面向电力物联网的轻量化5G通信关键技术研究

康守信，王贤辉，李 铮，冯相龙，邵志勇，李 松，王学清

（1.北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200；2.国网天津市电力公司 城西供电分公司，天津 300113；3.国网黄冈供电公司 营销运营中心，湖北 黄冈 438000）

0 引言

5G是新一代蜂窝移动通信技术，具有超高速率、超低时延、海量连接的特性，已成为产业转型、数字经济快速发展的重要引擎。随着“双碳”战略的实施，新型电力系统已成为实现“双碳”目标的主要参与者、推动者。5G技术赋能垂直行业的优势为建设新型电力系统提供了高性能的远程通信方案。

在国家政策方面，工信部等部门在印发《5G应用“扬帆”行动计划（2021—2023年）》的通知中指出，要开展5G电力通信网络的改造和应用场景的试点规模推广[1]。国家能源局在《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》中也提出，要以数字化智能化电网支撑新型电力系统建设，重点推进在智能电厂、新能源及储能并网等多元化应用场景试点示范[2]。

近年来，5G在电力领域的应用已经有了大量的相关研究。文献[3]研究了5G电力应用场景及业务需求，认为230 MHz和1.800 GHz的无线专网以及4G无线公网均不足以支撑电力主要业务通信需求。文献[4]针对电网运维管理自主性、数据安全性等问题，提出了运营商共享无线接入网模式的电力自建5G核心专网方案。文献[5]研究了网络切片在电力业务场景下的具体方案，并通过实际测试验证了网络切片的可行性和适用性。文献[6]针对电力业务差异化需求，研究了基于业务优先级成本调节的5G-MEC边缘云流量卸载优化方法并通过仿真验证结果。

国内学者关注的主要是5G技术3大应用场景与电力通信需求匹配问题。随着电力物联网快速发展，电力5G终端年需求量可达数百万[7]，但5G标准终端因价位等因素对于技术落地造成了挑战。在电力物联网中，尤其在中低速网络应用场景中，对低成本、低能耗的5G模组需求更加强烈。

轻量化5G技术是5G技术中富有潜力的应用技术，其在终端侧成本、功耗和尺寸等方面优势显著[7]；同时，轻量化5G继承了5G网络高安全、高并发、低时延等优秀特性，在促进5G在电力行业广泛应用方面更具潜力[8,9]。

在3GPP 5G-R18即将冻结、5G技术深度赋能垂直行业之际，本文试图从电力物联网通信需求出发，深入探讨电力轻量化5G通信关键技术，旨在探索和促进轻量化5G技术在电力行业规模化建设和应用。

1 电力5G应用需求及现状

1.1 电力5G典型业务场景需求

为支撑满足万物互联的需求，5G通信技术定义了3大应用场景，如图1所示[10]。

图1 5G的3大应用场景Fig.1 Three application scenarios of 5G

根据电力行业数据典型应用以及QoS（Quality of service）需求，电力通信业务主要分为控制类、信息采集类以及移动应用类。

电力控制类业务涉及电网安全运行的稳定性问题，对通信的时延和可靠性有较高的要求。

电力信息采集类业务主要包括用电信息采集、电能质量监控等，表现为海量的终端接入，但对于传输带宽以及时延要求相对较低。

电力移动应用类业务包括智能巡检、视频监控等，需要数据实时回传，具有移动性和广域性特点。

电力典型业务场景通信网络需求如表1所示[3]。

表1 电力典型业务场景通信网络需求Tab.1 Communication network requirements for typical power service scenarios

表1中带宽、时延和连接数与图1中5G的3大应用场景对应。通信业务可靠性对于电力物联网也至关重要。电力物联网业务复杂交互，一旦通信出现故障，会导致整个物联网业务受到影响，尤其是电力涉控类业务对通信可靠性要求更高[11]。

基于网络切片等5G关键技术，在运营商的无线网、传输网、核心网等环节虚拟出1张面向电力行业应用的电力5G专网与电力业务跨域融合，进而可实现端到端的电力业务承载、高可靠的安全隔离以及资源管理。

轻量化5G保留了5G技术在时延、大连接、可靠性、切片、数据不出厂等方面的技术优势，也可构建电力5G虚拟专网。电力5G虚拟专网架构如图2所示[12]。

图2 电力5G虚拟专网架构Fig.2 Architecture of power 5G virtual private network

图2配电环节控制类场景对低时延、高可靠需求强烈，可结合uRLLC（Ultra-reliable low latency communications）技术进行重点保障。

在电力通信海量连接方面，轻量化5G支持按需通过网络切片、覆盖增强等技术实现对电力通信网络的赋能。但是，轻量化5G技术的低成本、低功耗等特性设计，会导致带宽速率下降。

1.2 电力5G通信技术演进

5G技术在电力领域的应用场景以及成效与5G技术的持续演进同步。5G不同阶段电力应用场景如图3所示。

图3 针对不同电力应用场景5G技术演进Fig.3 5G technology evolution for different power application scenarios

由图3可知：1）在R15阶段制订的eMBB（Enhanced mobile broadband）技术可以应用在电力系统的巡检、监测等场景。2）R16阶段主要面向uRLLC。该项技术与电力配电自动化三遥等场景通信需求匹配。3）R17阶段的重点是mMTC（Massive machine type communication）增强，其在电力物联网应用场景广阔，如精准负荷控制、电动汽车充电桩等。4）在R18标准制定阶段，我国牵头提出的5G智能电网研究项目已成功立项，研究重点包括传统能源管理等智能电网服务以及挖掘潜在的电力新业务需求。

5G技术的演进，将进一步推动电力新技术、新模式的发展，促进5G成为保障能源安全、可持续发展的重要技术支撑。

2 电力轻量化5G通信技术研究

根据预测，到2027年，国内电力5G终端累计应用量将超过千万[8]。

随着5G网络的大规模商用，尤其是在中低速需求的应用场景中，电力物联网终端对5G模组在尺寸、能耗、成本等方面提出了新的要求，即：大幅降低其复杂度和成本、设备使用紧凑型设计以及支持全部商用频带[8]。

3GPP在R17标准中引入了一项基于5G的蜂窝物联网轻量化技术，在满足需求的基础上实现了通过精简设备能力和降低设备复杂度，达到降成本、降尺寸、降低功耗和延长寿命等目标，并定义终端设备为5G RedCap（Reduced capability）[13]。

2.1 轻量化5G终端复杂度及成本分析

相对于5G NR标准终端，轻量化5G终端在技术侧做了一系列裁剪，主要体现在支持最大带宽、天线数量、最大调制阶数、双工模式等方面。整体而言，轻量化5G终端生产的复杂度可降低60%左右，成本降低近70%[9,14]。

表2对比了5G NR标准终端与轻量化5G终端主要参数[15,16]。由表可知：在带宽方面，轻量化5G终端在FR1频段上最大带宽缩减为20 MHz；轻量化5G终端天线数量降低至1T1R或1T2R；轻量化5G终端最低可支持64 QAM；在双工模式方面，轻量化5G终端引入了半双工机制。从表中可以发现，轻量化5G终端弱化了性能，但终端成本也随之降低。

表2 5G NR标准终端与轻量化5G终端对比Tab.2 Comparison between 5G NR standard terminals and lightweight 5G terminals

2.2 轻量化5G终端功耗优化研究

为降低5G终端功耗，3GPP在5G RedCap技术中引入了eDRX（Extended DRX，扩展不连续接收模式）和放宽RRM（Radio Resource Management，无线资源管理）机制。

eDRX机制：即在5G标准终端DRX基础上，延长了终端休眠时间、降低了终端唤醒频率。在RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态下，轻量化5G终端的休眠周期最大扩展为1.048 576×104s和10.24 s[9]。

放宽RRM机制：由于终端需要对基站广播的信号进行RRM测量，因此该过程会导致终端功耗。轻量化5G终端通过放宽RRM测量触发的条件来降低终端的功耗。

2.3 轻量化5G终端峰值速率计算

根据3GPP R17协议，轻量化5G终端在支持的带宽、收发天线数量、最大调制阶数等与终端速率高度相关的参数方面进行了简化。

国内5G运营商网络频段主要有700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz，网络制式分为FDD和TDD。

轻量化5G技术峰值速率计算公式见文献[17]。国内主流5G网络下轻量化5G技术峰值速率参数和峰值速率分别如表3和图4所示。

表3 国内主流5G网络轻量化5G峰值速率参数Tab.3 Lightweight 5G peak rate parameters of domestic mainstream 5G networks

图4 国内主流5G网络轻量化5G终端峰值速率Fig.4 Lightweight 5G terminal peak rate of domestic mainstream 5G networks

图4和表1对比分析，结果显示700 MHz频段满足电力典型业务场景网络速率需求；在部分超高清视频监测、智能巡检方面，虽然2.6 GHz和3.5 GHz在上传速率保障方面略有不足，但电力各环节绝大部分终端对于速率需求是在几Mbps甚至几十Kbps量级，所以3GPP在R17中提出的轻量化5G技术，在国内现有的商用网络中可以满足绝大部分电力通信应用场景，并且在多数场景中速率峰值超出了实际应用需求。

轻量化5G演进技术将会在3GPP R18中进一步研究，其目标是对标Cat.1/1bis，通过再度降低终端带宽和峰值（FR1带宽缩减至5 MHz），实现终端复杂度再度简化并达到成本再降低的效果[15]。

轻量化5G演进方向及电力行业应用业务场景如图5所示。

图5 轻量化5G演进方向及电力行业应用Fig.5 Light weight 5G evolution direction and power industry applications

图5中的电力应用业务场景速率需求在100 Mbps以上的极少场景，如电力应急现场自组网综合应用、超高清电力智能巡检等，可以选择5G NR技术；业务场景速率需求在10～100 Mbps的场景，如配电保护、配电房视频综合监控等，可以选择轻量化5G-R17技术；业务场景速率需求在100 Kbps～10 Mbps的场景，如车辆智能充电、高级量测精准负控等，可以选择轻量化5G-R18技术；对于部分速率要求极低的如电力信息采集等业务，可以在综合考虑性能需求以及成本因素的基础上选择5G NB-IoT作为备选技术方案。

根据上述分析，电力各环节业务可根据网络性能需求按需选择匹配5G技术终端，这对促进5G技术在电力物联网中落地应用将产生积极作用。

2.4 轻量化5G通信安全研究

电力物联网轻量化5G专网应用架构设计需满足电力行业的“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的方针[10]。

轻量化5G网络在4G网络安全基础上对网络架构、认证授权、数据传输等方面进行了优化或增强[18,19]。

电力物联网轻量化5G技术支持端到端切片安全隔离，可根据业务安全需求，在轻量化5G电力虚拟专网的接入网、传输网、核心网等环节采用物理或者逻辑的隔离手段来实现灵活的横向隔离。

支持多层次认证体系。轻量化5G技术可为电力虚拟专网提供终端接入认证、二次认证等，以确保满足接入主站的合法性，满足电力业务纵向边界的安全防护。

支持数据加密传输。支持利用电力专用加密装置或认证网关进行数据加密。另外，利用UPF数据转发机制，可避免电力用户数据暴露在公网上，进而保障了用户通信数据安全[20]。

3 轻量化5G在电力物联网中的应用

3.1 轻量化5G在低压分布式光伏系统中的应用

光伏作为绿色可再生资源已进入大规模发展阶段。相对于传统光伏电站通信网络，基于5G通信技术的光伏系统网络因具有传输速率高、稳定性和可靠性强等优势而提高了光伏系统能效管理水平[21]。

低压分布式光伏控制系统的轻量化5G技术方案如图6所示，主要包括主站平台、光伏厂商主站、5G通信网络、轻量化5G终端（台区智能终端、数据采集器）和光伏组件。

图6 分布式光伏控制系统轻量化5G通信方案Fig.6 Light weight 5G communication scheme for distributed photovoltaic control system

图中，5G通信技术在系统架构中主要任务是为主站与轻量化5G终端之间提供高效、稳定的传输通道，实现对终端设备进行的信息采集以及远程调控。

低压分布式光伏控制系统通信业务场景主要为控制类，一般要求时延小于50 ms。系统运行时对通信业务速率需求较低，但相对可靠性要求较高。基于此，低压分布式光伏控制系统5G终端可选用轻量化5G技术。5G网络可采用端到端切片技术，优点是便于实现电力业务与公网业务隔离，保障电力业务的安全性，可满足业务高可靠性的需求。

3.2 轻量化5G在低压配电物联网中的应用

低压配电网通信是指电力终端设备到骨干网之间的通信，其传输距离一般从几百米到几公里，具有业务应用场景复杂、技术体制多样、覆盖范围广等特征。

图7示出了低压配电网物联网轻量化5G通信应用方案。图中方案以轻量化5G通信网络+HPLC（High speed power line communication）为信息传输通道。台区智能融合终端和配电终端DTU（Distribution terminal unit）、FTU（Feeder terminal unit），主要完成采集和控制类业务，所以轻量化5G技术可以满足业务通信需求。

图7 低压配电物联网轻量化5G通信方案Fig.7 Light weight 5G communication scheme for low-voltage distribution internet of things

依靠轻量化5G网络高可靠、低时延等优势，配电云主站实现终端上传数据分析和下发指令调控。轻量化5G技术为低压配网智能化发展提供了高可靠的通信保障。

3.3 轻量化5G在低压台区用电采集中的应用

低压台区用电采集系统的轻量化5G通信方案如图8所示。

图8 低压台区用电采集轻量化5G通信方案Fig.8 Light weight 5G communication scheme for electricity consumption information collection in low-voltage station area

图8中智能台区远程通信性能需求速率范围为10 Kbps～10 Mbps、可靠性99.9%以上，所以轻量化5G采集终端符合通信需求。本地通信采用HPLC或高速双模，依托智能电表、集中器等设备终端实现全台区数据采集。轻量化5G采集终端可选择5G虚拟专网与用电采集主站建立连接；主站平台利用大量的采集数据进行台区用电分析、低压故障预判、停电上报分析等，可提高检修、故障修复等工作效率，实现供电质量、运营效率和用户体验的全面提升。

轻量化5G通信技术，可为用电智能台区的信息采集、远程控制等业务提供实时性、安全性和可靠性的通信保障。

4 总结

轻量化5G为满足物联网差异化需求而产生，在继承5G NR关键技术基础上，具有低成本、低功耗等优势。

本文从电力物联网5G技术需求入手，通过研究电力5G典型业务场景应用需求和电力5G技术演进，对轻量化5G通信技术与电力典型业务通信性能需求匹配进行了研究；重点研究了轻量化5G终端复杂度及成本、功耗优化、峰值速率以及通信安全性，并对轻量化5G及演进技术在电力物联网的应用展开了研究，指出轻量化5G及其后续演进技术将会促进5G技术在电力物联网中规模应用；最后对轻量化5G通信技术在电力物联网中应用方案进行了研究，提出了轻量化5G在低压分布式光伏系统、低压配电物联网、低压台区用电采集的应用方案。本文的研究工作对新型电力系统应用轻量化5G通信技术具有借鉴意义，有助于电力行业数字化智能化转型。