配電網5G通信的架構和時延可靠性研究

摘要：5G通信技術以其高速、低時延和大連接數等特點，成為提升配電網通信性能的關鍵技術。基于此，分析了配電網對通信技術的需求和傳統通信技術在配電網應用中的局限性，介紹了5G通信技術在配電網中的應用，提出一種適用于配電網的5G通信架構。重點研究5G通信在配電網中的時延可靠性問題，通過建立時延模型，分析影響時延的關鍵因素，提出相應的優化策略。實驗結果表明，通過優化5G通信架構和網絡參數，能夠顯著降低通信時延，提高配電網的實時響應能力和運行效率。

關鍵詞：配電網；5G通信；架構設計；時延可靠性；智能化

中圖分類號：TN915.853；TM73 文獻標識碼：A

0 引言

隨著智能電網技術的快速發展，配電網作為電力系統的重要組成部分，其通信需求日益增長，傳統通信技術在配電網實時監控、自動化控制、故障快速響應等方面存在一定的局限性。5G通信技術以其高速、低時延和大連接數等特點，為配電網現代化升級提供新的解決方案。在架構設計方面，5G網絡在配電網中的部署策略主要包括網絡切片、邊緣計算、多接入邊緣計算（multi-access edge computing，MEC）等技術的應用，這些技術根據配電網的不同業務需求，可提供定制化的通信服務，從而提高系統的靈活性。在時延可靠性研究方面，主要分析5G通信技術如何通過先進的調度和資源管理機制，實現低時延和高可靠性的數據傳輸；探討如何通過網絡自愈和故障恢復機制，確保在極端情況下配電網通信的連續性和穩定性?；诖?，本文旨在探討配電網中5G通信的架構設計及其時延可靠性問題，分析配電網對通信系統的需求，包括數據傳輸速率、時延要求、可靠性指標，以及如何通過5G網絡優化配電網的運行效率[1]。

1 配電網5G通信的基本架構

5G通信技術是第五代移動通信技術的簡稱，通過高頻段、大規模多進多出（multiple-in multiple-out，MIMO）、網絡切片、邊緣計算等技術，實現高數據傳輸速率、低延遲和大網絡容量等特性，這使得5G技術可以應用于配電網的實時監控。配電網5G通信的基本架構主要包括5G核心網、5G基站、配電網終端設備、邊緣計算節點和網絡安全系統。5G核心網作為5G網絡的大腦，具有用戶認證、會話管理、數據路由等功能，并且通過網絡切片技術，為配電網提供定制化的通信服務，滿足不同業務場景的需求。5G基站部署在配電網的關鍵節點，負責與配電網設備進行無線通信，利用大規模MIMO技術，擴大信號覆蓋范圍、提高數據傳輸效率。配電網終端設備包括智能電表、分布式能源設備、電動汽車充電樁等，這些設備通過5G網絡與配電網管理系統進行數據交換和控制指令的傳輸。邊緣計算節點負責在配電網的關鍵位置部署邊緣計算服務器，用于處理來自終端設備的實時數據，降低數據傳輸到中心服務器的時延，提高數據處理的實時性。網絡安全系統也是5G通信架構中不可或缺的部分，由于配電網涉及大量敏感數據和關鍵控制指令，因此需要利用加密、認證、入侵檢測等技術，加強通信的安全性。

2 配電網5G時延分析

2.1 配電網5G時延分配

在5G通信時，配電網以有線通信為核心，運行核心網和承載網，避免誤碼率超過預期標準，控制錯碼率為10-9，加強時延的穩定性。以5G承載網為例，工作人員規范了單設備時延指標，如表1所示。而5G空中接口（簡稱“空口”）作為影響誤碼性能、時延性能的主要因素，需要仿真分析5G空口時延性和可靠性[2]。

2.2 5G空口時延模型

2.2.1 5G空口時延組成

5G空口時延包括數據傳輸時延、處理和調度時延以及重傳時延。數據傳輸時延是指數據包從發送端介質訪問控制（media access control，MAC）層調度器發出，到接收端MAC層接收到數據包的時間，該時延主要受物理層傳輸速率和信道質量的影響。在5G網絡中，通過采用高頻譜效率和編碼調制技術，可以顯著降低數據傳輸時延。處理和調度時延包括發送端到接收端MAC層的處理時間，以及網絡中的調度決策時間。在5G網絡中，MAC層采用更高效的調度算法和快速反饋機制，有效降低處理時延，并且還采用靈活幀結構設計，支持更細粒度的資源分配，從而進一步降低時延。重傳時延是由于數據包在傳輸過程中出現丟失情況，需要重新發送數據包所產生的額外時延。5G網絡通過引入先進的前向糾錯技術和重傳機制，可以有效減少重傳時延。同時，5G快速混合自動重傳請求（hybrid automatic repeat request，HARQ）機制也能在檢測到錯誤后迅速進行數據包重傳，從而降低整體時延[3]。

2.2.2 TDD下行時延分析

在5G通信技術中，時分雙工（time division duplexing，TDD）模式下的下行時延是關鍵性能指標，尤其是在空口幀結構的設計中，需要分析在不同時隙選擇下行傳輸數據時，如何實現最短的單次傳輸時延。下行鏈路傳輸時延LDL計算公式：

LDL=LTx+LRxProc+LSch1+（N-1）LRTT。" " " " " " " " "（1）

式中，LTx為基站在物理下行共享信道發送數據的傳輸時延；LRxProc為用戶接收到數據后的處理時延；LSch1為用戶在物理上行控制信道回復HARQ反饋的調度時延；N為滿足可靠性要求的傳輸次數；LRTT為重傳時延。

在5G TDD模式下，時隙分為不同的類型，包括下行（D）時隙、上行（U）時隙、特殊（S）時隙，為了最小化單次傳輸的時延，選擇合適的時隙進行數據傳輸具有重要的意義。當D時隙時，屬于下行傳輸數據，時延最短，假設終端處理能力較強，需將典型值設置為2個時隙。在這種配置下，如果數據在S時隙或U時隙發送HARQ反饋，最小單次傳輸時延為1.5 ms。如果選擇三角形時隙傳輸下行數據，情況則出現變化，只有出現S時隙才能下發相關數據，再上傳HARQ反饋，這在無形之中增加了整體傳輸的時延。終端的處理時延是影響整體傳輸時延的重要因素，在上述分析中將終端的處理時延設置為2個時隙，這是一個典型值，但實際應用中需要根據終端的具體處理能力進行調整[4]。

2.2.3 TDD上行時延分析

上行鏈路傳輸即從用戶設備到基站的數據傳輸，是通信過程中的關鍵環節。上行傳輸包括兩種模式，分別為基于授權的傳輸和免授權的傳輸，這兩種模式在時延特性、資源管理和應用場景上各有特點?；谑跈嗟纳闲袀鬏斈Ｊ揭蕾囉诨痉峙涞膶Ｓ觅Y源塊進行數據傳輸。在這種模式下，用戶設備首先需要通過隨機接入信道（random access channel，RACH）請求上行資源，基站響應后分配特定的時頻資源。這種模式的優點是傳輸可靠性高，適用于對時延要求較低但對數據傳輸質量要求較高的場景，如語音通話、視頻流等。然而，基于授權的傳輸模式也存在時延問題，由于需要預先分配資源，引入額外的控制信令時延，如果系統負載較高，資源分配的等待時間也會增加，從而影響整體的上行傳輸時延。與基于授權的傳輸不同，免授權的傳輸模式允許用戶設備在沒有預先獲得基站授權的情況下發送數據。這種模式通常用于對時延要求極高的應用，如物聯網設備的數據上報，其可以快速響應，降低因資源分配導致的時延。盡管免授權的傳輸在時延上有優勢，但其可靠性較低，由于沒有預先的資源分配，可能會發生資源沖突，導致數據包丟失或重傳，進而影響整體的數據傳輸效率[5]。

3 結語

綜上，在配電網5G通信的架構和時延可靠性研究領域，本文深入探討了5G技術如何為配電網的現代化轉型提供支持，特別是在提高通信效率和降低時延方面。通過分析5G網絡的架構特點，發現其具有高帶寬、低時延和大連接數等特點，為配電網的實時監控、智能調度、故障快速響應提供堅實的技術基礎。未來，期待通過不斷探索，推動5G技術在配電網領域的廣泛應用，為構建智能電力系統貢獻力量。

參考文獻

[1] 楊靜，程克杰，郭亮，等. 配電網5G通信UDP封裝GOOSE/SV報文自動判斷測試的設計與實現[J]. 東北電力技術，2023，44（8）：19-23.

[2] 王海洋，王玉東，劉晗，等. 配電網5G通信架構及其時延可靠性研究[J]. 電信科學，2024，40（3）：162-173.

[3] 張運馳. 有源配電網5G通信分布式故障自愈技術[D].濟南：山東大學，2023.

[4] 朱衛衛，朱清，高文森，等. 基于5G通信時延的配電網饋線自動化切換方法[J]. 綜合智慧能源，2024，46（5）：1-11.

[5] 王淅蓉，曾聰. 基于5G通信的智能配電網設備實時故障診斷系統設計與實現[J]. 通信電源技術，2024，41（11）：1-3.