电力通信网与运营商5G网络融合方案

电力通信网与运营商5G网络融合方案



【摘  要】为实现电力通信网与运营商5G网络的融合应用，分析了电力通信网络应用5G网络的优势，并从电力业务性能及安全隔离的角度分析各类电力业务与5G网络契合度。通过深入分析电力业务需求，以及现有电力通信网及运营商5G通信网的现状，提出了电力通信网络与运营商5G网络不同的融合组网方案。针对不同融合组网方案，从路由策略、网络时延及可靠性、安全隔离性等方面进行网络性能对比分析，以期推动运营商5G网络在电力通信系统中的广泛应用。

【关键词】电力业务；5G网络切片；融合组网



doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.08.018        

中图分类号：TN915.85        文献标志码：A        

文章编号：1006-1010(2022)08-0106-07

引用格式：王海洋,王玉东,刘晗,等. 电力通信网与运营商5G网络融合方案[J]. 移动通信, 2022,46(8): 106-112.






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0   引言



无线通信技术在电力系统特别是配网自动化领域一直有广泛的应用，国家电网公司致力于通过无线通信技术促进电力系统智能化发展。但因受技术本身的限制以及电力终端业务差异化的需求，限制了无线通信技术在电网中的大规模应用，同时也限制了电力系统智能化的进步及产业的发展[1]。



5G无线通信系统[2]定位于垂直行业，以网络切片技术赋能多样化的应用场景，着力于实现公网专用、跨行业承载多业务的目标[3]。5G通过切片使能eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动带宽）、uRLLC（ultra-reliable & low-latency communication，低时延高可靠通信）、mMTC（massive Machine Type of Communication，大规模物联网）、广连接、高移动等多种应用场景[4]，为无线通信技术在电力系统的大规模应用提供了技术基础[5]。



在3GPP R17标准冻结、5G向垂直行业推进之际，从电力行业自身的视角出发，深入开展智能电网多应用场景下电力与运营商5G网络融合组网方式研究，将有利于探索和推动5G在智能电网的规模化建设与应用。



1   电力通信网中5G应用需求分析



1.1  电力通信中5G应用的优势

对于电力eMBB场景，采用更高频段的带宽资源提高传输速率，多载波传输方式[6]减低无线信道频率选择性衰弱，更高阶MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）提高频率效率[7]；对于电力mMTC场景，采用非正交多址接入技术有效提升时间、频率、空间及功率资源的复用程度[8]，免调度技术减少海量终端连接所产生的大量上下行信令交互提高系统容量[9]；对于电力广覆盖场景，信道覆盖增强技术有效提升物理信道覆盖范围[10]，辅助上行针对不同频段覆盖能力调整频段使用方式增强覆盖能力[11-12]。



5G多样化应用场景为智能电网的发展提供技术基础[13]，将改变传统电力业务运营方式和作业模式，进一步提升电网企业的自主可控能力和运营效率。



1.2  电力性能需求与5G网络契合度

根据网络QoS（Quality of Service，服务质量）需求，将电力业务分为生产控制类、信息管理类、采集类、移动类等应用场景[14]。电力生产控制类应用场景对安全性、时延有较高要求，同时存在海量终端接入的情况；电力信息管理类应用场景以数据传输为主，时延、接入量要求相对低；电力采集类应用场景业务主要表现为终端海量接入，对传输带宽及时延要求相对低；移动类应用场景终端具有移动性和广域性特点，移动过程中存在数据传输，同时具有海量接入的需求。



然而，电力业务场景与5G网络场景并非完全一一对应，这对5G在电力系统中的应用提出了更高要求。电力业务性能需求与5G网络契合度见表1。



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2   电力通信网与运营商5G网络现状分析



2.1  电力通信网现状

经过几十年的发展，电力通信网已形成以传输网为基础，以数据通信网、电话交换网、视频会议网等业务网为应用，以同步网、网管网、信令网为支撑的综合体系，全面服务于电力生产、管理、客户服务。



国家电网已建成大容量骨干光传输网及终端通信接入网，25个省公司已建成覆盖至市公司本部的OTN网络。省级骨干光传输网采用SW-A、SW-B双平面架构方式，SW-A平面采用SDH技术，SW-B平面OTN技术。地市光传输网以SDH技术为主，核心环网带宽以2.5G、10G为主。终端接入网综合利用光纤专网、无线公网等技术体制，统筹考虑配用电、电动汽车、分布式电源及营销等业务需求，重点完成配置策略与业务隔离、数据加密及通道安全防护方案的制定，实现不同业务的集中接入和资源共享。



2.2  运营商5G网络现状

2019年6月，工信部向中国移动、中国联通、中国电信及中国广电发放了5G牌照。在频谱划分中，中国移动获得2.6 GHz和4.9 GHz频段使用许可，中国电信和中国联通获得3.5 GHz频段，700 MHz频段由中国移动与中国广电共享[15]。



四大运营商5G网络技术和架构各有优势，中国移动和中国广电具有700 MHz黄金频段，在覆盖上有优势[16]。中国电信和中国联通拥有3.5 GHz频段和共享的200 MHz大带宽，在覆盖和容量上有综合优势。各运营商均已开展核心网SA建设[17]，中国移动和中国联通核心网采用大区制建设，中国电信和中国广电核心网采用省级制建设模式。运营商5G承载网结构相似，分别采用SPN、IPRAN或STN技术体制，5G承载网均开启三层协议，利用IS-IS（intermediate System-to-intermediate System，中间系统到中间系统）、BGP（Border Gateway Protocol，边界网管协议）、SR（Segment Routing，分段路由协议）等协议开通静态/动态路由。



3   电力与运营商融合组网建设方案



电力通信网络有着丰富的省内省际光纤资源及传输网资源，在电力5G与运营商融合组网中，应充分考虑使用电力现有传输网络资源作为5G承载网，即保证传输网络物理隔离，又保证传输带宽专用，是运营商传输网络资源的有效补充。



根据传输网资源的融合程度，电力与运营商融合组网建设方案包括全部利用运营商承载网、部分利用运营商承载网及电力自建5G承载网三种融合组网模式。其中部分利用运营商承载网和电力自建5G承载网模式均按电力建设承载网设计，由于运营商5G承载网均开启了静态或动态路由，因此电力承载网的建设需重点考虑异网间路由的传递、跨域对接等问题。



3.1  全部利用运营商承载网的融合组网方案

全部租用运营商承载网，随电力专用UPF（User Plane Function，用户面功能）安装于地市供电公司或者省电力公司，在电力公司机房部署2套运营商承载网设备，起到双路由保护的作用，运营商按需为电力分配端到端的切片资源，包括无线网、承载网和核心网切片资源。当前运营商为垂直行业客户所提供的5G专网业务主要为此种模式，即运营商提供端到端的传输切片资源，制定不同的安全隔离等级以满足不同客户的网络需求，行业客户无需考虑运营商及自身现有网络情况，仅与运营商签订SLA（Service-Level Agreemen，服务等级协议）即可满足自身的5G定制化服务。全部利用运营商承载网的融合组网方案如图1所示。



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3.2  部分利用运营商承载网的融合组网方案

运营商地市承载网按照地市接入层、汇聚层、核心层三层部署，按照利用运营商承载网的程度，融合组网方案又分为地市核心层以下利用运营商承载网，及地市汇聚层以下利用运营商承载网的融合方案。



（1）地市核心层以下利用运营商承载网融合组网方案

地市核心层以下利用运营商承载网，地市核心层以上由电力自建专用5G承载网，主要用于N1（UE和AMF之间参考点）、N2（RAN和AFM之间参考点）、N4（UPF和SMF参考点）接口信令的传递和N3（RAN和UPF参考点）数据面的传递。



电力专用承载网覆盖中国移动、中国联通的大区核心主备节点、各省电力公司、各地市供电公司等节点。其中运营商大区核心主备节点所在城市各部署2套电力专用SPN，利用国网OTN、SDH等传输资源，开通千兆骨干层路由网络。各省电力公司本部、省内地市供电公司各部署2套电力专用SPN，利用电力省干OTN、SDH网络开通省至地市核心层的省内接入层千兆网络。



电力专用SPN网络形成独立自治域系统，地市供电公司的2套SPN设备与运营商承载网地市核心设备通过Option A方式对接。运营商大区核心（主备）网节点所在城市供电公司的2套SPN与该城市的运营商核心网节点通过Option A方式对接，从而划清了电力与运营商网络的运维职责和权限。电力专用SPN网络作为路由网，起到了一张网可同时对接、承载3家运营商信令的作用。



对于中国电信，由于核心网按省级部署，不涉及跨省路由，仅利用上述网络的省内部分。图2为地市核心层以下利用运营商承载网融合组网方案。



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（2）地市汇聚层以下利用运营商承载网融合组网方案

地市汇聚层以下利用运营商承载网，地市汇聚层以上电力自建专用5G承载网，主要用于N1、N2、N4接口信令和N3数据面的传递。



地市核心层以上由电力自建专用5G承载网，同方案（1），不再赘述。地市核心层以下利用运营商承载网，在每个县供电公司部署2套SPN设备，与电力地市核心SPN之间利用市—县SDH或OTN开通GE光路。



电力县公司2套SPN与运营商承载网汇聚层设备通过千兆光路做路由对接，通过Option-A方式实现跨域。本方案的电力专用SPN网络作为路由网，延伸到了县公司，起到了一张网可同时对接、承载三家运营商5G回传数据及信令的作用。



对于中国电信，由于核心网为省级制，不涉及跨省，仅利用上述网络的省内部分。图3为地市汇聚层以下利用运营商承载网融合组网方案。



3.3  电力自建5G承载网的融合组网方案

将电力SPN承载网建设至接入层，实现从基站至核心网的全线电力专网覆盖。基站至接入层SPN之间敷设光缆，并将基站单独配置传输板卡，通过10GE光路接入SPN设备，N2/N3/N4接口全部承载于电力自建SPN之上。由于网络规模庞大，地市以内单独建立自治域，地市以上建立骨干平面。电力专用SPN网络作为路由网，起到了一张网可同时对接、承载三家运营商的作用。



对于中国电信，由于核心网为省级制，不涉及跨省，仅利用上述网络的省内部分。图4为电力自建5G承载网的融合组网方案。



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4   方案对比分析



4.1  路由策略分析

对于全部利用运营商承载网的融合组网方案，运营商网络形成单独AS（Autonomous System自治域）域，可采用虚拟租用线（VLL，Virtual Leased Line）和虚拟专用局域网业务（VPLS，VirtualPrivateLanService）承载方式，开通电力终端至电力UPF业务。对于VLL和VPLS业务，若业务量少，可采用单段PW/VPLS方式承载，若业务量较大，也可采用层次化的VPLS或多段伪线方式承载。



对于部分利用运营商承载网的融合组网方案和电力自建5G承载网的融合组网方案，运营商网络与电力SPN网络各自形成单独AS域，采用L3 VPN专线业务方式承载电力业务。对于L3 VPN专线业务，若接入点较少，而且接入设备支持三层功能，可将L3 VPN直接接至接入层设备上。若接入点较多，路由数量较大时，可采用接入层PW+核心汇聚层L3 VPN的方式实现。



在路由控制层面，对于融合组网中的大型AS域可通过EBGP（External Border Gateway Protocol，外部边界网关协议）将AS域划分为多个区域，子区域内通过IBGP（Internal Border Gateway Protocol，内部边界网关协议）控制路由，子区域间通过EBGP控制路由，内部子区域采用私有AS号，在向AS域外传递路由时通过路径剥离技术剥离子区域私有AS号。在AS域内采用OSPF（Open Shortest Path First，开放的最短路径优先协议）实现域内路由控制，同时完成与BGP的路由同步[18]。



4.2  时延及可靠性分析

（1）网络时延分析

网络端到端时延包括无线空口时延、承载传输时延和核心转发时延[19]。空口时延，典型的TDD UL空口时延在5～11 ms之间，FDD UL空口时延在2～6 ms之间。承载网时延，通过组织相关单位开展测试，切片交叉PE节点典型时延约为13 μs，切片交叉P节点典型时延约为3.45 μs。当UPF部署在边缘时，承载网时延忽略不计，当UPF部署在地市时，对于地市内200 km光缆长度，10个承载网节点的网络，租用运营商承载网的时延约为2 ms。当UPF部署在省公司时，对于省干1 000 km光缆长度，10个省干承载网节点的网络，租用运营商承载网的时延约为4 ms。核心网时延，UPF转发时延与业务流量相关，典型时延在2 ms以内，根据中兴通讯提供的典型实测数据，在64 Gbps吞吐量情况下，UPF转发时延为0.6 ms，抖动在10 μs左右。端到端的网络时延见表2。



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对于部分利用运营商承载网的融合组网方案，由于数据传输需要跨越运营商和电力两张承载网络，经过设备节点数量较多，并且由此引发的路由控制及标签交换行为都会增加网络端到端的时延，因此网络时延较大。



（2）网络可用性分析

网络可用性=平均无故障使用时间MTBF/（平均无故障使用时间MTBF+平均故障恢复时间MTTR）。电力5G网络可用性等于核心网、传输网和无线接入网的各可用性的乘积。融合组网方案的可用性主要取决于承载网的可用性，随着设备节点数量的增多，网络的可用性逐渐下降。



对于完全租用运营商承载网的组网方案，网络可用性=运营商接入网可用性×运营商承载网可用性×运营商核心网可用性，电力完全独建承载网的可用性与此类似。对于部分利用运营商承载网的融合组网方案，网络可用度=运营商接入网可用性×运营商承载网可用性×电力自建承载网可用性×运营商核心网可用性。由以上2个公式可以看出，完全租用与完全自建方式的网络可用性高于部分自建方式的网络可用性。



（3）安全隔离性分析

网络安全隔离性分为多个层面，包括物理网络安全隔离、逻辑拓扑安全隔离、网络协议安全隔离等角度[20-21]。融合组网方案主要考虑的是物理网络之间的隔离性，对于电力自建5G承载网的融合组网方案，端到端使用电力专用承载网，不存在数据公网传输的情况，因此网络隔离性是最高的，完全利用运营商网络和部分利用运营商网络的方案都存在数据跨网传输的情况，网络隔离性相对较弱。



5   结语



本文从共建共享、充分利用双方网络资源的角度出发进行融合组网方案的技术研究，提出了电力传输网与运营商传输网互联互通的融合组网方案，即对于电力生产控制大区可采用电力自建5G承载网的融合组网方案，对于管理信息大区可采用部分利用运营商承载网的融合组网方案，对于互联网大区可采用全部利用运营商承载网的融合组网方案。



在实际工程应用时，应从实际出发考虑电力安全防护系统要求[22-23]，从无线、承载、核心网3个层面对电力5G网络做好安全隔离及防护工作。对融合组网进行推广建设，可大大提升电力网络资源的利用率，真正做到电力资源与运营商资源的融合。