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

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，數(shù)字化成為推動分布式發(fā)電發(fā)展的主要驅(qū)動力。電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)特性對傳輸網(wǎng)絡(luò)有低時延要求，而5G網(wǎng)絡(luò)切片以其隔離性為電力通信場景的實現(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，對網(wǎng)絡(luò)購買進(jìn)行仿真研究，分析電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)時延特性和業(yè)務(wù)端到端時延的概率密度，證明了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以降低業(yè)務(wù)傳輸時延，但不能達(dá)到所有業(yè)務(wù)時延要求。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)切片;時延;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，在超低時延方面對切片技術(shù)具有強(qiáng)烈剛需，公共硬件基礎(chǔ)實施上劃分虛擬電力網(wǎng)絡(luò)切片，能夠更好地應(yīng)對電網(wǎng)潛在應(yīng)用場景，但缺乏對其傳輸業(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)需要動態(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別等局部信息，提高底層網(wǎng)絡(luò)寬帶資源利用率。通過將復(fù)雜實際泛在電力物聯(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)切片包括無線接入網(wǎng)功能實體和核心網(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功能實體組成，可以共享部分功能實體，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，它包括SST與SD，SST長度為8?bit，SD長度為24?bit，3GPP定義3種標(biāo)準(zhǔn)SST值。5G網(wǎng)絡(luò)切片創(chuàng)立后生成實例，包括核心網(wǎng)控制面與用戶面，不同用戶群可設(shè)置多個特性相同的網(wǎng)絡(luò)切片。不同網(wǎng)絡(luò)切片中PDU會話可使用相同DDN。終端在注冊連接和建立中，通過和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)切片的實例。

移動邊緣計算把電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，在移動網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加計算和數(shù)據(jù)處理等功能，通過無線應(yīng)用程序編程接口開放移動網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)服務(wù)器進(jìn)行信息交互，將傳統(tǒng)無線基站升級為智能化基站。MEC可實時獲取移動網(wǎng)絡(luò)信息并提供精準(zhǔn)位置服務(wù)。控制類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性提出了嚴(yán)格要求，無線網(wǎng)絡(luò)中的時延包括排隊等時延。電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對可靠性要求較高，針對網(wǎng)絡(luò)通信各部分時延，需在明確時延來源后進(jìn)行優(yōu)化。電力物聯(lián)網(wǎng)具有支持超低時延業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，通過引入低時延切片等技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計和接入側(cè)無線幀結(jié)構(gòu)定制化設(shè)計。

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

目前電力無線網(wǎng)承載電網(wǎng)控制和視頻帶寬類電力業(yè)務(wù)，包括配電自動化、分布式電源以及視頻監(jiān)控等。當(dāng)前各類電力業(yè)務(wù)最低時延要求為10ms級。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)、引入實時化的新型作業(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，時延需求為毫秒級，對電力無線網(wǎng)業(yè)務(wù)承載能力提出了更高的要求。

綜合考慮各類電力業(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類型，針對差動保護(hù)、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配網(wǎng)裝糊涂檢測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)切片軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架實現(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)端到端時延計算模型

5G網(wǎng)絡(luò)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)等虛擬化技術(shù)，形成針對行業(yè)租戶的切片業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。電力行業(yè)存在多種業(yè)務(wù)場景需依靠傳統(tǒng)公共接入方式，無法為電網(wǎng)運(yùn)營模式提供技術(shù)保障。電力無線專網(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)最低時延要求為10ms級，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)需要實現(xiàn)各類負(fù)荷精準(zhǔn)控制，以適應(yīng)新型電網(wǎng)模式，實現(xiàn)用戶雙向互動，開展基于互聯(lián)網(wǎng)+新型業(yè)務(wù)模式。

光纖配網(wǎng)差動保護(hù)采用保護(hù)專用光纜，基于5G網(wǎng)絡(luò)低時延技術(shù)提出差動保護(hù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用滿足端到端通信10ms時延要求。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)度自動化和可視化監(jiān)控管理等。智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)包括電動汽車充電樁等。一些對時延敏感的業(yè)務(wù)的時延需在十幾毫秒內(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)端到端時延，說明是否適用網(wǎng)絡(luò)切片傳輸[1]。

電力系統(tǒng)中業(yè)務(wù)端到端時延分為傳播、排隊時延與固有時延。固有時延T1包括發(fā)送端設(shè)備對數(shù)據(jù)打包產(chǎn)生時延d1，傳輸經(jīng)基站點固有時延d3。固有時延數(shù)值較小，發(fā)動端到接收端經(jīng)基站節(jié)點個數(shù)為h，可以表示為T1=d1+d2+h·d3。傳播時延是數(shù)據(jù)信號在傳輸介質(zhì)中的時間，光信號在光纖中傳播的速度為光速的2/3。

電網(wǎng)通過租用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個宏基站，最長5km直線距離需經(jīng)10個宏基站。業(yè)務(wù)傳輸最大傳播時延T2為25μs，端到端時延受排隊時延影響最大。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、用戶以及基礎(chǔ)設(shè)施提供商。InP通過編程接口向租戶提供網(wǎng)絡(luò)資源，對用戶進(jìn)行管理和分配資源[2]。