【精彩论文】电力CPS环境下电力4G无线专网向5G演进策略
电力CPS环境下电力4G无线专网向5G演进策略
赵宏大1, 陈琛1, 王哲1, 王海勇2
(1. 国网江苏省电力有限公司经济技术研究院,江苏 南京 210008; 2. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司,江苏 南京 211102)
引文信息
赵宏大, 陈琛, 王哲, 等. 电力CPS环境下电力4G无线专网向5G演进策略[J]. 中国电力, 2021, 54(3): 68-79.
ZHAO Hongda, CHEN Chen, WANG Zhe, et al. Evolution strategy of 4G wireless private network to 5G in power CPS environment[J]. Electric Power, 2021, 54(3): 68-79.
引言
为推进电力无线专网建设,保障电力CPS环境下电力业务对通信的需求,本文拟引入5G通信技术,推动电力4G无线专网向5G演进。深入分析了电力CPS业务通信需求,研究了5G通信两种组网架构。构建了电力4G无线专网演进目标,并提出了演进思路。针对电力无线专网终端、基站、回传网、核心网4个部分,分别提出了针对性的演进策略,为电力4G无线专网向5G演进提供技术指导。最后展望了电力CPS环境下电力无线专网的演进策略和5G频谱频段方案。
1 电力CPS业务需求分析
2 5G通信组网架构分析
图1 5G网络部署方式
Fig.1 5G network deployment
表1 5G网络架构特征
Table 1 5G network architecture features
2.1 NSA非独立组网架构
非独立组网中5G基站不能单独工作,电力业务终端采取双连接模式,同时连接4G基站和5G基站,功耗大[23]。非独立组网典型的网络架构有方案3系列、方案4系列、方案7系列[21],其中方案4、方案7需要引入5G核心网,4G基站需要升级增强型4G基站,工程量大。方案3系列不需要新建5G核心网,可以快速部署5G网络,建设成本低。因此,本文将结合电力CPS环境下电力业务需求,重点对方案3系列展开研究,方案3系列部署如图2所示。方案3系列进一步可以划分为4G核心网4G基站汇聚方案、4G升级核心网汇聚方案、4G升级核心网-5G基站汇聚方案,方案3系列共同点控制指令都由核心网下发至4G基站,再由4G基站下发至5G基站和业务终端。三者之间的区别在于业务数据汇聚点位置的不同。
4G核心网4G基站汇聚方案数据汇聚点位于4G基站中,电力4G终端业务数据上传至电力4G基站,5G基站无上传核心网通信通道,也需传至4G基站,二者在4G基站进行汇聚,最终由4G基站上传至核心网。该方案需要对4G基站进行升级,工程量较大。4G升级核心网汇聚方案数据汇聚点位于4G核心网,由于对电力4G核心网进行了升级,电力5G终端业务数据可由5G基站直接上传至升级后的4G核心网。电力4G终端业务数据与电力5G终端业务数据在4G核心网处进行汇聚。4G升级核心网-5G基站汇聚方案将数据汇聚点放在5G基站,电力4G终端业务数据与电力5G终端业务数据统一在5G基站进行汇聚后,由电力5G基站上传至4G核心网。该方案将数据汇聚点放在5G基站上,避免了对4G基站、4G核心网做过多的改动,充分利用了5G基站大带宽、高传输速率的优势。该方案是电力4G无线专网演进的首选。
2.2 SA独立组网架构
独立组网典型网络架构包括方案2、方案5两种模式[21],结合电力无线专网特点,基于方案2、方案5分别提出了电力5G核心网-5G基站方案、电力5G核心网-4G基站方案,如图3所示。方案5中4G基站升级为增强型4G基站,本质上还是4G基站,增强型4G基站和5G基站相比,时延、容量、速率等方面还是有一定差距。电力5G核心网-5G基站方案被认为5G网络演进的终极形态,支持5G切片等关键技术,全面使能电力CPS运行场景,保障电力业务对通信的需求。
图3 独立组网网络架构
Fig.3 Standalone network architecture
3 演进目标及演进思路
3.1 演进目标
电力CPS环境下,根据电力业务对通信的新需求,以及5G通信技术、架构特点,为实现电力4G无线专网向5G的演进,构建电力5G无线专网,提出以下演进目标。(1)基于5G的大连接特征,实现电力终端的安全、高效接入。通过终端演进,逐步构建满足5G网络运行需求的电力终端,实现电力4G无线专网终端向5G的演进,保障电力CPS业务的高效交互与安全运行。(2)基于5G基站设备组网的灵活性,可与现有电力4G基站核心网配套使用的特点。根据电力业务场景,对电力基站进行灵活部署,满足不同电力业务通信覆盖及对无线通信资源的差异性需求。通过基站演进,构建满足业务运行需求的电力5G基站,实现电力4G基站向5G基站的演进,提升电力业务通信能力。(3)基于5G的高带宽传输能力,实现电力业务的高效传输需求。通过回传网演进,对现有电力4G无线专网进行改造或重建,实现电力4G回传网向5G的演进,提升电力无线专网的业务传输能力。(4)基于5G核心网高效的处理能力,保障海量电力业务对通信的需求。通过对核心网的演进,实现电力4G核心网向5G的演进,支持增强宽带移动、低时延、大连接等电力业务的通信能力。3.2 演进思路
为实现电力4G无线专网向5G平滑的演进,需要在4G的基础上,充分利用4G资源进行演进。总体演进思路可分为以下3个阶段进行,具体如图4所示。
第一阶段:在全国已经部署电力4G无线专网的区域中选择部分区域进行试点,将部分电力4G无线专网升级为电力5G无线专网。根据试点情况,在部分地区开展海量电力业务的接入。第二阶段:电力CPS环境下,基于电力业务发展的不确定性,针对未来可能会出现的大量新兴业务,可直接构建电力5G无线专网进行业务覆盖。
第三阶段:随着电力CPS不断发展,考虑电力业务通信需求、业务覆盖以及经济性等因素,适时大规模对电力4G无线专网进行5G演进,实现电力4G无线专网向5G演进的目标,全面提升电力业务通信水平,满足电力CPS环境下电力业务通信需求。
4 电力4G无线专网向5G演进路径
4.1 终端演进路径
电力4G无线专网向电力5G无线专网演进过程中,针对终端的演进可遵循4G、5G先融合,再替换为5G的思路。目前无线通信领域的基带芯片、SoC(service oriented core, SoC)均为多模形态,可以实现4G、5G等多网融合,一种产品满足多种需求。基于此,本文提出了电力终端演进方案,给出了3种可选终端:公专融合形态终端、双链路终端以及物联网终端。(1)公专融合形态终端。该终端可同时与无线公网、电力无线专网进行通信,一方面有助力无线公网向电力无线专网的改进;另一方面,在公网与专网同时可以覆盖的区域,对于承载特定业务的终端,可同时接入公网与专网,提高终端通信的可靠性。(2)双链路终端。双链路终端具备双无线通道并发功能,可同时连接一个电力无线专网的两个基站或同时连接两个电力无线专网。该种终端可有效提升电力业务通信可靠性,为电力CPS核心业务提供通信保障。(3)物联网终端。物联网终端是实现感知信息及上传数据的设备,具有数据采集、加密、传输等功能[24]。该终端成本低,可满足覆盖范围广、数量多业务需求,如用电信息采集、分布式光伏等。针对3种可选终端,根据业务场景,提出相应的演进方案,如表2所示。
表2 终端演进方案及应用场景
Table 2 Terminal evolution scheme and application scenarios
4.2 基站演进路径
针对电力CPS各类业务通信需求,提出了电力无线专网4G基站需向5G基站演进策略,如图5所示,实现电力通信网络的部署灵活化、开放化、运维智能化。
图5 电力基站设备演进策略
Fig.5 Power base station equipment evolution strategy
CU云化+C-RAN方案:DU集中放置,CU云化。此方案可进行集中化无线接入网(centralized radio access network),C-RAN)组网,C-RAN组网可极大减少成本,一定规模的DU设备集中放置,有利于实现统一管理,灵活方便,机房需配置空调降温。MEC(multi-access edge computing,MEC)下沉,与CU共享相关设备,CU云化,对安全性、可靠性等要求提升,支持多基站接入,可同时处理多个网元信息。时延较高,适用于对时延需求较低的电力CPS业务,DU集中放置,CU云化的场景。CU云化+D-RAN方案:DU前置,CU云化。不同基站DU设备分散放置,不共站址部署,即为D-RAN(distributed RAN,D-RAN),维护不便,DU靠近RRU,适用于对时延需求较高的电力CPS业务,DU前置,CU云化的场景。C-RAN方案:CU与DU集中放置。属于D-RAN组网,大规模集中放置,维护便利,风险高,适用于时延需求不高得电力CPS业务,CU与DU可集中放置的场景。C-RAN方案:传统基站放置。此方案对杆塔设施要求较高。该方案主要进行D-RAN组网,CU、DU部署在站点机房,风险较低,但不同基站CU、DU设备独立部署,整个通信系统维护起来不便。CU处理单个网元数据并且DU、CU靠近RRU,适用于对时延要求较高的电力CPS业务,CU、DU、天线共址场景。影响电力5G基站部署方案的关键因素包括:业务时延、成本、机房建设条件等。5G网络部署前期,可与4G共用通信机房和杆塔,仅需升级机房相关设备即可,CU、DU共址部署,无须建设CU机房,减小部署成本。随着电力CPS业务发展,再考虑CU、DU分离架构[27],多种基站部署方案为业务提供更加多元化、个性化的通信网络。
4.3 回传网演进路径
目前电力4G回传网主要采用SDH(synchronous digital hierarchy,SDH)/MSTP(multi-service transport platform,MSTP)传输技术,SDH/MSTP带宽、时延有限,4G回传网带宽难以满足海量电力CPS业务通信传输需求。与4G技术相比,5G回传网采用新的传输协议,其中SPN(slicing packet network,SPN)网络在带宽、时延、网络切片等方面具有显著优势,可满足5G发展需求[28-29]。在海量电力CPS业务传输上有较大的应用前景。迫切需要引入5G通信技术,满足海量电力CPS业务传输需求,提高回传网业务传输效率。针对不同的电力运行场景,以及电力业务差异化运行需求,本文提出了3种电力4G回传网向5G演进方案,如图7所示。
图7 电力回传网演进方案
Fig.7 Evolution plan of power backhaul network
原有电力4G回传网方案:电力5G基站、电力5G核心网设备直接接入现有SDH或MSTP回传网,同时承载4G基站与5G基站电力业务。但该方案受限于电力4G架构组网能力、4G回传网带宽、通信时延,不能很好承载对通信时延要求高的业务。升级电力4G回传网方案:对现有电力4G的SDH或MSTP网络进行升级,接入层、核心汇聚层设备升级更大容量的端口实现业务传输。适用于接入层带宽急剧增长,原电力4G接入层无法实现5G基站全接入的场景。新建电力5G回传网方案:新建一张5G回传网络承载电力业务,新平面采用大容量、SPN技术进行组网,满足电力业务的通信需求,实现网络切片、灵活连接、高精度同步时间等功能。新建SPN网络与原有电力4G的SDH或MSTP网络之间实现业务互通,可合理利用已有电力4G网络资源,平滑演进到5G SPN网络。3种回传网演进方案的主要特点如表3所示。
表3 回传网演进方案特点
Table 3 Features of backhaul network evolution solution
上述方案中,原有电力4G回传网方案具有局限性,部分业务无法开展,适于初期仅有少量基站测试或试点。升级电力4G回传网方案和新建电力5G回传网方案能够满足电力CPS业务不同通信需求。升级电力4G回传网方案需要对原有设备进行大规模替换,网络传输方式单一,在工程实施几乎等同于重建一张新的通信网络。相比之下,新建电力5G回传网方案更有优势,可在保留原有通信网络的基础上新增通信网,可实现电力4G向5G的平滑演进。
4.4 核心网演进路径
电力4G无线专网平滑演进到5G专网需要合理利用现有4G丰富资源,独立组网中电力5G核心网网络架构较为先进,但成熟度较低,且电力CPS业务发展具有不确定性[21]。因此,在演进前期可以采用非独立组网结构,待电力5G核心网成熟,再逐步推进独立组网。非独立组网标准成熟度较早、产业链丰富,方案3X复用4G核心网EPC(evolved packet core,EPC),网络架构成熟度高、部署速度较快、初期建设成本低,可以满足电力大带宽业务需求。但非独立组网对4G、5G设备型号要求较为严格,双连接(同时连接4G、5G基站)功耗大,在初期阶段,非独立组网可以作为独立组网的过渡网架。独立组网的方案2是电力5G无线专网的网络终极形态。基于此,本文提出如下电力核心网:原4G核心网 → 4G核心网升级+5G基站方案 → 4G核心网升级+5G核心网+5G基站方案 → 5G核心网+5G基站方案,如图8所示。第一步:对电力4G核心网EPC进行升级,支持电力5G终端的接入,通过NSA的4G核心网升级+5G基站方案实现电力5G基站的快速部署,可支持电力CPS增强移动带宽业务。第二步:采用4G核心网升级+5G核心网+5G基站方案软件升级SA,一张电力无线专网实现NSA和SA并存。引入电力5G核心网后,可以根据电力无线专网的覆盖需求、电力CPS业务终端类型、业务通信需求在NSA和SA之间做灵活选择。第三步:根据电力CPS终端SA支持程度、电力业务需求和5G部署成本等因素,适时将电力无线专网全网升级至SA的电力5G核心网-5G基站方案,即电力5G无线专网的终极演进目标。
5 演进策略建议与展望
5.1 演进策略展望
(1)增加eMTC(enhance machine type communication,eMTC)技术的应用将进一步促进电力CPS业务发展。eMTC技术具有海量连接、低成本等特点。eMTC技术可满足电力CPS高频次电表直抄、配电故障检测、分布式能源监控、充电桩监控、自动需求响应、配电设施环境监测、电力设备温度监测等大连接业务需求。(2)进一步提升重点监测业务的通信带宽将显著提升电力CPS运行可靠性。例如提升故障录波业务通信带宽可以快速、准确地传输线路故障信息和保护动作指令,提升电网运行可靠性。相比于4G技术,5G覆盖范围小且成本高,短时间内难以实现全业务覆盖。演进前期可根据实际需求,对重点关注区域进行5G通信覆盖,如变电站巡检机器人、高清视频监控等。(3)适当应用5G切片技术将进一步提升电力CPS业务的通信能力和网络安全水平。5G在电力CPS应用场景极为丰富,不同业务对带宽、时延、速率等需求不同,搭建多张网络提供网络服务成本太高,管理困难。网络切片可为不同业务提供专用网络服务,满足业务差异性需求。此外5G切片技术具有较好的网络安全性,建议适当进行切片技术研究,满足电力生产控制类业务安全隔离需求。(4)根据电力CPS业务需求选择合适的技术发展路线。5G与电力CPS融合,既是机遇也是挑战。在5G网络建设与实施阶段,电网公司应从业务需求、产业能力、经济效益、运行成本等角度综合考虑,制定适合电力CPS发展的技术路线,加快推进5G网络建设及其业务发展,助力电网早日实现“万物互联”。5.2 5G频谱频段方案展望
(1)未来电网公司可申请新的频段用于电力5G无线专网建设。频谱专用具有明显优势,可以有效避免与其他行业之间的通信干扰,进一步提高通信可靠性。(2)未来一段时间针对不同的频谱资源进行不同程度的应用。对于1.8 GHz频段进行深耕,在完成既有覆盖的基础上,考虑eMTC覆盖。1.8 GHz相关产品产业链完善,在演进阶段可采用预研、试点、小规模试用、规模建设的路径进行推进。对于230 MHz频段,有传统的无线数传电台通信和宽带无线专网2种技术可供选择,鉴于230 MHz产品产业链不够完善,建议慎重选用。在偏远地方,无其他有效通信方式支持的场景,可采用230 MHz频段的数传电台,解决通信问题。(3)与已拿到5G牌照的运营商合作,满足特定地区电力业务通信需求。5G可以以网络切片方式对不同行业的业务进行隔离,互不干扰。可以与运营商及广电合作,以切片方式向运营商租用特定地点的特定频段,满足个别区域电力业务通信需求。6 结论
(责任编辑 吴恒天)
作者介绍
赵宏大(1980—),男,高级工程师,从事电力系统通信规划及二次系统设计研究,E-mail:13912987815@139.com;★
陈琛(1989—),男,博士,工程师,从事能源电力发展、企业战略等研究,E-mail:398538173@qq.com;
★
王哲(1977—),男,硕士,高级工程师,从事智能化规划及二次系统设计研究,E-mail:13585105209@139.com;
★
王海勇(1981—),男,高级工程师,从事电力系统通信规划设计研究,E-mail:28294982@qq.com.
往期回顾
审核:方彤
根据国家版权局最新规定,纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品,转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息,在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。