面向電力物聯(lián)網(wǎng)的輕量化5G通信關(guān)鍵技術(shù)研究

康守信，王賢輝，李 錚，馮相龍，邵志勇，李 松，王學(xué)清

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.國網(wǎng)天津市電力公司 城西供電分公司，天津 300113；3.國網(wǎng)黃岡供電公司 營銷運營中心，湖北 黃岡 438000）

0 引言

5G是新一代蜂窩移動通信技術(shù)，具有超高速率、超低時延、海量連接的特性，已成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要引擎。隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實施，新型電力系統(tǒng)已成為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要參與者、推動者。5G技術(shù)賦能垂直行業(yè)的優(yōu)勢為建設(shè)新型電力系統(tǒng)提供了高性能的遠(yuǎn)程通信方案。

在國家政策方面，工信部等部門在印發(fā)《5G應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021—2023年）》的通知中指出，要開展5G電力通信網(wǎng)絡(luò)的改造和應(yīng)用場景的試點規(guī)模推廣[1]。國家能源局在《關(guān)于加快推進(jìn)能源數(shù)字化智能化發(fā)展的若干意見》中也提出，要以數(shù)字化智能化電網(wǎng)支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)，重點推進(jìn)在智能電廠、新能源及儲能并網(wǎng)等多元化應(yīng)用場景試點示范[2]。

近年來，5G在電力領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了大量的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]研究了5G電力應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求，認(rèn)為230 MHz和1.800 GHz的無線專網(wǎng)以及4G無線公網(wǎng)均不足以支撐電力主要業(yè)務(wù)通信需求。文獻(xiàn)[4]針對電網(wǎng)運維管理自主性、數(shù)據(jù)安全性等問題，提出了運營商共享無線接入網(wǎng)模式的電力自建5G核心專網(wǎng)方案。文獻(xiàn)[5]研究了網(wǎng)絡(luò)切片在電力業(yè)務(wù)場景下的具體方案，并通過實際測試驗證了網(wǎng)絡(luò)切片的可行性和適用性。文獻(xiàn)[6]針對電力業(yè)務(wù)差異化需求，研究了基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級成本調(diào)節(jié)的5G-MEC邊緣云流量卸載優(yōu)化方法并通過仿真驗證結(jié)果。

國內(nèi)學(xué)者關(guān)注的主要是5G技術(shù)3大應(yīng)用場景與電力通信需求匹配問題。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，電力5G終端年需求量可達(dá)數(shù)百萬[7]，但5G標(biāo)準(zhǔn)終端因價位等因素對于技術(shù)落地造成了挑戰(zhàn)。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，尤其在中低速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景中，對低成本、低能耗的5G模組需求更加強烈。

輕量化5G技術(shù)是5G技術(shù)中富有潛力的應(yīng)用技術(shù)，其在終端側(cè)成本、功耗和尺寸等方面優(yōu)勢顯著[7]；同時，輕量化5G繼承了5G網(wǎng)絡(luò)高安全、高并發(fā)、低時延等優(yōu)秀特性，在促進(jìn)5G在電力行業(yè)廣泛應(yīng)用方面更具潛力[8,9]。

在3GPP 5G-R18即將凍結(jié)、5G技術(shù)深度賦能垂直行業(yè)之際，本文試圖從電力物聯(lián)網(wǎng)通信需求出發(fā)，深入探討電力輕量化5G通信關(guān)鍵技術(shù)，旨在探索和促進(jìn)輕量化5G技術(shù)在電力行業(yè)規(guī)?；ㄔO(shè)和應(yīng)用。

1 電力5G應(yīng)用需求及現(xiàn)狀

1.1 電力5G典型業(yè)務(wù)場景需求

為支撐滿足萬物互聯(lián)的需求，5G通信技術(shù)定義了3大應(yīng)用場景，如圖1所示[10]。

圖1 5G的3大應(yīng)用場景Fig.1 Three application scenarios of 5G

根據(jù)電力行業(yè)數(shù)據(jù)典型應(yīng)用以及QoS（Quality of service）需求，電力通信業(yè)務(wù)主要分為控制類、信息采集類以及移動應(yīng)用類。

電力控制類業(yè)務(wù)涉及電網(wǎng)安全運行的穩(wěn)定性問題，對通信的時延和可靠性有較高的要求。

電力信息采集類業(yè)務(wù)主要包括用電信息采集、電能質(zhì)量監(jiān)控等，表現(xiàn)為海量的終端接入，但對于傳輸帶寬以及時延要求相對較低。

電力移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)包括智能巡檢、視頻監(jiān)控等，需要數(shù)據(jù)實時回傳，具有移動性和廣域性特點。

電力典型業(yè)務(wù)場景通信網(wǎng)絡(luò)需求如表1所示[3]。

表1 電力典型業(yè)務(wù)場景通信網(wǎng)絡(luò)需求Tab.1 Communication network requirements for typical power service scenarios

表1中帶寬、時延和連接數(shù)與圖1中5G的3大應(yīng)用場景對應(yīng)。通信業(yè)務(wù)可靠性對于電力物聯(lián)網(wǎng)也至關(guān)重要。電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)復(fù)雜交互，一旦通信出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致整個物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)受到影響，尤其是電力涉控類業(yè)務(wù)對通信可靠性要求更高[11]。

基于網(wǎng)絡(luò)切片等5G關(guān)鍵技術(shù)，在運營商的無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等環(huán)節(jié)虛擬出1張面向電力行業(yè)應(yīng)用的電力5G專網(wǎng)與電力業(yè)務(wù)跨域融合，進(jìn)而可實現(xiàn)端到端的電力業(yè)務(wù)承載、高可靠的安全隔離以及資源管理。

輕量化5G保留了5G技術(shù)在時延、大連接、可靠性、切片、數(shù)據(jù)不出廠等方面的技術(shù)優(yōu)勢，也可構(gòu)建電力5G虛擬專網(wǎng)。電力5G虛擬專網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示[12]。

圖2 電力5G虛擬專網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of power 5G virtual private network

圖2配電環(huán)節(jié)控制類場景對低時延、高可靠需求強烈，可結(jié)合uRLLC（Ultra-reliable low latency communications）技術(shù)進(jìn)行重點保障。

在電力通信海量連接方面，輕量化5G支持按需通過網(wǎng)絡(luò)切片、覆蓋增強等技術(shù)實現(xiàn)對電力通信網(wǎng)絡(luò)的賦能。但是，輕量化5G技術(shù)的低成本、低功耗等特性設(shè)計，會導(dǎo)致帶寬速率下降。

1.2 電力5G通信技術(shù)演進(jìn)

5G技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用場景以及成效與5G技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)同步。5G不同階段電力應(yīng)用場景如圖3所示。

圖3 針對不同電力應(yīng)用場景5G技術(shù)演進(jìn)Fig.3 5G technology evolution for different power application scenarios

由圖3可知：1）在R15階段制訂的eMBB（Enhanced mobile broadband）技術(shù)可以應(yīng)用在電力系統(tǒng)的巡檢、監(jiān)測等場景。2）R16階段主要面向uRLLC。該項技術(shù)與電力配電自動化三遙等場景通信需求匹配。3）R17階段的重點是mMTC（Massive machine type communication）增強，其在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景廣闊，如精準(zhǔn)負(fù)荷控制、電動汽車充電樁等。4）在R18標(biāo)準(zhǔn)制定階段，我國牽頭提出的5G智能電網(wǎng)研究項目已成功立項，研究重點包括傳統(tǒng)能源管理等智能電網(wǎng)服務(wù)以及挖掘潛在的電力新業(yè)務(wù)需求。

5G技術(shù)的演進(jìn)，將進(jìn)一步推動電力新技術(shù)、新模式的發(fā)展，促進(jìn)5G成為保障能源安全、可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

2 電力輕量化5G通信技術(shù)研究

根據(jù)預(yù)測，到2027年，國內(nèi)電力5G終端累計應(yīng)用量將超過千萬[8]。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用，尤其是在中低速需求的應(yīng)用場景中，電力物聯(lián)網(wǎng)終端對5G模組在尺寸、能耗、成本等方面提出了新的要求，即：大幅降低其復(fù)雜度和成本、設(shè)備使用緊湊型設(shè)計以及支持全部商用頻帶[8]。

3GPP在R17標(biāo)準(zhǔn)中引入了一項基于5G的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)輕量化技術(shù)，在滿足需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了通過精簡設(shè)備能力和降低設(shè)備復(fù)雜度，達(dá)到降成本、降尺寸、降低功耗和延長壽命等目標(biāo)，并定義終端設(shè)備為5G RedCap（Reduced capability）[13]。

2.1 輕量化5G終端復(fù)雜度及成本分析

相對于5G NR標(biāo)準(zhǔn)終端，輕量化5G終端在技術(shù)側(cè)做了一系列裁剪，主要體現(xiàn)在支持最大帶寬、天線數(shù)量、最大調(diào)制階數(shù)、雙工模式等方面。整體而言，輕量化5G終端生產(chǎn)的復(fù)雜度可降低60%左右，成本降低近70%[9,14]。

表2對比了5G NR標(biāo)準(zhǔn)終端與輕量化5G終端主要參數(shù)[15,16]。由表可知：在帶寬方面，輕量化5G終端在FR1頻段上最大帶寬縮減為20 MHz；輕量化5G終端天線數(shù)量降低至1T1R或1T2R；輕量化5G終端最低可支持64 QAM；在雙工模式方面，輕量化5G終端引入了半雙工機制。從表中可以發(fā)現(xiàn)，輕量化5G終端弱化了性能，但終端成本也隨之降低。

表2 5G NR標(biāo)準(zhǔn)終端與輕量化5G終端對比Tab.2 Comparison between 5G NR standard terminals and lightweight 5G terminals

2.2 輕量化5G終端功耗優(yōu)化研究

為降低5G終端功耗，3GPP在5G RedCap技術(shù)中引入了eDRX（Extended DRX，擴(kuò)展不連續(xù)接收模式）和放寬RRM（Radio Resource Management，無線資源管理）機制。

eDRX機制：即在5G標(biāo)準(zhǔn)終端DRX基礎(chǔ)上，延長了終端休眠時間、降低了終端喚醒頻率。在RRC_IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)下，輕量化5G終端的休眠周期最大擴(kuò)展為1.048 576×104s和10.24 s[9]。

放寬RRM機制：由于終端需要對基站廣播的信號進(jìn)行RRM測量，因此該過程會導(dǎo)致終端功耗。輕量化5G終端通過放寬RRM測量觸發(fā)的條件來降低終端的功耗。

2.3 輕量化5G終端峰值速率計算

根據(jù)3GPP R17協(xié)議，輕量化5G終端在支持的帶寬、收發(fā)天線數(shù)量、最大調(diào)制階數(shù)等與終端速率高度相關(guān)的參數(shù)方面進(jìn)行了簡化。

國內(nèi)5G運營商網(wǎng)絡(luò)頻段主要有700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz，網(wǎng)絡(luò)制式分為FDD和TDD。

輕量化5G技術(shù)峰值速率計算公式見文獻(xiàn)[17]。國內(nèi)主流5G網(wǎng)絡(luò)下輕量化5G技術(shù)峰值速率參數(shù)和峰值速率分別如表3和圖4所示。

表3 國內(nèi)主流5G網(wǎng)絡(luò)輕量化5G峰值速率參數(shù)Tab.3 Lightweight 5G peak rate parameters of domestic mainstream 5G networks

圖4 國內(nèi)主流5G網(wǎng)絡(luò)輕量化5G終端峰值速率Fig.4 Lightweight 5G terminal peak rate of domestic mainstream 5G networks

圖4和表1對比分析，結(jié)果顯示700 MHz頻段滿足電力典型業(yè)務(wù)場景網(wǎng)絡(luò)速率需求；在部分超高清視頻監(jiān)測、智能巡檢方面，雖然2.6 GHz和3.5 GHz在上傳速率保障方面略有不足，但電力各環(huán)節(jié)絕大部分終端對于速率需求是在幾Mbps甚至幾十Kbps量級，所以3GPP在R17中提出的輕量化5G技術(shù)，在國內(nèi)現(xiàn)有的商用網(wǎng)絡(luò)中可以滿足絕大部分電力通信應(yīng)用場景，并且在多數(shù)場景中速率峰值超出了實際應(yīng)用需求。

輕量化5G演進(jìn)技術(shù)將會在3GPP R18中進(jìn)一步研究，其目標(biāo)是對標(biāo)Cat.1/1bis，通過再度降低終端帶寬和峰值（FR1帶寬縮減至5 MHz），實現(xiàn)終端復(fù)雜度再度簡化并達(dá)到成本再降低的效果[15]。

輕量化5G演進(jìn)方向及電力行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)場景如圖5所示。

圖5 輕量化5G演進(jìn)方向及電力行業(yè)應(yīng)用Fig.5 Light weight 5G evolution direction and power industry applications

圖5中的電力應(yīng)用業(yè)務(wù)場景速率需求在100 Mbps以上的極少場景，如電力應(yīng)急現(xiàn)場自組網(wǎng)綜合應(yīng)用、超高清電力智能巡檢等，可以選擇5G NR技術(shù)；業(yè)務(wù)場景速率需求在10～100 Mbps的場景，如配電保護(hù)、配電房視頻綜合監(jiān)控等，可以選擇輕量化5G-R17技術(shù)；業(yè)務(wù)場景速率需求在100 Kbps～10 Mbps的場景，如車輛智能充電、高級量測精準(zhǔn)負(fù)控等，可以選擇輕量化5G-R18技術(shù)；對于部分速率要求極低的如電力信息采集等業(yè)務(wù)，可以在綜合考慮性能需求以及成本因素的基礎(chǔ)上選擇5G NB-IoT作為備選技術(shù)方案。

根據(jù)上述分析，電力各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能需求按需選擇匹配5G技術(shù)終端，這對促進(jìn)5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中落地應(yīng)用將產(chǎn)生積極作用。

2.4 輕量化5G通信安全研究

電力物聯(lián)網(wǎng)輕量化5G專網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計需滿足電力行業(yè)的“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的方針[10]。

輕量化5G網(wǎng)絡(luò)在4G網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、認(rèn)證授權(quán)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行了優(yōu)化或增強[18,19]。

電力物聯(lián)網(wǎng)輕量化5G技術(shù)支持端到端切片安全隔離，可根據(jù)業(yè)務(wù)安全需求，在輕量化5G電力虛擬專網(wǎng)的接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等環(huán)節(jié)采用物理或者邏輯的隔離手段來實現(xiàn)靈活的橫向隔離。

支持多層次認(rèn)證體系。輕量化5G技術(shù)可為電力虛擬專網(wǎng)提供終端接入認(rèn)證、二次認(rèn)證等，以確保滿足接入主站的合法性，滿足電力業(yè)務(wù)縱向邊界的安全防護(hù)。

支持?jǐn)?shù)據(jù)加密傳輸。支持利用電力專用加密裝置或認(rèn)證網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。另外，利用UPF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制，可避免電力用戶數(shù)據(jù)暴露在公網(wǎng)上，進(jìn)而保障了用戶通信數(shù)據(jù)安全[20]。

3 輕量化5G在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 輕量化5G在低壓分布式光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

光伏作為綠色可再生資源已進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段。相對于傳統(tǒng)光伏電站通信網(wǎng)絡(luò)，基于5G通信技術(shù)的光伏系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)因具有傳輸速率高、穩(wěn)定性和可靠性強等優(yōu)勢而提高了光伏系統(tǒng)能效管理水平[21]。

低壓分布式光伏控制系統(tǒng)的輕量化5G技術(shù)方案如圖6所示，主要包括主站平臺、光伏廠商主站、5G通信網(wǎng)絡(luò)、輕量化5G終端（臺區(qū)智能終端、數(shù)據(jù)采集器）和光伏組件。

圖6 分布式光伏控制系統(tǒng)輕量化5G通信方案Fig.6 Light weight 5G communication scheme for distributed photovoltaic control system

圖中，5G通信技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)中主要任務(wù)是為主站與輕量化5G終端之間提供高效、穩(wěn)定的傳輸通道，實現(xiàn)對終端設(shè)備進(jìn)行的信息采集以及遠(yuǎn)程調(diào)控。

低壓分布式光伏控制系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)場景主要為控制類，一般要求時延小于50 ms。系統(tǒng)運行時對通信業(yè)務(wù)速率需求較低，但相對可靠性要求較高。基于此，低壓分布式光伏控制系統(tǒng)5G終端可選用輕量化5G技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)可采用端到端切片技術(shù)，優(yōu)點是便于實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離，保障電力業(yè)務(wù)的安全性，可滿足業(yè)務(wù)高可靠性的需求。

3.2 輕量化5G在低壓配電物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

低壓配電網(wǎng)通信是指電力終端設(shè)備到骨干網(wǎng)之間的通信，其傳輸距離一般從幾百米到幾公里，具有業(yè)務(wù)應(yīng)用場景復(fù)雜、技術(shù)體制多樣、覆蓋范圍廣等特征。

圖7示出了低壓配電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)輕量化5G通信應(yīng)用方案。圖中方案以輕量化5G通信網(wǎng)絡(luò)+HPLC（High speed power line communication）為信息傳輸通道。臺區(qū)智能融合終端和配電終端DTU（Distribution terminal unit）、FTU（Feeder terminal unit），主要完成采集和控制類業(yè)務(wù)，所以輕量化5G技術(shù)可以滿足業(yè)務(wù)通信需求。

圖7 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)輕量化5G通信方案Fig.7 Light weight 5G communication scheme for low-voltage distribution internet of things

依靠輕量化5G網(wǎng)絡(luò)高可靠、低時延等優(yōu)勢，配電云主站實現(xiàn)終端上傳數(shù)據(jù)分析和下發(fā)指令調(diào)控。輕量化5G技術(shù)為低壓配網(wǎng)智能化發(fā)展提供了高可靠的通信保障。

3.3 輕量化5G在低壓臺區(qū)用電采集中的應(yīng)用

低壓臺區(qū)用電采集系統(tǒng)的輕量化5G通信方案如圖8所示。

圖8 低壓臺區(qū)用電采集輕量化5G通信方案Fig.8 Light weight 5G communication scheme for electricity consumption information collection in low-voltage station area

圖8中智能臺區(qū)遠(yuǎn)程通信性能需求速率范圍為10 Kbps～10 Mbps、可靠性99.9%以上，所以輕量化5G采集終端符合通信需求。本地通信采用HPLC或高速雙模，依托智能電表、集中器等設(shè)備終端實現(xiàn)全臺區(qū)數(shù)據(jù)采集。輕量化5G采集終端可選擇5G虛擬專網(wǎng)與用電采集主站建立連接；主站平臺利用大量的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行臺區(qū)用電分析、低壓故障預(yù)判、停電上報分析等，可提高檢修、故障修復(fù)等工作效率，實現(xiàn)供電質(zhì)量、運營效率和用戶體驗的全面提升。

輕量化5G通信技術(shù)，可為用電智能臺區(qū)的信息采集、遠(yuǎn)程控制等業(yè)務(wù)提供實時性、安全性和可靠性的通信保障。

4 總結(jié)

輕量化5G為滿足物聯(lián)網(wǎng)差異化需求而產(chǎn)生，在繼承5G NR關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，具有低成本、低功耗等優(yōu)勢。

本文從電力物聯(lián)網(wǎng)5G技術(shù)需求入手，通過研究電力5G典型業(yè)務(wù)場景應(yīng)用需求和電力5G技術(shù)演進(jìn)，對輕量化5G通信技術(shù)與電力典型業(yè)務(wù)通信性能需求匹配進(jìn)行了研究；重點研究了輕量化5G終端復(fù)雜度及成本、功耗優(yōu)化、峰值速率以及通信安全性，并對輕量化5G及演進(jìn)技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用展開了研究，指出輕量化5G及其后續(xù)演進(jìn)技術(shù)將會促進(jìn)5G技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中規(guī)模應(yīng)用；最后對輕量化5G通信技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用方案進(jìn)行了研究，提出了輕量化5G在低壓分布式光伏系統(tǒng)、低壓配電物聯(lián)網(wǎng)、低壓臺區(qū)用電采集的應(yīng)用方案。本文的研究工作對新型電力系統(tǒng)應(yīng)用輕量化5G通信技術(shù)具有借鑒意義，有助于電力行業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型。