5G技術架構及電力應用關鍵技術概述

2021-02-25 09:17:46鄭燕濱

通信電源技術 2021年17期

鄭燕濱

（中通服建設有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

5G技術的整體系統結構相對復雜，在未來快速發展過程中其應用場景、頻段及相關技術也將會得到持續拓展，這些均為5G技術帶來新的挑戰。以電力領域為例，電力系統引入5G技術后將會面臨著云網融合、IT架構變化以及云邊協同等一系列統合挑戰問題，但同時5G技術的引入又可以一定程度上解決傳統組網中存在的融合性、安全性較差等問題[1]。基于此，本文將對5G技術架構及電力應用關鍵技術進行分析，以推動5G技術在電力領域的融合應用。

1 5G技術架構分析

1.1 5G技術體系架構

現階段，5G技術體系主要由網絡架構、無線接入網、場景與需求、承載網、核心網以及網絡安全6部分組成，具體情況如圖1所示[2]。

圖1 5G技術體系架構

1.2 5G技術關鍵技術

1.2.1 網絡架構

5G技術中引入了軟件定義網絡、網絡功能虛擬化等，相關技術促使5G技術網絡形態發展成為“通用服務器+軟件部署”[3]。結合實際情況來看，此種網絡形態促使5G技術可以通過統一能力開發平臺為各行業提供相應的功能服務，如網絡切片定制、運營監控等。各行業在應用5G技術時可以實現業務管理、認證和授權管理、連接管理以及設備管理等一系列網絡管理功能，提升通信服務可控性[4]。此外，5G技術還可以保障通信服務的安全性，在應用過程中通過5G網絡切片為各行業提供虛擬無線網絡，并以此來實現高強度網絡隔離與資源分配定制化。

1.2.2 無線接入網

5G技術中引入了新型多址、Massive MIMO以及新型多載波技術等，具有更靈活的幀結構、更高的頻譜效率以及更簡化的信令流程。其中，新型多址技術不僅可以有效提高5G技術的用戶同時連接數量，而且還可以有效提高5G技術的實際頻譜效率；新型多載波技術的應用促使5G技術除了可以實現傳統的正交頻分復用外，還可以支持基于濾波的正交頻分復用，有效提高頻譜使用效率；Massive MIMO技術的應用促使5G技術可以實現多個發射天線或接收天線同時實現信號發射或接收，并在不增加頻率的情況下有效提高系統的整體信道容量[5]。在編碼調制方面，5G技術采用多元低密度奇偶校驗碼、卷積碼以及極化碼等一系類新型調制編碼，有效提高鏈路頻譜效率的同時，也進一步提高了系統實際容量。在雙工技術方面，5G技術既支持傳統的頻分雙工和時分雙工，也支持新型全雙工、靈活雙工等。在靈活幀結構方面，5G技術可以根據不同的使用場景和頻段來靈活調整應用過程中的帶寬、上下行以及子載波[6]。

1.2.3 場景與需求

為滿足萬物互聯的實際需求，國際電信聯盟對增強移動寬度、大規模機器類通信以及超高可靠低時延通信等典型應用場景進行合理定義[7]。此外，3GPP（第三代合作伙伴計劃）對密集城區、高鐵以及室內熱點等12類部署場景進行合理定義。我國5G技術不僅沿用了上述應用場景和部署場景，又在ITU應用場景的基礎上拓展出了連續廣域覆蓋和熱點高容量2個應用場景，將3GPP定義的12類部署場景融合成為密集住宅區、廣域覆蓋、高鐵以及辦公室等8類部署場景，并確立了用戶體驗數量、用戶時延、連接密度以及通信可靠性等通信技術指標。

1.2.4 承載網

5G技術的應用對承載網的網絡架構、時鐘同步、帶寬以及時延等方面均提出了更高的要求，現階段我國所采用的主流承載網中集成了切片分組網、IP無線接入網以及面向移動承載優化的光傳送網等先進技術[8]。其中，切片分組網以高效以太網為核心，通過多層網絡技術融合來實現多層業務承載能力。IP無線接入網以IP/MPLS技術為基礎，以分組化路由器為組網，具備低時延、低成本、高可靠、大帶寬以及全業務等特點。在承載網中集成IP無線接入網后，可以通過圖形化網上管理模式來有效簡化具體承載網業務部署，進而降低組網運維成本。面向移動承載優化的光傳送網以OTN技術為基礎，引入線路接口技術，可以實現單級復用，具有更為靈活的時隙結構與更加精簡的開銷支持。在集成面向移動承載優化的光傳送網后，可以促使傳統的靜態路由器向集中動態路由器方向發展，為承載網提供低時延、低功耗以及低成本的移動承載方案[9]。

1.2.5 核心網

5G技術的核心網不僅可以實現用戶面、網絡功能庫、策略控制與計費以及會話管理等多元化網絡功能，而且還可以提供5G空口承載語言和4G網絡的兩種語言機制。具體核心網絡云化部署中可以構建彈性網絡，促使核心網轉發功能下沉到用戶面附近，進一步降低用戶服務時延，提高企業數據的安全性。

1.2.6 網絡安全

5G技術引入了多樣化的場景與技術手段，除了需要保障基本通信安全以外，還需要根據不同的場景提供不同的安全服務。同時，由于5G技術中引入了SDN技術和NFV技術，因此在網絡資源配置過程中對于傳統通信硬件平臺的依賴性較低，但同時也產生網元隔離、虛擬化管理層等方面的安全需求[10]。基于此，在應用過程中5G技術必須要保障網絡切片安全，以此來為其他方面的安全保障提供重要支撐。

2 5G電力應用關鍵技術

在電力無線網絡中，5G技術的應用主要體現在網絡切片、邊緣計算、時間同步以及安全隔離4個方面。

2.1 網絡切片

網絡切片可以實現5G公網網絡資源共享和同一設施的多樣化業務承載功能，是5G在電力無線網絡應用中最關鍵的技術之一。在應用過程中，網絡切片的端到端服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）保證系統可以有效采集和分析各域網絡性能指標，并根據分析結構對各域網絡進行實時處理分析。此外，網絡切片技術還廣泛應用于電力無線專網和無線公網中。在無線專網中，網絡切片技術可以根據不同的業務類型來構建不同的邏輯隔離數據管道，實現質量差異化數據傳輸控制；在無線公網中，網絡切片技術可以根據不同的業務類型實現相應的軟硬件隔離[11]。

2.2 邊緣計算

現階段，部分電力控制業務對于時延有著較為嚴格的要求，通常會將計算機資源部署在靠近用戶側網絡的位置。邊緣計算可以在應用過程中快速響應用戶請求，在不影響網絡層、核心網絡業務數據處理的情況下有效降低電力業務時延，并且配合業務分類共同應用后可以將各類電力控制業務實現邊緣化處理，進而提高資源利用率，保障服務效果。

2.3 時間同步

電力控制業務對于時間同步精度也有著極高的要求，但由于電力系統復雜的環境特征，采用傳統時間同步技術的成本較高。在電力系統中應用5G技術時，其時間同步主要可以分為基本同步、站間協調增強同步以及高精度同步。其中，基本同步的實際同步進度與4G技術的同步進度保持一致；站間協調增強同步可以協調不同站點之間的時間信號，確保站間服務的時間同步效果；高精度同步功能中包括基站定位服務，將定位精度與時間同步精度相關聯，通過“衛星+地面”同步模式為電力系統提供更高精度的時間同步支持。