電力專網面向5G 的演進路線及創新模式研究

張瑞兵，徐光年，儲建新，鄭偉軍，嚴玉平

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

0 引言

隨著我國經濟建設的快速推進，電能為居民日常生活以及企業工業生產提供了強大保障。在電力資源配送過程中，需要高效的通信系統來滿足配用電系統在通信方面的需求。電網公司目前采用的通信方式主要包括光纖通信、無線公網和無線專網3 種，光纖方式安全防護和通信質量最優，但單位終端的通信配置成本最高；無線公網成本最低，但運營商不提供針對電力業務的特殊保障及安全防護措施，通信質量不可控，無法保證網絡安全；無線專網安全防護和通信質量較好，可實現移動接入。建設電力無線專網對解決“最后一公里”通信問題、推動電網公司信息化企業建設和新興業務拓展具有重要意義。

國家電網公司2016—2017 年在10 個城市同期開展了終端通信接入網試點工作，試點經驗表明，無線專網能滿足電力業務通信速率、時延和安全防護要求，可有效提升配電自動化遠程控制成功率、用電信息采集成功率等指標。2018 年底，國家電網公司發布了有關LTE-G 230 的企業標準（Q/GDW 11806.1—2018，Q/GDW 11806.2—2018，Q/GDW 11806.3—2018），對技術體制和技術細節進行了規定。然而無線通信技術更新迭代非常快速，隨著部分5G 標準的成熟，已建成的電力無線通信網絡如何引入5G 核心技術，平滑向5G 演進成為一個重要研究課題。

1 電力無線專網現狀

國際標準化組織3GPP（第三代合作伙伴計劃）定義了5G 的三大場景，其中eMBB（增強移動寬帶）主要面向虛擬現實/高清視頻等大帶寬業務，mMTC（大規模機器類型通信）主要面向物聯網海量接入數據業務，uRLLC（超高可靠低時延通信）主要面向工業控制以及自動駕駛等低時延、高可靠業務。Release 15 標準作為5G 的第一階段標準已經全部完成并凍結，此版本規范了eMBB 場景規范，而mMTC 和uRLLC 場景標準目前還沒最終確定，電力通信應用更偏向于后面2 種場景。

國網浙江省電力有限公司經過多年的研究和實踐，在嘉興建成國內首個地市級區域全覆蓋的電力無線專網，并于2018 年底投入使用。目前已經接入各類業務終端1 萬余個，涉及用電信息采集、配電自動化、配變監測、故障指示器、分布式電源、充電樁管理、語音集群、視頻傳輸、移動辦公、無人機巡檢、智能倉儲等多類業務。

嘉興建成的電力無線專網基于LTE-G 230標準，網絡通過載波聚合、頻譜感知等關鍵技術實現數據、語音、視頻等傳輸能力，具備寬窄一體、一網多能的特點。然而科技人員在技術提升上的努力從未停止，近兩年不斷研究5G 核心技術在230 MHz 網絡的迭代演進，以便對電網業務提供更低時延、更高可靠性的通信支撐。

2 面向5G 技術演進

LTE-G 230 面向5G 演進涵蓋離散載波聚合技術、網絡切片技術以及低功耗廣域網絡技術幾方面。

2.1 離散載波聚合技術

載波聚合技術是4G 和5G 的關鍵技術之一，通過聚合多個載波信道來提升帶寬，實現數據速率和容量的提升。5G 網絡可聚合多達16 個載波，通過高頻段結合中、低頻段的動態重耕技術實現可用帶寬的擴展（見圖1）。

圖1 載波聚合示意圖

載波聚合技術已在LTE-G 230 中采用，網絡針對連續或者離散的25 kHz 載波進行聚合，甚至聚合多行業分時共享的載波，實現窄帶頻率的寬帶化應用。

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

多載波調制是高速數據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，峰均功率比隨載波數增加而提高；另外，230 MHz 頻段還面臨著多行業交叉使用、多制式系統共存的干擾難點，LTE-G 230 網絡通過CFR（振幅因數消減）來降低峰均比，通過DPD（數字預失真）技術解決峰均功率比過大所導致的非線性，通過數字梳狀濾波和頻譜感知技術改善干擾問題，系統寬帶性能和抗干擾能力得到快速提升，目前已經在浙江省低頻段物聯網技術與應用實驗室落地應用。

2.2 網絡切片技術

5G 標準面向不同的需求場景，導致網絡的安全性、移動性、時延和可靠性的要求是不一樣的，因此需要采用網絡切片技術將一張物理網絡分成多個虛擬網絡，每個切片資源面向不同的應用場景需求，邏輯上進行隔離，相互獨立。

針對電網應用場景需求，網絡切片不僅有助于業務數據隔離，還有助于提升數據的安全性，相對無線公網的“軟”切片，可以采取更嚴格的“硬”切片技術，這樣不僅要求對網絡組網架構進行調整，而且要求對業務數據進行更精準的標識，所以從網絡架構設計到端到端不同業務數據的流轉，從無線頻率的規劃使用到核心網的分區而治，從通道隔離到處理板的分工，均需要詳細設計。

安全隔離設計嚴格遵守“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的原則，基站應通過獨立的時頻資源、基站傳輸單板/端口為特定業務提供專線通道，滿足不同安全大區業務物理隔離的要求，如圖2 所示。

基站系統支持QCI（服務質量分類標識），終端用戶在簽約時系統設置用戶的優先級，用戶簽約設置的優先級信息存儲在HSS（歸屬簽約用戶服務器）中，基站同步緩存HSS 中相關信息，當基站接收到終端上行數據時，通過終端ID 號與緩存的信息進行比對，判別終端優先級和業務類型，并對該終端后續消息幀中特定標志位進行QCI 置位，該標志位用于后續處理板和隔離通道的選擇；基站系統與核心網系統之間傳輸通道根據業務類型分為精準負荷控制業務通道、配電自動化業務通道和其他采集類業務通道。

核心網系統遵循電網安全防護要求劃分為管理信息大區專屬業務核心網和生產控制大區專屬業務核心網，生產控制大區核心網又細分為精準負荷控制和非精準負荷控制處理的硬件模塊，各個分區之間相互隔離，同時又可根據需要調整相應處理資源。

基站和終端之間的無線傳輸根據業務類型劃分為多個頻率池，實現頻率（波長）隔離，頻率池的規劃打破連續載波限制，根據頻譜感知數據優選載波組建頻率池用于關鍵業務，頻率池劃分示意如圖3 所示。

2.3 低功耗廣域網絡技術

LPWAN（低功耗廣域網絡技術）是伴隨5G 標準滿足物聯網需求出現并逐步成熟的遠距離無線通信技術，它通常采用深度睡眠、重復傳輸等多種技術實現低功耗和遠距離深度覆蓋，LTE-G 230 也采用類似改進技術。

深度睡眠技術： 通信終端在傳輸間隙工作在節能模式，此時終端位置網絡處于附著狀態，但沒有信令發送，終端進入深度睡眠狀態，將功耗降到最低。

時間分集技術： 將同一信號按照約定時隙間隔進行多次重傳，通過時間分集技術獲得分集增益，增強覆蓋性能，同時將覆蓋扇區劃分為不同覆蓋等級，終端根據所在區域覆蓋等級動態調整重傳次數，如圖4 所示。

能量譜密度提升： 終端發射窄帶信號，通過增強功率譜密度可有效提升信號的覆蓋增益，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 系統具有8.6 dB 的功率譜密度增益，上下行控制信息與業務信息可以在更窄的帶寬中發送，從而降低接收方的解調要求，實現覆蓋距離的增長。

圖2 電力通信網通道隔離示意圖

圖3 電力通信網頻率池規劃示意圖

圖4 覆蓋等級劃分示意圖

多幀聯合傳輸： 通過時域多幀聯合傳輸以及頻域多子帶復用，進一步降低碼率，提高系統接收機靈敏度，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，在提升覆蓋的同時保證頻譜效率。

3 創新應用模式探索

3.1 多行業信道共享

電力深度定制研發的專用無線通信網絡在傳輸可靠性和網絡安全性方面均優于無線公網。伴隨專網技術的成熟，可面向水務、燃氣等重點行業開放信道共享，拓展運營模式，帶動社會協同發展。

多行業共享的難點在于如何協調多行業專網（子網）間的信道，本方案通過具有集中調度功能的行業運營服務平臺進行統一管理。平臺負責不同網絡資源與行業應用的配置，包括歸屬HSS、APN（接入點名）接入、處理通道和端口選擇以及數據流轉路徑、數據流量甚至計費功能。

為了保證不同行業間信道隔離和業務調度，方案規劃面向多行業的時頻物理隔離頻率池、更多類型APN 以及獨立的HSS 模塊。不同行業終端簽約在獨立的HSS 內，采集數據根據規劃通過專用頻率池傳輸到基站系統，基站基于APN 識別并通過獨立物理通道傳輸到核心網處理模塊，核心網系統識別業務數據并將非電力行業數據送到行業運營服務平臺，進行流量計費后將數據轉發至相應行業主站系統。

多行業信道共享架構如圖5 所示，多種措施綜合使用，保證與其他行業的業務安全共享，由此開創電網通信業務運營新模式。

3.2 多行業頻率共享

無線頻率資源是國家的稀缺資源，行業無線專網應用特點通常是周期性數據傳輸，周期的間隙頻率資源空閑，存在嚴重浪費，如果能實現多個行業分時共享同一段頻譜，就可以大大提升無線資源利用率。

行業分時共享頻率的難點在于如何協調網絡資源，以及不同子網間如何動態分配信道。本方案通過各個子網內頻率感知系統和子網間頻譜調度平臺實現，通過頻譜調度平臺對感知系統資源信息進行存儲、更新、管理，實現認知無線電系統對空閑頻譜資源信息的全面獲取與高效利用。

如圖6 所示，在多個無線系統間構建統一的頻譜調度平臺，內含地理位置頻譜數據庫，平臺獲取感知系統的相關信息（包括地理位置、站點和設備的相關信息），進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，得出各個系統間的頻率隔離情況。

圖5 多行業信道共享架構

圖6 多行業頻率共享示意圖

當感知系統進行資源申請時，可根據系統間的隔離情況以及頻譜資源的使用情況進行資源分配，保障不同系統間資源分時使用的有效隔離，平臺同時考慮區域內頻率授權備案情況，保證系統間資源使用的合理合法性。

具體實現是每個基站系統對感知頻段進行周期性監測，監測的結果在核心網匯總，核心網通過網管系統與頻譜調度平臺進行業務交互。

4 驗證與測試

上述多項技術已經在浙江電力無線專網中驗證應用，多行業頻譜共享機制驗證步驟如下：

（1）配置2 個獨立網絡，2 個網絡配置共享工作頻點。

（2）使用多部終端占滿1 號網絡26 號基站無線資源，包括共享頻點。

（3）2 號網絡85 號基站內終端嘗試進行數據傳輸，當用盡本扇區資源后無法申請到共享頻點，將導致部分終端無法通信。

（4）結束26 號基站部分終端的業務，釋放部分共享頻點。

（5）85 號基站內數據傳輸失敗的終端重新進行數據傳輸，成功申請到共享頻點資源。

2 個網絡本地資源管理中心對基站頻率調度變化顯示，網絡1 的26 號基站釋放的相同頻率資源塊被網絡2 的85 號基站成功申請占用。

5 結語

配電網業務復雜，終端分布點多面廣，互聯互通離不開無線通信網絡，然而任何一種獨立無線方式都不能滿足所有場景，需要結合業務特點和應用場景選擇最佳通信方式。230 MHz 無線專網已納入國家電網企業技術標準體系，它在設計之初就是面向電網應用深度定制，本身使用范圍非常寬廣。本文總結了其面向5G 技術演進以及創新應用模式方面的探索與研究，表明這種技術體制堅強的后續生命力和延續性，未來必將助力電網公司數字化、網絡化、智能化發展，通過智慧能源與信息通信技術深度融合，推動電網和公司高質量發展。