5G網絡切片在電力系統業務承載中的時延性分析

闞拓

摘?要：當前去中心化浪潮席卷全球，人們生活方式發生了巨大變革，分布式能源技術的應用使電力系統向著去中心化發展。由于新型分布式發電技術的進步，電力輸送網絡建設周期長，數字化成為推動分布式發電發展的主要驅動力。電力系統業務特性對傳輸網絡有低時延要求，而5G網絡切片以其隔離性為電力通信場景的實現提供了可能。基于此，分析主要電力系統業務指標要求，對網絡購買進行仿真研究，分析電力系統業務時延特性和業務端到端時延的概率密度，證明了網絡切片技術可以降低業務傳輸時延，但不能達到所有業務時延要求。

關鍵詞：網絡切片;時延;電力通信;5G

5G網絡切片最早由NGMN引入新概念，網絡切片利用軟件定義網絡與網絡功能虛擬化技術，針對不同網絡服務功能，將物理網絡分割為獨立網絡使其具有可編程性。通過SDN集中控制將數據與控制平面解耦合，使路由配置靈活，實現共享基礎設施資源。智能電網系統具有安全穩定特點，在超低時延方面對切片技術具有強烈剛需，公共硬件基礎實施上劃分虛擬電力網絡切片，能夠更好地應對電網潛在應用場景，但缺乏對其傳輸業務性能的研究。

1?5G網絡關鍵技術

網絡虛擬化是構建隔離的多重異構虛擬網絡，5G網絡切片技術需要動態自適應虛擬網絡映射，根據承載虛擬鏈路擁塞級別等局部信息，提高底層網絡寬帶資源利用率。通過將復雜實際泛在電力物聯網網絡映射成虛擬網絡。目前IP領域IETF考慮更新MPLS/SDN等技術規范以支持網絡切片。

5G網絡切片包括無線接入網功能實體和核心網，網絡切片涉及終端、應用服務器以及管理系統。5G網絡切片由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應用設置了不同的網絡切片。5G網絡切片用S-NSSAI進行標識，它包括SST與SD，SST長度為8?bit，SD長度為24?bit，3GPP定義3種標準SST值。5G網絡切片創立后生成實例，包括核心網控制面與用戶面，不同用戶群可設置多個特性相同的網絡切片。不同網絡切片中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，根據簽約切片信息和網絡配置切片信息選擇提供服務網絡切片的實例。

移動邊緣計算把電力物聯網技術融合，在移動網絡側增加計算和數據處理等功能，通過無線應用程序編程接口開放移動網絡與業務服務器進行信息交互，將傳統無線基站升級為智能化基站。MEC可實時獲取移動網絡信息并提供精準位置服務。控制類業務對網絡傳輸可靠性提出了嚴格要求，無線網絡中的時延包括排隊等時延。電力物聯網業務對可靠性要求較高，針對網絡通信各部分時延，需在明確時延來源后進行優化。電力物聯網具有支持超低時延業務的關鍵技術，通過引入低時延切片等技術，進行網絡架構設計和接入側無線幀結構定制化設計。

2?5G網絡切片技術在電力業務中的應用

目前電力無線網承載電網控制和視頻帶寬類電力業務，包括配電自動化、分布式電源以及視頻監控等。當前各類電力業務最低時延要求為10ms級。隨著能源互聯網的發展，為適應新型電網模式，泛在物聯成為電網基本形態，迫切需要建設通信網絡、引入實時化的新型作業方式以及基于互聯網+的新型創新業務模式。未來電力系統物聯網與寬帶業務大量并存，呈現高安全等特征，時延需求為毫秒級，對電力無線網業務承載能力提出了更高的要求。

綜合考慮各類電力業務帶寬等維度需求，分析不同業務需求，將業務分為URLLC、eMBB以及mMTC類型，針對差動保護、精準負荷控制、配網裝糊涂檢測以及智能巡檢等典型業務形成適配模型。基于5G網絡切片軟件定義無線網絡構架實現資源集中管理，包括地層物理基礎設施和中間層虛擬化網絡資源。

3?電力系統端到端時延計算模型

5G網絡利用軟件定義網絡等虛擬化技術，形成針對行業租戶的切片業務網絡。電力行業存在多種業務場景需依靠傳統公共接入方式，無法為電網運營模式提供技術保障。電力無線專網可接入電網業務包括用電信息采集和精準負荷控制等。業務最低時延要求為10ms級，隨著能源互聯網的發展，物聯網需要實現各類負荷精準控制，以適應新型電網模式，實現用戶雙向互動，開展基于互聯網+新型業務模式。

光纖配網差動保護采用保護專用光纜，基于5G網絡低時延技術提出差動保護業務的應用滿足端到端通信10ms時延要求。電力系統業務分為生產調度業務和智能電網業務。生產調度業務包括調度自動化和可視化監控管理等。智能電網業務包括電動汽車充電樁等。一些對時延敏感的業務的時延需在十幾毫秒內，不同網絡切片存在物理隔離，業務傳輸故障不影響其他業務傳輸。本文研究電力業務端到端時延，說明是否適用網絡切片傳輸[1]。

電力系統中業務端到端時延分為傳播、排隊時延與固有時延。固有時延T1包括發送端設備對數據打包產生時延d1，傳輸經基站點固有時延d3。固有時延數值較小，發動端到接收端經基站節點個數為h，可以表示為T1=d1+d2+h·d3。傳播時延是數據信號在傳輸介質中的時間，光信號在光纖中傳播的速度為光速的2/3。

電網通過租用5G基站建立電力切片，利用5G超密集組網技術加密小區部署。通信運營商在宏基站覆蓋范圍內，宏基站覆蓋半徑達1km，宏基站選址要結合當地地形地貌和氣象自然災害等情況。電網傳輸業務最佳路徑不能與通信運營商基站規劃相同，10kV變電站電纜供電距離為2.5km，假定在供電區域建立4個宏基站，最長5km直線距離需經10個宏基站。業務傳輸最大傳播時延T2為25μs，端到端時延受排隊時延影響最大。為創建與底層物理網絡分離的隔離虛擬網絡，將網絡框架分為租戶、用戶以及基礎設施提供商。InP通過編程接口向租戶提供網絡資源，對用戶進行管理和分配資源[2]。