电力5G通信网络可靠性组网及部署技术

电力5G通信网络可靠性组网及部署技术

王海勇

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司  江苏南京  210000

摘要：当前电力物联网环境下的通信技术呈现无线化、虚拟化的趋势，以第5代移动通信技术为代表的无线技术支持高速率、高可靠、低时延与低能耗。电力通信网朝无线化、虚拟化平滑演进时，既应该遵守电力现有规范，又应该考虑与现有通信系统融合的部署方案。

关键词：电力；5G通信网络；组网；部署技术

引言

5G技术是未来移动通信技术发展方向。5G的低时延、高可靠特点使得电力监控系统等生产控制系统的“无线调控”成为可能。5G网络切片技术，可以为电力行业用户打造定制化的“业务专网”服务，更好地满足电网业务差异化安全需求。5G的海量接入容量、高带宽特点和边缘计算能力，为电力物联网、视频类数据的采集传输和就地处理提供了有力支持。

1电力通信中5G应用的优势

对于电力eMBB场景，采用更高频段的带宽资源提高传输速率，多载波传输方式减低无线信道频率选择性衰弱，更高阶MCS（ModulationandCodingScheme，调制与编码策略）提高频率效率；对于电力mMTC场景，采用非正交多址接入技术有效提升时间、频率、空间及功率资源的复用程度，免调度技术减少海量终端连接所产生的大量上下行信令交互提高系统容量；对于电力广覆盖场景，信道覆盖增强技术有效提升物理信道覆盖范围，辅助上行针对不同频段覆盖能力调整频段使用方式增强覆盖能力。5G多样化应用场景为智能电网的发展提供技术基础，将改变传统电力业务运营方式和作业模式，进一步提升电网企业的自主可控能力和运营效率。

2电力5G与运营商融合组网方案

2.1完全使用运营商承载网模式

完全使用运营商承载网的情况下，电力专用UPF部署于电力公司地市核心机房内，需开通电力公司地市机房至运营商机房的专线业务，UPF物理接口直接与运营商承载网设备互联，将UPF对外的N（3RAN和UPF参考点）和N（4UPF和SMF参考点）接口打通，UPF至电力公司业务主站的N（6UPF和数据网络之间参考点）接口通过电力自有资源实现互联，RAN至核心网的N（1UE和AMF之间参考点）、N（2RAN和AFM之间参考点）接口信令数据全部通过运营商承载网络回传至核心网。RAN至CN之间的承载网根据对切片安全和可靠性的不同要求，分为基于灵活以太网（flexibleethernet，FlexE）端口的硬切片隔离技术和基于虚拟专用网络（virtualprivatenetwork，VPN）的软切片隔离技术。生产控制大区（I/II区）业务使用硬隔离技术保证物理传输资源不被占用，同时保证与其他业务的物理隔离。对于生产控制大区内的不同业务使用VPN+QoS技术进行大区内业务间的逻辑隔离。

2.2电力承载网和运营商承载网融合模式

电力5G在与不同运营商融合组网时，应首先考虑运营商核心网的建设情况：中国移动、中国联通核心网按大区模式建设，控制面网元按大区模式集中部署；中国电信核心网按省份模式建设，控制面网元按省份模式集中部署。UPF部署于电力公司地市级核心机房内，将电力公司传输网和运营商传输网在地市级汇聚层互联，用户面N3接口，即RAN和UPF参考点数据经由运营商地市汇聚节点转接至电力公司汇聚层节点，进而上传至电力公司UPF，再由UPF完成用户面数据的分流。控制面N1、N2及N4接口数据经运营商传输网转接至电力公司传输网后，经电力公司省干及国干传输网上联至运营商大区核心网中的电力独享网元。用户面N3接口数据经由运营商地市汇聚节点转接至电力公司汇聚层节点，进而上传至电力公司UPF。控制面N1、N2及N4接口数据经运营商传输网转接至电力公司传输网后，经电力公司省干传输网上联至运营商省内核心网机房。

2.3电力自建5G承载网的融合组网方案

将电力SPN承载网建设至接入层，实现从基站至核心网的全线电力专网覆盖。基站至接入层SPN之间敷设光缆，并将基站单独配置传输板卡，通过10GE光路接入SPN设备，N2/N3/N4接口全部承载于电力自建SPN之上。由于网络规模庞大，地市以内单独建立自治域，地市以上建立骨干平面。电力专用SPN网络作为路由网，起到了一张网可同时对接、承载三家运营商的作用。对于中国电信，由于核心网为省级制，不涉及跨省，仅利用上述网络的省内部分。

3可靠组网技术设计

3.1无线终端冗余技术

IED等终端设备间在间隔层和站控层进行点对点通信时，对应5G通信采用5GLAN的D2D模式。电力IEC6185090−4要求有线网络设备采用PRP/HSR的冗余拓扑结构，使用RedBoxes实现双通道数据的选择。因此，5G也应采用双通道主备模式，且在NR侧设计无线型RedBoxes。有线和无线通信的可靠性策略差异在于：1）有线网络的PRP/HSR工作在MAC层，而5G无线通信工作在IP层；2）有线PRP/HSR的控制信令随路传输，而5G控制面与数据面分离。此外，终端进行D2D通信时，若5G采用PRP/HSR的双发模式，则存在着无线频点间干扰和资源瓶颈。因此，5G双通道应工作在“单发双收”模式。为此无线型RedBoxes设计了：1）跨层混合（联合业务终端和通信模块）监测技术，解决无线终端的通道故障监测问题；2）IP地址管理技术，保障D2D通信的业务连续性；3）双端协同通道切换技术，支撑D2D通信自主实现主备通道的快速热切换。

3.2虚拟网络冗余技术

电力物联网与远传通信采用的SDH传输网为保证信息传输的可靠性，在组网时考虑了自身的冗余策略。因此，5G在此场景下需同步考虑此问题，在UPF面作相应的调整以适应电力的可靠性方式。UPF是5G核心网的重要组成部分，主要负责分组路由与转发、数据包检查、QoSFlow映射等网络用户面的处理，完成重定向、流量门控等策略的实施。针对5G的冗余部署，需要通过UPF的下沉缩短传输路径，并且下沉UPF与电力多关口PSAUPF(PDUsessionanchorUPF）的对接构成了多路径的网状连接模式。此外，5G网络的数据平面还包含防火墙、隔离器、边缘计算等大量网络功能。为防止SFC多路径的迂回并保障路径功能点的正确实施，需要提供相应的可靠性SFC编排策略。目前IP网络可靠性策略多采用主动式故障恢复，如聚焦于实时性的快速重路由（IPfastreroute，IP-FRR）和聚焦于负载均衡的等价多路径（equal-costmulti-path，ECMP）方式。基于业务的实时性需求，采用IP-FRR策略进行可靠性SFC编排，提出了SFC冗余路径算法。

结语

电力生产控制大区（I/II区）类业务和管理信息大区（Ⅲ/IV区）类业务安全性、实时性、可靠性的不同要求提出电力传输网与运营商传输网互联互通的不同融合组网方案，并对融合组网关键问题进行研究，考虑电力安全防护系统要求，从无线、承载、核心网3个层面对电力5G网络做好安全隔离及防护工作。后续工作可以对融合组网进行推广建设，以提升电力网络资源的利用率，实现电力资源与运营商资源的融合组网。

参考文献

[1]赵锦程,黄斐一,孔繁盛.面向5G的无线宽带多载波传输技术[J].移动通信,2015(9):14-18.

[2]张平,陶运铮,张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报,2016,37(7):15-29.

[3]毕奇,梁林,杨姗,等.面向5G的非正交多址接入技术[J].电信科学,2015(05):14-21.