的時(shí)頻資源、基站傳輸單板/端口為特定業(yè)務(wù)提供專線通道，滿足不同安全大區(qū)業(yè)務(wù)物理隔離的要求，如圖2 所示。

基站系統(tǒng)支持QCI（服務(wù)質(zhì)量分類標(biāo)識(shí)），終端用戶在簽約時(shí)系統(tǒng)設(shè)置用戶的優(yōu)先級(jí)，用戶簽約設(shè)置的優(yōu)先級(jí)信息存儲(chǔ)在HSS（歸屬簽約用戶服務(wù)器）中，基站同步緩存HSS 中相關(guān)信息，當(dāng)基站接收到終端上行數(shù)據(jù)時(shí)，通過終端ID 號(hào)與緩存的信息進(jìn)行比對(duì)，判別終端優(yōu)先級(jí)和業(yè)務(wù)類型，并對(duì)該終端后續(xù)消息幀中特定標(biāo)志位進(jìn)行QCI 置位，該標(biāo)志位用于后續(xù)處理板和隔離通道的選擇；基站系統(tǒng)與核心網(wǎng)系統(tǒng)之間傳輸通道根據(jù)業(yè)務(wù)類型分為精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)通道、配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)通道和其他采集類業(yè)務(wù)通道。

核心網(wǎng)系統(tǒng)遵循電網(wǎng)安全防護(hù)要求劃分為管理信息大區(qū)專屬業(yè)務(wù)核心網(wǎng)和生產(chǎn)控制大區(qū)專屬業(yè)務(wù)核心網(wǎng)，生產(chǎn)控制大區(qū)核心網(wǎng)又細(xì)分為精準(zhǔn)負(fù)荷控制和非精準(zhǔn)負(fù)荷控制處理的硬件模塊，各個(gè)分區(qū)之間相互隔離，同時(shí)又可根據(jù)需要調(diào)整相應(yīng)處理資源。

基站和終端之間的無線傳輸根據(jù)業(yè)務(wù)類型劃分為多個(gè)頻率池，實(shí)現(xiàn)頻率（波長）隔離，頻率池的規(guī)劃打破連續(xù)載波限制，根據(jù)頻譜感知數(shù)據(jù)優(yōu)選載波組建頻率池用于關(guān)鍵業(yè)務(wù)，頻率池劃分示意如圖3 所示。

2.3 低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）是伴隨5G 標(biāo)準(zhǔn)滿足物聯(lián)網(wǎng)需求出現(xiàn)并逐步成熟的遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，它通常采用深度睡眠、重復(fù)傳輸?shù)榷喾N技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗和遠(yuǎn)距離深度覆蓋，LTE-G 230 也采用類似改進(jìn)技術(shù)。

深度睡眠技術(shù)： 通信終端在傳輸間隙工作在節(jié)能模式，此時(shí)終端位置網(wǎng)絡(luò)處于附著狀態(tài)，但沒有信令發(fā)送，終端進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，將功耗降到最低。

時(shí)間分集技術(shù)： 將同一信號(hào)按照約定時(shí)隙間隔進(jìn)行多次重傳，通過時(shí)間分集技術(shù)獲得分集增益，增強(qiáng)覆蓋性能，同時(shí)將覆蓋扇區(qū)劃分為不同覆蓋等級(jí)，終端根據(jù)所在區(qū)域覆蓋等級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整重傳次數(shù)，如圖4 所示。

能量譜密度提升： 終端發(fā)射窄帶信號(hào)，通過增強(qiáng)功率譜密度可有效提升信號(hào)的覆蓋增益，LTE-G 230 最小頻率單元是25 kHz，LTE 最小頻率單元是180 kHz，在相同功率情況下，LTE-G 230 系統(tǒng)具有8.6 dB 的功率譜密度增益，上下行控制信息與業(yè)務(wù)信息可以在更窄的帶寬中發(fā)送，從而降低接收方的解調(diào)要求，實(shí)現(xiàn)覆蓋距離的增長。

圖2 電力通信網(wǎng)通道隔離示意圖

圖3 電力通信網(wǎng)頻率池規(guī)劃示意圖

圖4 覆蓋等級(jí)劃分示意圖

多幀聯(lián)合傳輸： 通過時(shí)域多幀聯(lián)合傳輸以及頻域多子帶復(fù)用，進(jìn)一步降低碼率，提高系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度，有助于控制信道引入更低碼率控制信道，提升邊緣用戶的控制可靠性，支持控制信道靈活配置，在提升覆蓋的同時(shí)保證頻譜效率。

3 創(chuàng)新應(yīng)用模式探索

3.1 多行業(yè)信道共享

電力深度定制研發(fā)的專用無線通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)安全性方面均優(yōu)于無線公網(wǎng)。伴隨專網(wǎng)技術(shù)的成熟，可面向水務(wù)、燃?xì)獾戎攸c(diǎn)行業(yè)開放信道共享，拓展運(yùn)營模式，帶動(dòng)社會(huì)協(xié)同發(fā)展。

多行業(yè)共享的難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)多行業(yè)專網(wǎng)（子網(wǎng)）間的信道，本方案通過具有集中調(diào)度功能的行業(yè)運(yùn)營服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理。平臺(tái)負(fù)責(zé)不同網(wǎng)絡(luò)資源與行業(yè)應(yīng)用的配置，包括歸屬HSS、APN（接入點(diǎn)名）接入、處理通道和端口選擇以及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)路徑、數(shù)據(jù)流量甚至計(jì)費(fèi)功能。

為了保證不同行業(yè)間信道隔離和業(yè)務(wù)調(diào)度，方案規(guī)劃面向多行業(yè)的時(shí)頻物理隔離頻率池、更多類型APN 以及獨(dú)立的HSS 模塊。不同行業(yè)終端簽約在獨(dú)立的HSS 內(nèi)，采集數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)劃通過專用頻率池傳輸?shù)交鞠到y(tǒng)，基站基于APN 識(shí)別并通過獨(dú)立物理通道傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)處理模塊，核心網(wǎng)系統(tǒng)識(shí)別業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并將非電力行業(yè)數(shù)據(jù)送到行業(yè)運(yùn)營服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)行流量計(jì)費(fèi)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)行業(yè)主站系統(tǒng)。

多行業(yè)信道共享架構(gòu)如圖5 所示，多種措施綜合使用，保證與其他行業(yè)的業(yè)務(wù)安全共享，由此開創(chuàng)電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)運(yùn)營新模式。

3.2 多行業(yè)頻率共享

無線頻率資源是國家的稀缺資源，行業(yè)無線專網(wǎng)應(yīng)用特點(diǎn)通常是周期性數(shù)據(jù)傳輸，周期的間隙頻率資源空閑，存在嚴(yán)重浪費(fèi)，如果能實(shí)現(xiàn)多個(gè)行業(yè)分時(shí)共享同一段頻譜，就可以大大提升無線資源利用率。

行業(yè)分時(shí)共享頻率的難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源，以及不同子網(wǎng)間如何動(dòng)態(tài)分配信道。本方案通過各個(gè)子網(wǎng)內(nèi)頻率感知系統(tǒng)和子網(wǎng)間頻譜調(diào)度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，通過頻譜調(diào)度平臺(tái)對(duì)感知系統(tǒng)資源信息進(jìn)行存儲(chǔ)、更新、管理，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電系統(tǒng)對(duì)空閑頻譜資源信息的全面獲取與高效利用。

如圖6 所示，在多個(gè)無線系統(tǒng)間構(gòu)建統(tǒng)一的頻譜調(diào)度平臺(tái)，內(nèi)含地理位置頻譜數(shù)據(jù)庫，平臺(tái)獲取感知系統(tǒng)的相關(guān)信息（包括地理位置、站點(diǎn)和設(shè)備的相關(guān)信息），進(jìn)行感知頻率與已有頻率之間、感知頻率與感知頻率之間的干擾分析，得出各個(gè)系統(tǒng)間的頻率隔離情況。

圖5 多行業(yè)信道共享架構(gòu)

圖6 多行業(yè)頻率共享示意圖

當(dāng)感知系統(tǒng)進(jìn)行資源申請(qǐng)時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)間的隔離情況以及頻譜資源的使用情況進(jìn)行資源分配，保障不同系統(tǒng)間資源分時(shí)使用的有效隔離，平臺(tái)同時(shí)考慮區(qū)域內(nèi)頻率授權(quán)備案情況，保證系統(tǒng)間資源使用的合理合法性。

具體實(shí)現(xiàn)是每個(gè)基站系統(tǒng)對(duì)感知頻段進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的結(jié)果在核心網(wǎng)匯總，核心網(wǎng)通過網(wǎng)管系統(tǒng)與頻譜調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

4 驗(yàn)證與測(cè)試

上述多項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在浙江電力無線專網(wǎng)中驗(yàn)證應(yīng)用，多行業(yè)頻譜共享機(jī)制驗(yàn)證步驟如下：

（1）配置2 個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置共享工作頻點(diǎn)。

（2）使用多部終端占滿1 號(hào)網(wǎng)絡(luò)26 號(hào)基站無線資源，包括共享頻點(diǎn)。

（3）2 號(hào)網(wǎng)絡(luò)85 號(hào)基站內(nèi)終端嘗試進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)用盡本扇區(qū)資源后無法申請(qǐng)到共享頻點(diǎn)，將導(dǎo)致部分終端無法通信。

（4）結(jié)束26 號(hào)基站部分終端的業(yè)務(wù)，釋放部分共享頻點(diǎn)。

（5）85 號(hào)基站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸失敗的終端重新進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成功申請(qǐng)到共享頻點(diǎn)資源。

2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)本地資源管理中心對(duì)基站頻率調(diào)度變化顯示，網(wǎng)絡(luò)1 的26 號(hào)基站釋放的相同頻率資源塊被網(wǎng)絡(luò)2 的85 號(hào)基站成功申請(qǐng)占用。

5 結(jié)語

配電網(wǎng)業(yè)務(wù)復(fù)雜，終端分布點(diǎn)多面廣，互聯(lián)互通離不開無線通信網(wǎng)絡(luò)，然而任何一種獨(dú)立無線方式都不能滿足所有場(chǎng)景，需要結(jié)合業(yè)務(wù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景選擇最佳通信方式。230 MHz 無線專網(wǎng)已納入國家電網(wǎng)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，它在設(shè)計(jì)之初就是面向電網(wǎng)應(yīng)用深度定制，本身使用范圍非常寬廣。本文總結(jié)了其面向5G 技術(shù)演進(jìn)以及創(chuàng)新應(yīng)用模式方面的探索與研究，表明這種技術(shù)體制堅(jiān)強(qiáng)的后續(xù)生命力和延續(xù)性，未來必將助力電網(wǎng)公司數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，通過智慧能源與信息通信技術(shù)深度融合，推動(dòng)電網(wǎng)和公司高質(zhì)量發(fā)展。