5G公網(wǎng)承載電力業(yè)務(wù)的方案研究

向 明，廖 華，曹 軍

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210006）

0 引 言

隨著國家信息化戰(zhàn)略推進(jìn)及國網(wǎng)公司堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的持續(xù)建設(shè)，電力營銷和運(yùn)檢等專業(yè)對無線網(wǎng)絡(luò)的支撐提出更高要求。3G和4G引領(lǐng)大數(shù)據(jù)的時代進(jìn)入了5G智能時代，業(yè)務(wù)推進(jìn)托管網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為必不可少的要素，因此發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1 基于租用5G無線公網(wǎng)的電力業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載方案

1.1 5G承載網(wǎng)的技術(shù)

在新的網(wǎng)絡(luò)信息時代，網(wǎng)絡(luò)終端不斷變化和升級，移動互聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)從早期形式到今天一直在大幅增長，承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)滿足5G的發(fā)展需求，同時提高了發(fā)展的穩(wěn)定性，擴(kuò)大了移動互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模。

1.2 總體組網(wǎng)架構(gòu)

為滿足國網(wǎng)公司對整體無線網(wǎng)絡(luò)的可管可控要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、配電自動化、在線監(jiān)測、移動作業(yè)以及視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)規(guī)范接入，統(tǒng)一承載方案采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為接入層、運(yùn)營商層以及電力網(wǎng)絡(luò)層，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

1.3 5G承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

無線業(yè)務(wù)依托無線公網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸時，采用光傳送網(wǎng)技術(shù)。光纖和設(shè)備是整個承載網(wǎng)絡(luò)中時延產(chǎn)生的主要來源，光傳輸?shù)木嚯x主要影響的是業(yè)務(wù)端到端傳輸?shù)臅r延，因此縮短傳輸距離是提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的重要措施。

依靠虛擬通道承載加密封裝后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在隧道終點(diǎn)解封裝并還原業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式后經(jīng)由專線接入電力信息系統(tǒng)。業(yè)務(wù)終端依托運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)接入，可采用專線APN或VPDN撥號2種方式。

1.3.1 APN接入

此方法適用于對安全性要求不高的業(yè)務(wù)終端接入，基本要求有以下3點(diǎn)。一是采用電力專用APN接入，二是APN使用原則宜按照業(yè)務(wù)的安全等級進(jìn)行分類，不同安全區(qū)的業(yè)務(wù)使用不同的APN接入，三是應(yīng)支持IP地址靜態(tài)分配和動態(tài)分配。

1.3.2 VPDN撥號接入

此方法適用于對安全性要求較高的業(yè)務(wù)終端接入，對接入的終端進(jìn)行強(qiáng)身份認(rèn)證。虛擬專用撥號網(wǎng)絡(luò)VPDN的接入方法及系統(tǒng)技術(shù)方案如圖2所示，基本要求如下。首先VPDN撥號接入應(yīng)采用L2TP隧道技術(shù)，其次各網(wǎng)省公司宜自建LNS及AAA認(rèn)證服務(wù)器，最后應(yīng)支持IP地址靜態(tài)分配和動態(tài)分配。

圖2 虛擬專用撥號網(wǎng)絡(luò)VPDN的接入方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

VPDN撥號接入方式的流程如下。業(yè)務(wù)終端向服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)發(fā)送附著請求，攜帶APN等信息。服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)向鑒權(quán)中心請求鑒權(quán)，由鑒權(quán)中心響應(yīng)服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)的鑒權(quán)請求。若鑒權(quán)通過，則業(yè)務(wù)終端附著成功；若鑒權(quán)未通過，則拒絕業(yè)務(wù)終端接入。其后終端發(fā)送激活網(wǎng)絡(luò)的請求，攜帶APN、用戶名以及密碼等信息。服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)將終端的網(wǎng)絡(luò)激活請求轉(zhuǎn)發(fā)到LAC，由LAC與LNS建立L2TP隧道。LAC將終端的用戶名和密碼轉(zhuǎn)發(fā)到LNS認(rèn)證，LNS將終端的用戶名和密碼轉(zhuǎn)發(fā)到AAA服務(wù)器認(rèn)證，AAA服務(wù)響應(yīng)LNS的認(rèn)證請求后，返回認(rèn)證結(jié)果。此外，LNS響應(yīng)LAC的認(rèn)證請求，若認(rèn)證通過則接受終端的網(wǎng)絡(luò)激活請求并分配IP地址，否則拒絕終端的網(wǎng)絡(luò)激活請求。LAC響應(yīng)終端的網(wǎng)絡(luò)激活請求且服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)響應(yīng)終端的網(wǎng)絡(luò)激活請求表示網(wǎng)絡(luò)連接建立成功。

2 5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋解決方案分析

2.1 傳統(tǒng)室分解決方案

在過去2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，室內(nèi)信號覆蓋均采用同軸電纜傳輸和無源器件功率分配方案，構(gòu)成傳統(tǒng)室分系統(tǒng)可以通過合路器合路實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共建共享。而在5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋方面，按照相關(guān)部門發(fā)布的規(guī)定，5G在室內(nèi)使用的頻段上限為3 300～3 400 MHz，如果采用傳統(tǒng)室分系統(tǒng)無法對網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行擴(kuò)大。因?yàn)樵谠擃l段內(nèi)，1/2饋線100 m的傳輸損耗能夠達(dá)到15 dB，7/8饋線也將達(dá)到8 dB。在頻段提升的過程中，同軸電纜損耗大幅度增加。在無源分布系統(tǒng)中，無源器件支持頻段最高為2.7 GHz，無法為3.5 GHz及以上頻段提供支持，難以實(shí)現(xiàn)封閉式覆蓋。在天線配置方面，5G可以使用MIMO技術(shù)，但是單通道腔無法為技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供支持，還要采用雙通道MIMO室分系統(tǒng)為2×2MIMO模式提供支持，利用單獨(dú)腔室將信號傳輸至天線，盡管能夠提高數(shù)據(jù)傳輸效率，卻面臨較大部署難度[1-4]。早饋線傳播的過程中將產(chǎn)生較大損耗，導(dǎo)致室內(nèi)布線節(jié)點(diǎn)大幅度增加，天線過于稠密，給室內(nèi)空間協(xié)調(diào)帶來困難。此外，傳統(tǒng)室分系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，缺乏開放性，也將給5G室內(nèi)應(yīng)用帶來影響。因此從總體上對傳統(tǒng)室內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行改造或新建，都將給5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋帶來困難。

2.2 小基站解決方案

結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋問題，小基站解決方案得以被提出。而結(jié)合不同的室內(nèi)應(yīng)用場景，該方案可以進(jìn)一步劃分為分布式小基站和擴(kuò)展型小基站，采用不同的信號傳輸技術(shù)。

2.2.1 分布式小基站

分布式小基站主要依靠光纖或電纜進(jìn)行信號傳輸，可以與多個系統(tǒng)組合在一起，完成多通道信號發(fā)生，為雙通道電流獨(dú)立調(diào)輸提供支持。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，可以采用光電復(fù)合電纜或六類線等進(jìn)行終端單元信號傳輸，在MIMO升級階段也無需設(shè)置新的RF饋線通道[5-7]。通過升級原本鏈路，能夠完成不同MIMO網(wǎng)絡(luò)組建。在封閉的室內(nèi)場景中，采用該方案能夠使信號有效覆蓋，并且使信號的室外傳輸問題得到解決，促使系統(tǒng)損耗得到降低。

2.2.2 擴(kuò)展型小基站

采用擴(kuò)展型小基站解決5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)信號覆蓋問題，可以利用基帶拉遠(yuǎn)分布室分系統(tǒng)為多模提供支持。采用BBU基帶將容量直接拉遠(yuǎn)，并實(shí)現(xiàn)末端設(shè)備的微型化處理，利用pRRU完成基帶信號，實(shí)現(xiàn)信號數(shù)模轉(zhuǎn)換，能夠使信號通過天線發(fā)射。而RHub用于接收BBU發(fā)射的下行基帶數(shù)據(jù)，能夠通過分路處理后向pRRU傳輸，并將其上行數(shù)據(jù)進(jìn)行合路處理，發(fā)送給BBU。在大型室內(nèi)場景中，應(yīng)用該方案可以達(dá)到125～500 mW的傳輸功率，直徑能夠達(dá)到200 m，通過提供運(yùn)營級別的信號覆蓋功能滿足各種業(yè)務(wù)開展需求。通過與無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，則能使“最后1 km”的信號傳輸問題得到解決，使網(wǎng)絡(luò)得到靈活連接，繼而使基站運(yùn)營和維護(hù)成本得到有效控制。

2.3 方案綜合比較分析

從5G室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)角度來看，還應(yīng)在滿足5G業(yè)務(wù)開展需要的同時，使技術(shù)發(fā)展保持較高靈敏度，能夠使新型移動接入網(wǎng)得到靈活配置與拓展，從而使資源利用能夠滿足設(shè)備容量和頻譜源等各方面的要求。因此在提出室內(nèi)覆蓋解決方案時，還要結(jié)合具體場景進(jìn)行布局，在降低運(yùn)維成本的同時，加強(qiáng)對各種場景的智能管理，推動技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋需求，還要加強(qiáng)幾種解決方案的分析比較，以便為未來解決5G業(yè)務(wù)開展問題提供科學(xué)思路。

2.3.1 鏈路損耗比較

從鏈路損耗角度展開分析，可以將5G網(wǎng)絡(luò)頻譜設(shè)定為2.6 GHz，在寫字樓標(biāo)準(zhǔn)層等封閉場景穿透損耗為16 dB，大堂等開闊場景損耗為11 dB，傳播余量設(shè)定為3 dB。采取傳統(tǒng)室分系統(tǒng)，最大允許路徑損耗能夠達(dá)到93 dB，在封閉類場景中自由空間傳播損耗能夠達(dá)到74 dB，余量傳播距離為8 m；在開闊場景中自由傳播損耗為79 dB，余量傳播距離達(dá)18 m[8-10]。采取分布式小基站，不同場景的最大允許路徑損耗為100 dB，在開闊場景和封閉場景自由損耗分別為86 dB和81 dB，余量傳播距離分別為32 m和14 m。采用擴(kuò)展型小基站，最大允許路徑損耗為98 dB，在開闊場景和封閉場景自由傳播損耗分別為84 dB和79 dB，余量傳播距離分別為28 m和12 m。相比較而言，分布式小基站信號損耗較小，傳播距離更大，其次則為擴(kuò)展型小基站，而傳統(tǒng)室分系統(tǒng)解決方案的損耗最大，傳播距離也最小。

2.3.2 建設(shè)效果比較

在方案實(shí)施階段，采用傳統(tǒng)室分系統(tǒng)約90%的DAS系統(tǒng)屬于單路，能夠?yàn)?×2MIMO和SISO提供支持。在建設(shè)過程中，為支持2.6 GHz頻譜，需要完成天線、合路器以及電橋等器件的更換，建設(shè)難度不高，但由于無法進(jìn)行信號傳輸監(jiān)控，因此難以對網(wǎng)絡(luò)信號傳輸故障進(jìn)行定位。在建設(shè)分布式小基站時，需要增設(shè)rHUB/pRRU，將線纜更換為光電復(fù)合纜，能夠?yàn)?×4MIMO提供支持，但需要耗費(fèi)較高建設(shè)成本，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)控和定位，為信號可靠傳輸提供保障。從性價比角度進(jìn)行思考，同時考慮室外密集場景的信號覆蓋問題，可以選用大功率基帶拉遠(yuǎn)產(chǎn)品，在樓頂和墻面等位置進(jìn)行靈活安裝，使室外宏站區(qū)域覆蓋問題得到解決，同時解決室內(nèi)信號覆蓋問題，達(dá)到實(shí)現(xiàn)基站一體化覆蓋的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

本文通過分析國網(wǎng)公司租用無線公網(wǎng)進(jìn)行承載的業(yè)務(wù)集中可管可控能力較弱、安全性較低以及租賃費(fèi)偏高等問題，提出一種基于租用無線公網(wǎng)的電力業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載方案。通過分析，新方案的組網(wǎng)架構(gòu)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，利用運(yùn)行支撐平臺的集中管理能力，提升了網(wǎng)絡(luò)的管控性與安全性。同時，通過對比分析，新的統(tǒng)一承載方案充分利用了公共網(wǎng)絡(luò)與國網(wǎng)公司現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，通過規(guī)模集中效應(yīng)，可獲得運(yùn)營商更好的資費(fèi)優(yōu)惠。此外，從5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋解決方案綜合比較情況來看，小基站在解決室內(nèi)信號覆蓋問題上具有較高性價比，覆蓋方法較為靈活有效，因此相信未來能夠得到廣泛應(yīng)用。