5G網(wǎng)絡(luò)切片在電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載中的時(shí)延性分析

闞拓

摘?要：當(dāng)前去中心化浪潮席卷全球，人們生活方式發(fā)生了巨大變革，分布式能源技術(shù)的應(yīng)用使電力系統(tǒng)向著去中心化發(fā)展。由于新型分布式發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，電力輸送網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期長(zhǎng)，數(shù)字化成為推動(dòng)分布式發(fā)電發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)特性對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)有低時(shí)延要求，而5G網(wǎng)絡(luò)切片以其隔離性為電力通信場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)提供了可能。基于此，分析主要電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)指標(biāo)要求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)買(mǎi)進(jìn)行仿真研究，分析電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)時(shí)延特性和業(yè)務(wù)端到端時(shí)延的概率密度，證明了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延，但不能達(dá)到所有業(yè)務(wù)時(shí)延要求。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)切片;時(shí)延;電力通信;5G

5G網(wǎng)絡(luò)切片最早由NGMN引入新概念，網(wǎng)絡(luò)切片利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，將物理網(wǎng)絡(luò)分割為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)使其具有可編程性。通過(guò)SDN集中控制將數(shù)據(jù)與控制平面解耦合，使路由配置靈活，實(shí)現(xiàn)共享基礎(chǔ)設(shè)施資源。智能電網(wǎng)系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定特點(diǎn)，在超低時(shí)延方面對(duì)切片技術(shù)具有強(qiáng)烈剛需，公共硬件基礎(chǔ)實(shí)施上劃分虛擬電力網(wǎng)絡(luò)切片，能夠更好地應(yīng)對(duì)電網(wǎng)潛在應(yīng)用場(chǎng)景，但缺乏對(duì)其傳輸業(yè)務(wù)性能的研究。

1?5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是構(gòu)建隔離的多重異構(gòu)虛擬網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)需要?jiǎng)討B(tài)自適應(yīng)虛擬網(wǎng)絡(luò)映射，根據(jù)承載虛擬鏈路擁塞級(jí)別等局部信息，提高底層網(wǎng)絡(luò)寬帶資源利用率。通過(guò)將復(fù)雜實(shí)際泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)映射成虛擬網(wǎng)絡(luò)。目前IP領(lǐng)域IETF考慮更新MPLS/SDN等技術(shù)規(guī)范以支持網(wǎng)絡(luò)切片。

5G網(wǎng)絡(luò)切片包括無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)功能實(shí)體和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)切片涉及終端、應(yīng)用服務(wù)器以及管理系統(tǒng)。5G網(wǎng)絡(luò)切片由RAN與CN功能實(shí)體組成，可以共享部分功能實(shí)體，基于功能劃分，例如MMTC和uRLLC應(yīng)用設(shè)置了不同的網(wǎng)絡(luò)切片。5G網(wǎng)絡(luò)切片用S-NSSAI進(jìn)行標(biāo)識(shí)，它包括SST與SD，SST長(zhǎng)度為8?bit，SD長(zhǎng)度為24?bit，3GPP定義3種標(biāo)準(zhǔn)SST值。5G網(wǎng)絡(luò)切片創(chuàng)立后生成實(shí)例，包括核心網(wǎng)控制面與用戶(hù)面，不同用戶(hù)群可設(shè)置多個(gè)特性相同的網(wǎng)絡(luò)切片。不同網(wǎng)絡(luò)切片中PDU會(huì)話(huà)可使用相同DDN。終端在注冊(cè)連接和建立中，通過(guò)和AMF、UDM交互，根據(jù)簽約切片信息和網(wǎng)絡(luò)配置切片信息選擇提供服務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)例。

移動(dòng)邊緣計(jì)算把電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加計(jì)算和數(shù)據(jù)處理等功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用程序編程接口開(kāi)放移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)服務(wù)器進(jìn)行信息交互，將傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)基站升級(jí)為智能化基站。MEC可實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息并提供精準(zhǔn)位置服務(wù)。控制類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性提出了嚴(yán)格要求，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延包括排隊(duì)等時(shí)延。電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)可靠性要求較高，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信各部分時(shí)延，需在明確時(shí)延來(lái)源后進(jìn)行優(yōu)化。電力物聯(lián)網(wǎng)具有支持超低時(shí)延業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)引入低時(shí)延切片等技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和接入側(cè)無(wú)線(xiàn)幀結(jié)構(gòu)定制化設(shè)計(jì)。

2?5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電力業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

目前電力無(wú)線(xiàn)網(wǎng)承載電網(wǎng)控制和視頻帶寬類(lèi)電力業(yè)務(wù)，包括配電自動(dòng)化、分布式電源以及視頻監(jiān)控等。當(dāng)前各類(lèi)電力業(yè)務(wù)最低時(shí)延要求為10ms級(jí)。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為適應(yīng)新型電網(wǎng)模式，泛在物聯(lián)成為電網(wǎng)基本形態(tài)，迫切需要建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)、引入實(shí)時(shí)化的新型作業(yè)方式以及基于互聯(lián)網(wǎng)+的新型創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式。未來(lái)電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)與寬帶業(yè)務(wù)大量并存，呈現(xiàn)高安全等特征，時(shí)延需求為毫秒級(jí)，對(duì)電力無(wú)線(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載能力提出了更高的要求。

綜合考慮各類(lèi)電力業(yè)務(wù)帶寬等維度需求，分析不同業(yè)務(wù)需求，將業(yè)務(wù)分為URLLC、eMBB以及mMTC類(lèi)型，針對(duì)差動(dòng)保護(hù)、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配網(wǎng)裝糊涂檢測(cè)以及智能巡檢等典型業(yè)務(wù)形成適配模型。基于5G網(wǎng)絡(luò)切片軟件定義無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架實(shí)現(xiàn)資源集中管理，包括地層物理基礎(chǔ)設(shè)施和中間層虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源。

3?電力系統(tǒng)端到端時(shí)延計(jì)算模型

5G網(wǎng)絡(luò)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)等虛擬化技術(shù)，形成針對(duì)行業(yè)租戶(hù)的切片業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。電力行業(yè)存在多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景需依靠傳統(tǒng)公共接入方式，無(wú)法為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式提供技術(shù)保障。電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)可接入電網(wǎng)業(yè)務(wù)包括用電信息采集和精準(zhǔn)負(fù)荷控制等。業(yè)務(wù)最低時(shí)延要求為10ms級(jí)，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)負(fù)荷精準(zhǔn)控制，以適應(yīng)新型電網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)雙向互動(dòng)，開(kāi)展基于互聯(lián)網(wǎng)+新型業(yè)務(wù)模式。

光纖配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)采用保護(hù)專(zhuān)用光纜，基于5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延技術(shù)提出差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用滿(mǎn)足端到端通信10ms時(shí)延要求。電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)分為生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)和智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)。生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)包括調(diào)度自動(dòng)化和可視化監(jiān)控管理等。智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)包括電動(dòng)汽車(chē)充電樁等。一些對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)的時(shí)延需在十幾毫秒內(nèi)，不同網(wǎng)絡(luò)切片存在物理隔離，業(yè)務(wù)傳輸故障不影響其他業(yè)務(wù)傳輸。本文研究電力業(yè)務(wù)端到端時(shí)延，說(shuō)明是否適用網(wǎng)絡(luò)切片傳輸[1]。

電力系統(tǒng)中業(yè)務(wù)端到端時(shí)延分為傳播、排隊(duì)時(shí)延與固有時(shí)延。固有時(shí)延T1包括發(fā)送端設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)打包產(chǎn)生時(shí)延d1，傳輸經(jīng)基站點(diǎn)固有時(shí)延d3。固有時(shí)延數(shù)值較小，發(fā)動(dòng)端到接收端經(jīng)基站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為h，可以表示為T(mén)1=d1+d2+h·d3。傳播時(shí)延是數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸介質(zhì)中的時(shí)間，光信號(hào)在光纖中傳播的速度為光速的2/3。

電網(wǎng)通過(guò)租用5G基站建立電力切片，利用5G超密集組網(wǎng)技術(shù)加密小區(qū)部署。通信運(yùn)營(yíng)商在宏基站覆蓋范圍內(nèi)，宏基站覆蓋半徑達(dá)1km，宏基站選址要結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛埠蜌庀笞匀粸?zāi)害等情況。電網(wǎng)傳輸業(yè)務(wù)最佳路徑不能與通信運(yùn)營(yíng)商基站規(guī)劃相同，10kV變電站電纜供電距離為2.5km，假定在供電區(qū)域建立4個(gè)宏基站，最長(zhǎng)5km直線(xiàn)距離需經(jīng)10個(gè)宏基站。業(yè)務(wù)傳輸最大傳播時(shí)延T2為25μs，端到端時(shí)延受排隊(duì)時(shí)延影響最大。為創(chuàng)建與底層物理網(wǎng)絡(luò)分離的隔離虛擬網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)框架分為租戶(hù)、用戶(hù)以及基礎(chǔ)設(shè)施提供商。InP通過(guò)編程接口向租戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行管理和分配資源[2]。