电力专网面向5G 的演进路线及创新模式研究

张瑞兵，徐光年，储建新，郑伟军，严玉平

（1.普天信息技术有限公司，北京 100080；2.浙江华云信息科技有限公司，杭州 310012；3.国网浙江海盐县供电有限公司，浙江 海盐 314300；4.国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

0 引言

随着我国经济建设的快速推进，电能为居民日常生活以及企业工业生产提供了强大保障。在电力资源配送过程中，需要高效的通信系统来满足配用电系统在通信方面的需求。电网公司目前采用的通信方式主要包括光纤通信、无线公网和无线专网3 种，光纤方式安全防护和通信质量最优，但单位终端的通信配置成本最高；无线公网成本最低，但运营商不提供针对电力业务的特殊保障及安全防护措施，通信质量不可控，无法保证网络安全；无线专网安全防护和通信质量较好，可实现移动接入。建设电力无线专网对解决“最后一公里”通信问题、推动电网公司信息化企业建设和新兴业务拓展具有重要意义。

国家电网公司2016—2017 年在10 个城市同期开展了终端通信接入网试点工作，试点经验表明，无线专网能满足电力业务通信速率、时延和安全防护要求，可有效提升配电自动化远程控制成功率、用电信息采集成功率等指标。2018 年底，国家电网公司发布了有关LTE-G 230 的企业标准（Q/GDW 11806.1—2018，Q/GDW 11806.2—2018，Q/GDW 11806.3—2018），对技术体制和技术细节进行了规定。然而无线通信技术更新迭代非常快速，随着部分5G 标准的成熟，已建成的电力无线通信网络如何引入5G 核心技术，平滑向5G 演进成为一个重要研究课题。

1 电力无线专网现状

国际标准化组织3GPP（第三代合作伙伴计划）定义了5G 的三大场景，其中eMBB（增强移动宽带）主要面向虚拟现实/高清视频等大带宽业务，mMTC（大规模机器类型通信）主要面向物联网海量接入数据业务，uRLLC（超高可靠低时延通信）主要面向工业控制以及自动驾驶等低时延、高可靠业务。Release 15 标准作为5G 的第一阶段标准已经全部完成并冻结，此版本规范了eMBB 场景规范，而mMTC 和uRLLC 场景标准目前还没最终确定，电力通信应用更偏向于后面2 种场景。

国网浙江省电力有限公司经过多年的研究和实践，在嘉兴建成国内首个地市级区域全覆盖的电力无线专网，并于2018 年底投入使用。目前已经接入各类业务终端1 万余个，涉及用电信息采集、配电自动化、配变监测、故障指示器、分布式电源、充电桩管理、语音集群、视频传输、移动办公、无人机巡检、智能仓储等多类业务。

嘉兴建成的电力无线专网基于LTE-G 230标准，网络通过载波聚合、频谱感知等关键技术实现数据、语音、视频等传输能力，具备宽窄一体、一网多能的特点。然而科技人员在技术提升上的努力从未停止，近两年不断研究5G 核心技术在230 MHz 网络的迭代演进，以便对电网业务提供更低时延、更高可靠性的通信支撑。

2 面向5G 技术演进

LTE-G 230 面向5G 演进涵盖离散载波聚合技术、网络切片技术以及低功耗广域网络技术几方面。

2.1 离散载波聚合技术

载波聚合技术是4G 和5G 的关键技术之一，通过聚合多个载波信道来提升带宽，实现数据速率和容量的提升。5G 网络可聚合多达16 个载波，通过高频段结合中、低频段的动态重耕技术实现可用带宽的扩展（见图1）。

图1 载波聚合示意图

载波聚合技术已在LTE-G 230 中采用，网络针对连续或者离散的25 kHz 载波进行聚合，甚至聚合多行业分时共享的载波，实现窄带频率的宽带化应用。

通过软件升级，目前基站载波聚合能力从340 个载波提升到480 个载波；结合硬件升级，终端载波聚合能力从40 个载波提升到120 个载波，单终端无线传输速率提升了3 倍。

多载波调制是高速数据通信的理想接入方式，但是峰均功率比问题是多载波通信的固有难点，峰均功率比随载波数增加而提高；另外，230 MHz 频段还面临着多行业交叉使用、多制式系统共存的干扰难点，LTE-G 230 网络通过CFR（振幅因数消减）来降低峰均比，通过DPD（数字预失真）技术解决峰均功率比过大所导致的非线性，通过数字梳状滤波和频谱感知技术改善干扰问题，系统宽带性能和抗干扰能力得到快速提升，目前已经在浙江省低频段物联网技术与应用实验室落地应用。

2.2 网络切片技术

5G 标准面向不同的需求场景，导致网络的安全性、移动性、时延和可靠性的要求是不一样的，因此需要采用网络切片技术将一张物理网络分成多个虚拟网络，每个切片资源面向不同的应用场景需求，逻辑上进行隔离，相互独立。

针对电网应用场景需求，网络切片不仅有助于业务数据隔离，还有助于提升数据的安全性，相对无线公网的“软”切片，可以采取更严格的“硬”切片技术，这样不仅要求对网络组网架构进行调整，而且要求对业务数据进行更精准的标识，所以从网络架构设计到端到端不同业务数据的流转，从无线频率的规划使用到核心网的分区而治，从通道隔离到处理板的分工，均需要详细设计。

安全隔离设计严格遵守“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则，基站应通过独立的时频资源、基站传输单板/端口为特定业务提供专线通道，满足不同安全大区业务物理隔离的要求，如图2 所示。

基站系统支持QCI（服务质量分类标识），终端用户在签约时系统设置用户的优先级，用户签约设置的优先级信息存储在HSS（归属签约用户服务器）中，基站同步缓存HSS 中相关信息，当基站接收到终端上行数据时，通过终端ID 号与缓存的信息进行比对，判别终端优先级和业务类型，并对该终端后续消息帧中特定标志位进行QCI 置位，该标志位用于后续处理板和隔离通道的选择；基站系统与核心网系统之间传输通道根据业务类型分为精准负荷控制业务通道、配电自动化业务通道和其他采集类业务通道。

核心网系统遵循电网安全防护要求划分为管理信息大区专属业务核心网和生产控制大区专属业务核心网，生产控制大区核心网又细分为精准负荷控制和非精准负荷控制处理的硬件模块，各个分区之间相互隔离，同时又可根据需要调整相应处理资源。

基站和终端之间的无线传输根据业务类型划分为多个频率池，实现频率（波长）隔离，频率池的规划打破连续载波限制，根据频谱感知数据优选载波组建频率池用于关键业务，频率池划分示意如图3 所示。

2.3 低功耗广域网络技术

LPWAN（低功耗广域网络技术）是伴随5G 标准满足物联网需求出现并逐步成熟的远距离无线通信技术，它通常采用深度睡眠、重复传输等多种技术实现低功耗和远距离深度覆盖，LTE-G 230 也采用类似改进技术。

深度睡眠技术： 通信终端在传输间隙工作在节能模式，此时终端位置网络处于附着状态，但没有信令发送，终端进入深度睡眠状态，将功耗降到最低。

时间分集技术： 将同一信号按照约定时隙间隔进行多次重传，通过时间分集技术获得分集增益，增强覆盖性能，同时将覆盖扇区划分为不同覆盖等级，终端根据所在区域覆盖等级动态调整重传次数，如图4 所示。

能量谱密度提升： 终端发射窄带信号，通过增强功率谱密度可有效提升信号的覆盖增益，LTE-G 230 最小频率单元是25 kHz，LTE 最小频率单元是180 kHz，在相同功率情况下，LTE-G 230 系统具有8.6 dB 的功率谱密度增益，上下行控制信息与业务信息可以在更窄的带宽中发送，从而降低接收方的解调要求，实现覆盖距离的增长。

图2 电力通信网通道隔离示意图

图3 电力通信网频率池规划示意图

图4 覆盖等级划分示意图

多帧联合传输： 通过时域多帧联合传输以及频域多子带复用，进一步降低码率，提高系统接收机灵敏度，有助于控制信道引入更低码率控制信道，提升边缘用户的控制可靠性，支持控制信道灵活配置，在提升覆盖的同时保证频谱效率。

3 创新应用模式探索

3.1 多行业信道共享

电力深度定制研发的专用无线通信网络在传输可靠性和网络安全性方面均优于无线公网。伴随专网技术的成熟，可面向水务、燃气等重点行业开放信道共享，拓展运营模式，带动社会协同发展。

多行业共享的难点在于如何协调多行业专网（子网）间的信道，本方案通过具有集中调度功能的行业运营服务平台进行统一管理。平台负责不同网络资源与行业应用的配置，包括归属HSS、APN（接入点名）接入、处理通道和端口选择以及数据流转路径、数据流量甚至计费功能。

为了保证不同行业间信道隔离和业务调度，方案规划面向多行业的时频物理隔离频率池、更多类型APN 以及独立的HSS 模块。不同行业终端签约在独立的HSS 内，采集数据根据规划通过专用频率池传输到基站系统，基站基于APN 识别并通过独立物理通道传输到核心网处理模块，核心网系统识别业务数据并将非电力行业数据送到行业运营服务平台，进行流量计费后将数据转发至相应行业主站系统。

多行业信道共享架构如图5 所示，多种措施综合使用，保证与其他行业的业务安全共享，由此开创电网通信业务运营新模式。

3.2 多行业频率共享

无线频率资源是国家的稀缺资源，行业无线专网应用特点通常是周期性数据传输，周期的间隙频率资源空闲，存在严重浪费，如果能实现多个行业分时共享同一段频谱，就可以大大提升无线资源利用率。

行业分时共享频率的难点在于如何协调网络资源，以及不同子网间如何动态分配信道。本方案通过各个子网内频率感知系统和子网间频谱调度平台实现，通过频谱调度平台对感知系统资源信息进行存储、更新、管理，实现认知无线电系统对空闲频谱资源信息的全面获取与高效利用。

如图6 所示，在多个无线系统间构建统一的频谱调度平台，内含地理位置频谱数据库，平台获取感知系统的相关信息（包括地理位置、站点和设备的相关信息），进行感知频率与已有频率之间、感知频率与感知频率之间的干扰分析，得出各个系统间的频率隔离情况。

图5 多行业信道共享架构

图6 多行业频率共享示意图

当感知系统进行资源申请时，可根据系统间的隔离情况以及频谱资源的使用情况进行资源分配，保障不同系统间资源分时使用的有效隔离，平台同时考虑区域内频率授权备案情况，保证系统间资源使用的合理合法性。

具体实现是每个基站系统对感知频段进行周期性监测，监测的结果在核心网汇总，核心网通过网管系统与频谱调度平台进行业务交互。

4 验证与测试

上述多项技术已经在浙江电力无线专网中验证应用，多行业频谱共享机制验证步骤如下：

（1）配置2 个独立网络，2 个网络配置共享工作频点。

（2）使用多部终端占满1 号网络26 号基站无线资源，包括共享频点。

（3）2 号网络85 号基站内终端尝试进行数据传输，当用尽本扇区资源后无法申请到共享频点，将导致部分终端无法通信。

（4）结束26 号基站部分终端的业务，释放部分共享频点。

（5）85 号基站内数据传输失败的终端重新进行数据传输，成功申请到共享频点资源。

2 个网络本地资源管理中心对基站频率调度变化显示，网络1 的26 号基站释放的相同频率资源块被网络2 的85 号基站成功申请占用。

5 结语

配电网业务复杂，终端分布点多面广，互联互通离不开无线通信网络，然而任何一种独立无线方式都不能满足所有场景，需要结合业务特点和应用场景选择最佳通信方式。230 MHz 无线专网已纳入国家电网企业技术标准体系，它在设计之初就是面向电网应用深度定制，本身使用范围非常宽广。本文总结了其面向5G 技术演进以及创新应用模式方面的探索与研究，表明这种技术体制坚强的后续生命力和延续性，未来必将助力电网公司数字化、网络化、智能化发展，通过智慧能源与信息通信技术深度融合，推动电网和公司高质量发展。