電力5G低時延技術(shù)在電力系統(tǒng)中研究與應(yīng)用

丁 哲，于 佳

（1.國網(wǎng)連云港供電公司，江蘇 連云港 222000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

5G 是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，實現(xiàn)了由個人移動應(yīng)用向行業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，5G 的最大價值在于驅(qū)動各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。5G 的增強(qiáng)移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、高可靠低時延連接（ultra reliable low latency communications，uRLLC）和海量物聯(lián)（massive machine type communication，mMTC）三大典型應(yīng)用場景和電力業(yè)務(wù)接入需求高度契合，能夠滿足電力的業(yè)務(wù)需求和場景需求［1-3］。

國家電網(wǎng)有限公司提出加強(qiáng)5G 的場景應(yīng)用模式。但是目前5G 行業(yè)應(yīng)用模式還在探索階段，為此，電力公司、運(yùn)營商以及設(shè)備商開展了一些研究工作［4-8］，但相關(guān)研究工作沒有體系化，缺少具體可行的技術(shù)方案。因此，5G 網(wǎng)絡(luò)在電力行業(yè)應(yīng)用還有許多技術(shù)問題迫切需要解決［9-12］。

針對上述問題，開展5G 低延時、低抖動技術(shù)和5G 承載調(diào)控業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研究，形成5G 承載電力控制業(yè)務(wù)的核心技術(shù)。另外，5G 在電力行業(yè)應(yīng)用，將有力支撐“新能源、新業(yè)務(wù)”大規(guī)模接入、“電網(wǎng)控制”向末端拓展，以及“信息數(shù)據(jù)”爆發(fā)式增長，激發(fā)電力新的業(yè)務(wù)場景需求，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展［13-16］。

1 電力5G終端低時延抖動支撐技術(shù)

1.1 電力切片需求分析

智能電網(wǎng)uRLLC 場景下差動保護(hù)指標(biāo)：帶寬要求大于2 Mbit/s，通信端到端延時小于12 ms（單向），時延抖動在±50 μs，終端間信息交互時必須攜帶高精度時間戳，時間同步精度10 μs，可靠性99.999%［17］。

智能電網(wǎng)uRLLC 場景下精準(zhǔn)負(fù)荷控制指標(biāo)：精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)要求秒級和分鐘級系統(tǒng)單個終端至主站間約48.1 kbit/s～1.13 Mbit/s 的帶寬，通信端到端延時小于50 ms（單向），可靠性99.999%［18］。

uRLLC 場景的業(yè)務(wù)對時延要求較為嚴(yán)格，要求端到端時延低于50 ms，對通信可靠性要求不低于99.999%、端到端硬切片、獨(dú)享切片網(wǎng)絡(luò)資源，要求和管理大區(qū)業(yè)務(wù)完全隔離，資源獨(dú)享，物理隔離或準(zhǔn)專網(wǎng)的水平。業(yè)務(wù)終端到業(yè)務(wù)終端（不經(jīng)過主站，需要邊緣計算）永久在線，高頻通信，可采用客戶前置設(shè)備（customer premise equipment，CPE）對接，要求具有靈活通信接口。

1.2 端到端時延分析

當(dāng)前通信系統(tǒng)的總單向傳輸時間可以表示為

式中：TRadio為基站與終端之間的傳輸時間，受到基站終端和環(huán)境的影響；TBackhaul為在基站和核心網(wǎng)絡(luò)之間建立連接的時間，核心網(wǎng)通過光纖、微波或者銅線與基站連接，光纖的延時大于微波的延時；TCore為核心網(wǎng)絡(luò)的處理時間；TTransport為核心網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)/云之間數(shù)據(jù)通信的延遲。TRadio由傳輸時間、基站和終端的處理時間和傳輸?shù)臅r延組成?；镜难訒r主要由干擾、信道編碼、信道調(diào)制等因素構(gòu)成。終端的上行鏈路會受到信道編碼、碼塊分段、信道交織器等因素的影響。傳播時延主要受障礙物和傳輸距離的影響。

TRadio為傳輸時間、傳播延遲、處理時間（首次信道估計、編碼和解碼時間）和重傳時間（由于丟包）的總和。對于特定用戶TRadio可以表示為

式中：tQ為排隊延遲；tFA為由幀對齊引起的延遲，取決于幀結(jié)構(gòu)和雙工模式（即頻分雙工和時分雙工）；ttx為傳輸處理的時間，有效載荷傳輸根據(jù)無線電信道條件；tbsp為基站的處理延遲；tmpt為用戶終端的處理延遲?；竞陀脩艚K端延遲都分別取決于基站和用戶終端的能力。

5G R16 技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和操作技術(shù)深度融合的基礎(chǔ)技術(shù)，對5G 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。5G R16 將實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)時延小于10 ms，以服務(wù)時間敏感型應(yīng)用。在整網(wǎng)時鐘同步的基礎(chǔ)上，為了減小數(shù)據(jù)包的傳輸抖動，終端訪問網(wǎng)絡(luò)（terminal access network，TAN）交換機(jī)支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)時延。時延定義范圍（10 ms＜TDelay＜1 s）、刻度1 ms、抖動小于1 ms。

1.3 改善端到端系統(tǒng)時延的方法

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的規(guī)定［19］，對于低延遲通信，T不應(yīng)超過0.5 ms。無線電傳輸時間T應(yīng)設(shè)計為百微秒量級。為此，5G 對無線電接入網(wǎng)（radio access network，RAN）的各個領(lǐng)域進(jìn)行增強(qiáng)，例如數(shù)據(jù)包/幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制和編碼方案、新的波形設(shè)計、傳輸技術(shù)和符號檢測［11］。

為減少TBackhaul的延遲，可以采用回程技術(shù)、緩存網(wǎng)絡(luò)等方法。

對于TCore來說，采用由軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization，NFV）組成的核心網(wǎng)絡(luò)以及各種智能方法可以顯著降低其延遲。

對于TTransport來說，啟用邊緣計算、云緩存等方法可減少其延遲。

解決方案分為三大類：RAN 解決方案［20］，核心網(wǎng)絡(luò)解決方案，緩存解決方案。RAN 解決方案包括新的或修改的幀或數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、波形設(shè)計、多址技術(shù)、調(diào)制和編碼方案、傳輸方案、控制信道增強(qiáng)、低延遲符號檢測、毫米波聚合、云RAN、增強(qiáng)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QOS）和通信領(lǐng)域體驗質(zhì)量（quality of experience，QOE）、能量感知延遲最小化和位置感知通信技術(shù)。針對核心網(wǎng)絡(luò)提出了新的實體，如SDN、NFV、移動邊緣計算技術(shù)（mobile edge computing，MEC）和霧網(wǎng)絡(luò)以及基于回程的新解決方案?；爻探鉀Q方案可以分為通用和毫米波回程。在以下部分中，將更詳細(xì)地描述這些解決方案。

TAN 交換機(jī)支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（5G/WiFi6/有線等）的并行通信，旨在幫助關(guān)鍵業(yè)務(wù)實現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換，同時提高了端到端設(shè)備之間的通信可靠性［21］。通信過程為由地面的TAN 控制器將收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)制操作，復(fù)制出的副本數(shù)據(jù)包同時被不同的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，最終由接收側(cè)的TAN 交換機(jī)對收到的所有副本進(jìn)行仲裁并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給目的設(shè)備。

TAN 網(wǎng)絡(luò)可以幫助工業(yè)5G 網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)可靠性，關(guān)鍵業(yè)務(wù)端到端的通信時延降低超過10%、丟包率降低超過50%。地面控制中心（主站）和移動端（從站）之間的控制數(shù)據(jù)同時用5G 網(wǎng)絡(luò)的兩條不同鏈路承載。TAN 交換機(jī)和控制器的雙發(fā)選優(yōu)功能實現(xiàn)了5G 網(wǎng)絡(luò)的無縫冗余且極大降低了通信丟包率。

2 支持高精度授時的電力5G低時延終端

2.1 TAN雙路徑傳輸技術(shù)

TAN 雙路徑傳輸技術(shù)（雙發(fā)選優(yōu)）是基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)，通過對二層“數(shù)據(jù)幀”的特殊標(biāo)識實現(xiàn)在傳輸過程中對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行復(fù)制和刪除操作，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)冗余性，如圖1 所示。數(shù)據(jù)鏈路層的雙發(fā)選優(yōu)技術(shù)有更高的傳輸效率、更安全的傳輸過程和良好的設(shè)備兼容性。

圖1 5G低時延雙發(fā)選收原理Fig.1 The principle of double-emission and selective-receiving with 5G low latency

工業(yè)網(wǎng)關(guān)主要由TAN 終端交換板和兩個5G 模組構(gòu)成，TAN 交換板可以將收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行復(fù)制操作，復(fù)制后的兩份相同數(shù)據(jù)幀分別由兩個5G 模組通過空口上傳至核心網(wǎng)。核心網(wǎng)再將完全相同的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至TAN 確定性控制器，由控制器對冗余數(shù)據(jù)幀進(jìn)行仲裁后，只保留、轉(zhuǎn)發(fā)其中的一份數(shù)據(jù)幀。被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀會再經(jīng)過控制器的復(fù)制，復(fù)制后的兩份數(shù)據(jù)幀會轉(zhuǎn)發(fā)到目的工業(yè)網(wǎng)關(guān)的兩個5G 模組，再由交換板進(jìn)行仲裁后，只轉(zhuǎn)發(fā)一份數(shù)據(jù)幀給目的業(yè)務(wù)設(shè)備。

TAN 無線雙路徑傳輸使兩臺5G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)之間通信實現(xiàn)了數(shù)據(jù)冗余，即使在傳輸過程中一個5G 模組出現(xiàn)故障或某一條空口鏈路不穩(wěn)定，也不會影響另外一路的正常通信，即實現(xiàn)了雙路徑零自愈無線網(wǎng)絡(luò)。

無線雙路方案能夠解決無線通信的頑疾問題：環(huán)境干擾通信，造成數(shù)據(jù)丟失。雙路徑的核心是雙份數(shù)據(jù)，在目的地會進(jìn)行相互補(bǔ)充，一個方向的數(shù)據(jù)被干擾，另一個方向能夠進(jìn)行補(bǔ)充，降低丟包率。雙路徑方案，軌道前后的兩個無線訪問節(jié)點(diǎn)同時工作，不存在切換動作，因此，不會產(chǎn)生由于無線訪問節(jié)點(diǎn)切換造成的數(shù)據(jù)丟失。

2.2 終端軟硬件設(shè)計

時間同步裝置主要由接收單元、時鐘單元和輸出單元三部分組成，如圖2 所示［12］。

圖2 時間同步模塊Fig.2 Time synchronization module

終端分為多模組底板和時間敏感功能板兩個部分進(jìn)行研發(fā)，如圖3 所示。多模組底板負(fù)責(zé)多路遠(yuǎn)程傳輸、高精度授時和系統(tǒng)網(wǎng)管的功能，包括兩個5G 模組、一個無線局域網(wǎng)鑒別與保密基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（wlan authentication and privacy infrastructure，WAPI）模組和一個高精度授時功能塊。時間敏感功能板負(fù)責(zé)多發(fā)選收、時延穩(wěn)定的功能，包括4 個廣域網(wǎng)（wide area network，WAN）口（3 發(fā)選收+1 擴(kuò)展）、4 個本地局域網(wǎng)（local area network，LAN）口以及算法功能塊。

圖3 5G終端底板架構(gòu)Fig.3 Architecture of the 5G terminal bottom board

5G 終端研發(fā)的工作量主要包括硬件研發(fā)、軟件研發(fā)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計等。硬件研發(fā)主要包括：原理圖設(shè)計、印制電路板（printed circuit board，PCB）設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計（加密模塊驅(qū)動、5G 模塊驅(qū)動等），如圖4 所示。軟件研發(fā)主要包括：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信、安全加密、本地網(wǎng)管開發(fā)等部分。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計主要包括：高低溫、濕熱、電磁影響等方面的設(shè)計［13］。

圖4 5G終端硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of 5G terminal

5G 無線終端的軟件系統(tǒng)根據(jù)電力業(yè)務(wù)特點(diǎn)可分為底層軟件和應(yīng)用軟件兩大部分，如圖5 所示。信息由安全加密模塊加密后進(jìn)行發(fā)送，將相關(guān)報警、日志、QOS 等數(shù)據(jù)通信網(wǎng)管模塊處理。GUI 是圖形用戶界面（graphical user interface，GUI），LTE 是通用移動通信技術(shù)的長期演進(jìn)（long term evolution，LTE），SPI 是串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）。

圖5 5G終端軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of 5G terminal

3 電力5G低時延的終端測試

3.1 測試組網(wǎng)架構(gòu)

穩(wěn)定保護(hù)業(yè)務(wù)的測試架構(gòu)如圖6 所示，TAN 交換板可以將收到的電力數(shù)據(jù)幀進(jìn)行復(fù)制操作，復(fù)制后的兩份數(shù)據(jù)幀分別由兩個5G 模組通過空口上傳至核心網(wǎng)。核心網(wǎng)再將完全相同的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至TAN 確定性控制器，由控制器對冗余數(shù)據(jù)幀進(jìn)行仲裁后只保留轉(zhuǎn)發(fā)其中的一份數(shù)據(jù)幀。再由交換板進(jìn)行仲裁后只轉(zhuǎn)發(fā)一份數(shù)據(jù)幀給目的電力業(yè)務(wù)設(shè)備。

圖6 穩(wěn)定保護(hù)業(yè)務(wù)測試組網(wǎng)架構(gòu)Fig.6 Network architecture of stable protection service test

1）丟包率和時延。

工業(yè)網(wǎng)關(guān)支持5G 無線網(wǎng)絡(luò)雙路徑傳輸，可以在兩臺網(wǎng)關(guān)之間建立兩條相互獨(dú)立的空口鏈路，通過數(shù)據(jù)幀的復(fù)制和刪除（雙發(fā)選優(yōu)）技術(shù)，極大降低端到端的通信丟包率。

假設(shè)相互獨(dú)立的兩條鏈路的丟包率分別為1%，那么不考慮其他因素影響的前提下，雙路徑傳輸丟包率的理論計算值P=1%×1%=0.01%。

相互獨(dú)立的兩條鏈路的傳輸時延互不影響，TAN 交換板和控制器總是優(yōu)先處理并轉(zhuǎn)發(fā)最先到達(dá)的一份數(shù)據(jù)幀，不會等待另一份數(shù)據(jù)幀，待冗余幀到達(dá)后仲裁丟棄即可。所以雙路徑傳輸并不會增大端到端的平均時延。

2）時延抖動控制。

為了實現(xiàn)TAN 端到端時延抖動控制，需要實現(xiàn)端到端時鐘同步。兩臺5G 終端可以通過外置的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊獲取傳輸速率（packet per second，PPS）信號，以完成兩塊TAN 交換板之間的時鐘同步。為了降低傳輸抖動，通過網(wǎng)管軟件可以配置端到端的通信時延（ms 級），定義的時延要高于端到端的平均時延。一旦定義傳輸時延，數(shù)據(jù)幀將會按照所定義的時延進(jìn)行流量整形。如果當(dāng)某個數(shù)據(jù)幀的實際傳輸時延高于所定義的時延，則此幀按丟棄（丟包）處理。

3）對外授時同步精度。

5G 網(wǎng)絡(luò)在為數(shù)據(jù)傳輸單元（data transfer unit，DTU）提供低時延、高可靠通信服務(wù)的同時，還需要為電力設(shè)備提供精準(zhǔn)授時服務(wù)。核心網(wǎng)側(cè)通過單獨(dú)的時鐘服務(wù)器向TAN 確定性控制器提供絕對時間信號，再由控制器向下為兩臺IR60M 網(wǎng)關(guān)提供網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（network time protocol，NTP）服務(wù)。網(wǎng)關(guān)通過PPS 和NTP 絕對時間整合時鐘信息，將以B 碼（RS485 接口）形式對DTU 進(jìn)行授時。

3.2 測試結(jié)果分析

如表1 所示，網(wǎng)關(guān)雙發(fā)選優(yōu)功能測試的指標(biāo)主要是端到端可以正常通信，且其中任何一路瞬間斷開后，不會影響另一路的正常工作，即其中一路出現(xiàn)故障，端到端可以實現(xiàn)不丟包，證明了雙路徑的工作關(guān)系是“雙發(fā)選優(yōu)”，而非“鏈路切換”。

表1 測試結(jié)果Table 1 Test results

在雙路徑通信時，如果采用拔卡或者開啟飛行模式斷掉一路的通信，同一時刻至少有一路的網(wǎng)絡(luò)通信正常。從表1 可以看出，丟包率為0，沒有影響通信性能。

雙路徑通信時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在空口傳輸時的數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)其中一份數(shù)據(jù)發(fā)生丟包后，不影響另一份鏡像數(shù)據(jù)的正常傳輸，即只要有其中一份數(shù)據(jù)傳輸成功，端到端就完成了一次成功通信。只有當(dāng)兩份互為冗余數(shù)據(jù)、同時發(fā)生丟包后，才算一次通信失?。▉G包）。

表2 為時延和抖動測試結(jié)果。從表2 看出，兩個5G 終端通過外置GPS 模塊完成了相對時鐘同步，通過定義端到端的時延，可以看到平均時延與所定義的時延完全吻合，且時延抖動平均值小于500 ns，時延抖動最大值控制在1 000 ns 左右（即兩個GPS 模塊間的同步精度大約在1 000 ns）。

表2 時延和抖動測試結(jié)果Table 2 Test results of latency and jitter

開啟時延抖動控制功能，通信發(fā)生了丟包現(xiàn)象，這說明有些數(shù)據(jù)幀的實際傳輸時延大于所定義的時延，流量整形器將按丟包處理。

表3 為同步精度測試結(jié)果。從表3 看出，終端支持一路高精度授時信號輸出，單臺終端與基準(zhǔn)時鐘GPS 相比較，平均偏差小于4 000 ns。造成4 000 ns精度偏差的主要原因是時鐘測試儀GPS、終端的外置GPS 模塊和時鐘服務(wù)器的GPS 三種信號不同源，但此種授時方案依然可以保證兩臺終端之間的相對同步精度小于1 000 ns。

表3 同步精度測試結(jié)果Table 3 Test results of the synchronization accuracy

4 結(jié)束語

針對新型電力系統(tǒng)形勢下配電網(wǎng)穩(wěn)定保護(hù)剛性發(fā)展需求，以及目前配電網(wǎng)穩(wěn)定保護(hù)無線承載經(jīng)過多次無線傳輸和核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致時延累積環(huán)節(jié)多、時延控制難度大和通信丟包率較高等問題，通過深入研究5G uRLLC、時間明晰網(wǎng)絡(luò)TAN 等關(guān)鍵技術(shù)，在無線側(cè)利用uRLLC 超級上行、無調(diào)度傳輸和非時隙傳輸?shù)燃夹g(shù)控制傳輸時延；在網(wǎng)絡(luò)側(cè)利用獨(dú)占資源的低時延核心網(wǎng)切片、基于靈活以太網(wǎng)FlexE（flexible ethernet，F(xiàn)lexE）技術(shù)的承載網(wǎng)硬隔離、支持時延敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的確定性工業(yè)網(wǎng)關(guān)和支持二層交換的5G 局域網(wǎng)等技術(shù)控制傳輸抖動；研發(fā)基于實時操作系統(tǒng)和5G 時鐘同步的高精度授時網(wǎng)關(guān)，并通過覆蓋增強(qiáng)技術(shù)提高網(wǎng)關(guān)的絕對資源。綜合運(yùn)用上述技術(shù)降低各個環(huán)節(jié)的時延抖動，在保證端到端15 ms以下的時延前提下，將5G 承載配電網(wǎng)穩(wěn)定保護(hù)業(yè)務(wù)的端到端時延抖動控制到1 ms 以下，為配電網(wǎng)穩(wěn)定保護(hù)業(yè)務(wù)規(guī)?；瘧?yīng)用進(jìn)行技術(shù)驗證。