5G專網技術在智能電網中的應用

杜鵬，鄭興明，陸威

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055）

0 引言

3GPP 定義的5G 應用三大場景中，除eMBB 主要面向人網應用外，mMTC 和uRLLC 均屬于物聯網和垂直行業應用范疇。垂直行業應用不同于公網業務，其對網絡安全性、可靠性、確定性有更嚴格的要求，對5G 網絡架構及技術實現提出了更高的挑戰。針對5G 在行業專網中的應用，3GPP 也在不斷完善相關標準，在3GPP R16 里，5G 新增了多種針對垂直行業的功能，包括TSN（Time Sensitive Networking）、5G LAN、NPN（非公共網絡）[1]等，使得5G 專網的能力得到提升，更好地滿足工業制造、交通、能源、醫療等垂直行業應用的特定需求。

5G 專網技術在垂直行業的部署方案已有研究和探討[2-5]，但是針對智能電網場景的應用研究還比較少，尤其是配電網中的電流差動保護場景，對傳輸時延及可靠性要求極高[6]，因此能否采用5G 技術滿足要求非常值得研究。

差動保護技術廣泛應用于電網的配電領域。簡單來說，差動保護就是當輸電線路正常運行時，輸電線路兩端的電流值相同，而當這條輸電線路發生故障時，兩端的電流就會不一致。當差動電流大于差動保護裝置的預定值時，保護啟動進而將被保護設備的各側斷路器跳開，使故障設備斷開電源。通過差動保護可以縮短故障持續時間，降低故障的影響范圍，提高供電可靠性。智能電網中的配電差動保護場景如圖1 所示。

為保證差動保護的判斷準確、啟動及時，需盡量保證一組差動電流為同一時刻采樣值，即需要嚴格保證差動電流的時間同步。因此差動保護對保護裝置DTU 之間的通信時延以及可靠性有較高要求，例如時延：小于10 ms，時間同步精度：小于10 μs，可靠性：大于99.999%。為了實現配電差動保護，通常需要在相鄰配電站的差動保護裝置之間采用光纖專線傳輸。但是由于差動保護終端數量大，部署分散，鋪設光纖專線成本高，難度大，無法滿足日益增多的接入需求。

而5G 網絡的低時延、高可靠、海量連接等特性正好可以滿足要求，5G TSN 可提供精準可靠的網絡傳輸能力，能夠滿足差動保護對通信時延的需求；5G LAN 提供的專屬網絡服務能力也可以滿足電網嚴格的安全隔離需求。因此采用5G 網絡代替光纖傳輸，并通過5G 專網技術靈活部署，既降低了部署成本，也保證了傳輸時延，還可以精準控制和管理大量分布式部署的差動保護終端。

目前關于5G 技術在智能電網中的應用已有一些研究[7-9]，基于上是通過部署5G uRLLC 切片來解決問題，但是當前的5G 切片技術以及QoS 保障技術都無法滿足智能電網和工業控制等場景對時延、抖動、丟包率及可靠性的嚴苛要求，因此需要考慮采用5G 專網技術（例如5G LAN 和5G TSN 等）為這些特定場景提供確定性的通信保障。

本文針對智能電網中的差動保護場景的特點，選擇3GPP R16 引入的5G TSN 和5G LAN 技術進行分析，提出了5G TSN 和5G LAN 技術相結合的方案，滿足電網差動保護場景下配電站之間的可靠通信需求。

1 5G TSN技術

TSN（Time-Sensitive Network，時間敏感網絡）是由IEEE 802 工作組基于標準以太網制定的支持時間敏感業務轉發的系列增強技術標準，可應用于各種支持低延時及基于時間同步數據傳輸的以太網協議，例如：音視頻傳輸、工業控制、車聯網和智能電網等諸多行業[10]。

5G TSN 是3GPP 為滿足無線接入網絡支持應用TSN技術的確定性工業網絡互聯的需求，3GPP 借鑒了IEEE定義的TSN 標準,定義了5G TSN 邏輯網橋的架構，即將整個5G 網絡作為TSN 網絡中的網橋，完成與TSN 網絡的組網以及互聯互通。

5G TSN 邏輯網橋架構如圖2 所示。

圖1 智能電網中的配電差動保護場景

圖2 3GPP定義的TSN邏輯網橋系統架構圖

為了實現5G TSN 邏輯網橋和TSN 網絡的對接，5G系統擴展了如下3 個功能功能模塊：

（1）DS-TT：即終端側TSN 轉換器（Device-side TSN translator），用于連接終端側的TSN 系統，通常可以和UE 相集成。

（2）NW-TT：即網絡側TSN 轉換器（Network-side TSN translator），用于連接網絡側的TSN 系統，通常為UPF 中的一個功能模塊。

（3）TSN AF： 即TSN 的應用功能（Application Function），用于連接TSN 網絡的CNC 控制器，通常可以為一個獨立的網元。

為了實現5G TSN 邏輯網橋的功能，5G 系統需要支持如下三個關鍵技術：

（1）時間同步

時間同步是TSN 提供流量的延遲保證的關鍵特性之一，5G 系統需要為TSN 業務提供其所需的超高精度時間同步能力，包括：TSN 時間同步和5G 時間同步。

TSN 時間同步協議遵循IEEE 802.1AS 標準。UPF/NW-TT 從TSN 網絡中的TSN GM 獲取TSN 時鐘同步消息，然后UPF/NW-TT 將時鐘同步消息通過用戶面轉發給UE/DS-TT，從而實現UE/DS-TT 與TSN GM 之間的時間同步。

此外，5G 系統內，gNB 和UPF、UE 之間還需要提供基于5G 系統時鐘的高精度時間同步。5G 系統時間和TSN系統時間之間，由UPF/NW-TT 和UE/DS-TT 進行轉換。

（2）精準轉發

實現TSN 基于精準時間的調度轉發機制，是5GS 支持TSN 功能最核心功能。5G 網絡需要為TSN 工業互聯網應用提供確定性低時延流調度能力，包括：無線資源的優化調度技術，UE/DS-TT 和UPF/NW-TT 基于IEEE 802.1Qbv 標準定義的流調度能力等。

如圖3 所示，5G 網絡作為TSN 網絡中的透明橋梁，由DS-TT 和NW-TT 提供TSN 數據流的駐留和轉發機制，遵循IEEE 802.1Qbv 標準。在5GS 系統內，例如UE＜-＞NGRAN＜-＞UPF 之間，只需要實現低時延調度，保障數據包在其預定的傳輸時間之前到達NW-TT 或DS-TT 出口即可。

圖3 5G TSN轉發總體架構

（3）網絡協同

為了實現5G 網絡適配TSN 的確定性傳輸，5G 系統需要與TSN 網絡間進行網絡協同。5GS 作為TSN 邏輯網橋，和TSN 網絡之間進行協同的架構遵循IEEE 802.1Qcc 協議定義的完全集中式模型[11]。5G 系統通過與TSN 網絡間協同交互，實現5G 系統作為TSN 邏輯網橋的配置和管理等功能，如圖4 所示：

圖4 IEEE 802.1Qcc TSN完全集中式網絡模型

5G系統通過5GC控制面網元SMF、PCF 及TSN AF 實現和CNC 之間進行協同交互，實現5GS 網橋信息上報，以及CNC 對5GS 網橋的配置。包括：UE/DS-TT和UPF/NW-TT 需要支持LLDP 協議進行鏈路發現，5G系統通過TSN AF 向CNC 上報5G 網絡的狀態信息，及接收CNC 對5G 系統的配置管理等。

可以看出5G TSN 基于以太網通過功能增強提供高可靠與確定有界低時延的流傳送服務，是面向未來工業互聯網、車輛內通信、智能電網等高可靠確定低時延應用的網絡技術之一。

2 5G LAN技術

隨著5G 時代的到來，行業客戶希望5G 網絡在提供大連接、高帶寬、低時延的同時，也能像自建的局域網那樣，自己實現對終端的靈活管理。例如行業客戶指定終端的IP 地址、要求終端只能與特定的終端通信、授權終端屬于特定群組并動態加入和刪除等。為了滿足行業客戶這一訴求，3GPP R16 定義了5G LAN 技術。

5G LAN 是利用5G 網絡提供局域網-虛擬網服務的技術，通過5G 系統提供私有移動通信業務，允許限定的終端組在一個5G LAN 虛擬網絡內進行基于Ethernet 或IP 的點對點通信。利用5G 網絡為企業、港口或工廠園區等場景提供類似VPN 的服務。企業專網可以支持不同終端之間的互通，支持VLAN，終端通過DNN 或S-NSSAI 來關聯一個5G VN 群。

在同一個5G LAN 內的終端之間可以互相通信時，如果兩個終端接入至同一個UPF，可以由UPF 直接實現本地轉發，可以無需連接外部的DN 網絡；如果兩個終端接入至不同的UPF 時，則可以由UPF 之間的R19 接口轉發。5G LAN 組網架構如圖5 所示。

3 基于5G TSN+5G LAN的電網差動保護方案

基于5G TSN 網橋的配電差動保護方案如圖6 所示，整個5G 網絡作為TSN 網橋連接電網中的配電保護終端DTU。使用5G 無線網絡替代有線LAN 連接，完成與TSN 網絡的組網以及互聯互通。

但是在目前的3GPP R16 標準中，受限于現有5G TSN 架構，2 個DTU 之間的TSN 業務流不支持在一個UPF 內或2 個UPF 間互相轉發，即UPF 必須外接TSN網絡。這樣無疑會增加網絡的的復雜度和建設維護成本，并且還因為外接的TSN 網絡，額外增加了兩個DTU 之間的時延、降低了傳輸可靠性，對電網差動保護的低時延高可靠要求有一定的影響。

為了解決這個問題，可以考慮將5G LAN 和5G TSN技術相結合。如圖7 所示，電網中的DTU 為5G 終端，相鄰配電站之間的DTU 可以采用5G LAN 方式組成一個LAN 分組，通過5G 網絡提供的LAN service 功能完成點到點或者點到多點的通訊，進一步降低通信時延。

在同一個LAN 分組的DTU 相互發送的數據，可在5GC 網元UPF 內進行直接轉發，不需要經過UPF 外接的TSN 網絡。當一個分組內的不同DTU 接入至多個UPF時，這些UPF 之間將構建直連隧道，DTU 之間的數據可以直接經由UPF 間的隧道直接互轉。這樣的設計使得5G UPF 具備了類似路由器一樣的直接轉發功能，縮短了數據轉發路徑，降低通信時延，提升了傳輸可靠性。

為了實現5G TSN 和5G LAN 的結合，需要5G 網絡解決如下2 個關鍵問題：

圖5 3GPP R16定義的5G LAN架構

圖6 基于5G TSN網橋的電網差動保護方案架構

圖7 基于5G TSN+5G LAN的增強方案架構

（1）UE 間通信的確定性數據轉發

當前3GPP R16 中僅定義了UE/DS-TT 和UPF/NW-TT之間的確定性轉發，即僅支持UE 和TSN 網絡間的確定性通信，不支持2 個UE/DS-TT 直接在5G 系統內直接轉發的確定性通信。在5G LAN 場景中，需要在UE/DS-TT 之間提供端到端的確定性轉發，有以下兩種解決思路。

方案1：把UE1-5G-UE2 整體看做為1 個TSN 邏輯網橋，即UE1/DS-TT 和UE2/DS-TT 分別為TSN 網橋的2 個端口，由UE/DS-TT 基于802.1Qbv 實現確定性轉發。

方案2：把UE1-5G-UE2 分解當做為2 個TSN 網橋，即從UE1 經由RAN 到UPF 作為網橋1，將從UPF 經由RAN 到UE2 作為網橋2。此時需要UPF 基于802.1Qbv 來實現實現UPF 內或UPF 間的UE 數據確定性轉發。

（2）將5G GM 作為TSN GM

在該差動保護場景中，UPF 沒有外接TSN 時鐘源，并且UE/DS-TT 也沒有連接TSN 時鐘源，因此需要把5G 時鐘作為TSN 時鐘。此時可以采用如下兩種方式之一來實現。

方案1：由UPF/NW-TT 承擔TSN 時鐘源功能，基于802.1AS 協議向UE/DS-TT 和連接UE/DS-TT 的TSN系統進行時間同步。

方案2：由UE/DS-TT 承擔TSN 時鐘源功能，主動將從RAN 獲取的5G 時鐘作為TSN 時鐘，向連接UE/DS-TT 的TSN 系統進行時間同步。

4 結束語

將5G 專網技術引入智能電網及工業控制等垂直行業的應用研究目前還處于起步階段，還存一些問題有待解決，例如產業鏈不成熟，缺少支持的終端，5G 網絡需要做相應的改造等，因此3GPP 也在持續進行深入研究，在R17 中會給出更加完善的解決方案，例如：實現5G 核心網的架構增強支持TSN 控制器的功能；實現5G 核心網內的確定性傳輸調度機制，而不依賴于外部TSN 網絡；通過UPF增強實現終端間的確定性傳輸；實現可靠性保障增強；實現工業以太網協議對接；支持多時鐘源技術等，以滿足配電差動保護場景下的通信需求。

基于5G TSN+5G LAN 的配網差動保護解決方案，在滿足電力行業高安全高隔離的前提下，能夠提供更加高效靈活的接入方案，相比傳統光纖專線方式可有效節省部署成本，有助于提高智能電網的繼電保護水平。