融合时间敏感网络技术的5G前传网承载配电网业务的性能评估.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：吕志锋（1982），男，汉族，浙江海宁人，硕士，工程师，研究方向为轨道配电网通信及交通信号系统设计、开发和生产工作。-94-融合时间敏感网络技术的5G前传网承载配电网业务的性能评估 吕志锋 众合智行轨道交通技术有限公司，浙江 杭州 310005 摘要：摘要：5G 前传网络承载配电网业务时，保障其确定性传输具有重要意义。本文基于融合 TSN（time-Sensitive Networking）技术的 5G 前传网架构，提出了一种基于时隙窗口的配电网时间敏感业务调度机制。设计了优先级传输方案，采用时隙窗口的高优先级配电网业务调度机制，通过预留时隙避免业务流间的相互干扰，以降低配电网时间敏感业务的时延和抖动，提高高优先级业务流量的传输速率。最后搭建了配电网业务的 TSN+5G 前传网络模型并进行了性能评估。实验结果表明，IEEE 802.1Qbv 在保障配电网时间敏感业务的确定性传输具有明显优势。相关技术也可应用交通轨道供配电通信应用场景，提高供配电网络的安全性和可靠性。关键词：关键词：5G 前传网络；TSN；配电网业务；性能评估；调度机制；确定性传输 中图分类号：中图分类号：TP393 0 引言 智能配电网作为智能电网的主要组成部分，被赋予了自愈、互动、安全、兼容和经济等特征1。大量分布式电源的出现规模化电动汽车的接入以及用户对电能质量的更高要求给配电网的运行与控制带来了巨大挑战，而智能配电网的提出为这些问题的解决创造了条件，为配电网的技术发展指明了方向2。一直以来，通信网络制约着配电网技术的发展，由于配电终端数量庞大、分布范围广，导致配电网通信系统建设投资大、维护成本高。随着通信技术的进步和通信设备成本的降低，以及智能配电网对信息集成、共享的需求，迫切需要构建一个覆盖整个配电网的通信网络3。5G 通信技术4因其覆盖范围广、建设成本低、维护便捷等特性，被广泛应用于配电通信网络的接入层。文献5提出了基于 5G 的智能分布式保护解决方案，文献6对各种配电网络业务对通信时延和抖动的需求进行了详细分析，并实验验证了 5G 网络传输时延及其概率分布情况。文献7论述了 5G 通信应用于馈线自动化的方案，并测试了终端延迟等指标。文献8测试了基于5G基站外场环境组网下终端之间延迟与抖动9，并提出了优化措施。文献10提出了一种基于故障时刻的 5G 数据同步方法，实现了配网差动保护功能。文献11提出了一种将广域化纵联保护移植到配电网中的方法，利用 5G 通信和电力专网实现了速动和低延时。文献12提出了一种利用对等横向通信的配网馈线自动化方案，并提出了动态调整保护单元时限的方法。文献13论证了 5G 技术在智能分布式中的应用，并测试了通信延迟等指标，将配网故障反应时间缩短到毫秒级。目前，随着配电网业务骤增，接入层网络资源的有限性导致了配电无线通信网络的严重拥塞，从而降低了服务质量14。此外，配电网业务对时延的要求非常严格，如何保障业务低时延确定性传输是一大难题15。因此本文从时延的角度研究融合 TSN 技术的 5G 前传网络承载配电网业务，梳理配电网络通信需求并描述了时间感知整形技术的基本原理，然后提出了基于时隙窗口的配电网时间敏感业务调度机制，并通过与严格优先级调度方案的实验对比，实现低时延、低抖动、高可靠性和确定性传输能力，从而提高业务传输的可靠性。1 面向配电网业务的 TSN+5G 前传网络架构 随着现代无线通信技术的发展，尤其近年来 5G 技术的应用，许多配电网业务开始逐渐使用无线通信技术，传统的LTE技术已无法满足通信成本降低的需求16。本文结合已有的通信技术特点，以业务与通信技术相适配为基础，在满足业务通信距离和通信容量要求的前提下，对配电网业务与通信技术进行适配分析，引入 C-RAN 通过将无线电部分和基带处理部分解耦来缓中国科技期刊数据库 工业 A-95-解这些问题17。在 C-RAN 中，远程无线电头负责较低层的PHY功能(射频(RF)，信号放大，D/A和A/D转换)，而基带处理和较高层协议在基带单元的集中池中执行。1.1 智能配电网通信需求 配电网业务包括差动保护业务、数据采集与监视控 制 系 统(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)遥信、遥测、分布式能源站状态监测和负荷控制与管理业务18。结合国网相关规范以及所述的配电网业务对通信的需求，对配电网业务的类别及优先级进行划分，此处以配电网业务对实时性的要求为依据来进行划分。按照类别可分为紧急型配电网业务、关键型配电网业务和常规型配电网业务三种，对应的配电网业务优先级分别为高优先级、中优先级、低优先级。具体如表 1所示。表 1 配电网业务划分 业务类别 业务名称 实时性 带宽要求 紧急型 差动保护业务 15ms，10Mbps SCADA 遥信、遥测 20ms 64K 关键型 分布式能源站/储能状态检测业务 100ms 64K-1M 常规型 负荷监控与管理业务 1s 5K 为确保在网络中类似于由上层下达的紧急指令或者需要及时上报的突发性业务能够在最短时间得以实施，需要对业务的重要性进行标记，以业务对时延的要求为依据可依次标记为高等优先级(H)、中等优先级(M)、低等优先级(L)三种等级，优先级为 7 属于高等优先级，依此类推。其中每种等级中可以对应多种业务类型。低等优先级的业务因为对时延要求最低，所以决定其成为拥塞控制的主要对象。在优先确保高等级业务的服务质量时，低等级的业务可以腾出自己所占用的资源为高优先级业务服务。本文所用的优先级如下表 2 所示：表 2 配电网数据业务流量 名称 优先级 周期 帧长 配网差动保护业务 7 833us 245Byte SCADA 业务(监督控制和数据采集系统)5 19.45ms 90Byte 分布式能源站/储能状态检测业务 1 10ms 111Byte 负荷监控与管理业务 0 485.4us 437Byte 1.2 时间敏感网络 IEEE 802.1Qbv 在图1中引入对每个队列的传输门操作。传输门根据已知的时间表开启/关闭。传输由门控制列表（GCL）控制，该列表由多个调度条目组成。例如，T2的GCL条目表示队列1 和7的门是打开的（1），而其他所有门都是关闭的（0）。根据这些时间表，可以允许选择的流量类型通过传输选择块。端口端口交换机交换机队列队列0 0业务类别业务类别0 0传输算法传输算法队列队列1 1业务类别业务类别1 1 传输算法传输算法队列队列7 7业务类别业务类别 7 7传输算法传输算法门控列表门控列表T0:00001111T0:00001111T1:10101000T1:10101000T2:01000001T2:01000001.T126:11110000T126:11110000T127:11001100T127:11001100REPEATREPEATIEEEIEEE802.1802.1QbvQbv.门控关闭门控关闭门控开启门控开启门控开启门控开启 图 1 IEEE 时间敏感网络流量 门控列表控制门结构的开关状态（1 或 0）。在时间同步后，门通过门控列表周期性地打开，确定流的调度时刻，TAS 需要从发送方（Talker）到接收方（Listener）中间的所有网桥进行时间同步，对于桥中的每个端口，TAS 根据已知且商定的时间表进行开关驱动动作，同时帧的传输还需要结合传输选择决策，不同的流队列对应着不同的传输选择决策。例如，时隙 1 打开了 AVB 流的门结构，则只允许优先级为 1 的AVB 流传输，此时按照 CBS 算法对流进行调度；时隙 2打开了 TT 流(CDT 流的一种，时间触发流)队列的门结构，只允许优先级为 0 的 TT 流传输，此时按照严格的优先级顺序进行调度。1.3 TSN+5G 前传网络架构融合 TSN 和 5G 前传网络架构融合是在 5G 网络系统中，利用 TSN 技术对前传链路进行优化和增强，以实现更高效和可靠的数据传输。为了支持网络切片技术在同一网络基础设施上提供更加灵活的网络以有效地满足不同服务需求，5G 接入网采用有源天线处理单元(ActiveAntennaUnit，AAU)、分布单元（Distribute Unit，DU）和前传网络构成，如图 2 所示。TSN 交换机交换机AAUDUAAU前传前传TSN 交换机交换机TSN 交换机交换机 图 2 支持 TSN 的前传传输网络架构 中国科技期刊数据库 工业 A-96-其中，AAU 是原 C-RAN 架构中的 RRU 和天线结合，同时负担了 BBU 的部分物理层处理功能的处理单元。DU 主要负责处理物理层协议和实时服务。基于以上组网方式，DU 和 AAU 通过交换机相连，所计算时延包含DU 和 AAU 自身内部的处理时延、DU 和 AAU 间的传输时延和所有经过交换机处理及缓存的时间。为了实现前传网络融合 TSN，交换机需要支持 TSN 协议，以便对不同优先级和类型的数据流进行调度和整形。DU 和 AAU 之间采用 CPRI 协议19进行数据传输。CPRI 为接口规范，CPRI 协议基于 Option 8 方式划分，物理层功能全部位于 DU，前传接口带宽要求高，可以支持基于以太网的承载方式，为与 TSN 技术集成提供基础。与前传接口有关的划分选项包括 Option6、Option7 和 Option8。其中的 Option7 是物理层内切分，又可细分为 Option7-1、Option7-2 和 Option7-3 等20。不同的物理层切分方式对前传接口带宽有不同的要求，物理层切分越靠近媒体介入，控制层对前传接口带宽的要求越低，物理层越靠近 AAU 对前传接口带宽的要求越高。AAU 和 DU 均支持 TSN 技术，可以根据不同的业务需求对数据流进行优先级划分和时间同步调度，从而保证数据在前传传输网络中的确定性传输。这种架构可以有效地降低前传传输网络的时延和抖动，提高前传传输网络的可靠性和灵活性。2 流量调度机制 为了使差动保护业务传输不产生级联时延，降低差动保护业务传输的时延和抖动并满足传输确定时延要求。最有效的方法是通过赋予差动保护业务最高优先级，严格的优先级策略将允许差动保护业务优先获得保护窗口的带宽。把业务流经过传输的 TSN 交换机端口相关参数记为 P，可以用(1)所示的六元组表示。()kiiGCLPWFTGBPl f TTTT,(1)式中：i 表示优先级；l 为每条流的报文长度；f为报文发送频率；GCLT为 GCL 的循环周期；PWT为保护窗口长度；FTT为自由传输窗口长度，GBT为保护带长度。由于差动保护业务是周期性传输，且实时性要求高，将差动保护业务的优先级设为最高优先级，在保护窗口时隙传输。为了保障差动保护业务不产生级联影响，GCL 的循环周期与差动保护业务的发送周期一致。(2)同时保护窗口时隙长度满足下式。(3)式中：C 为交换机端口的转发速率；fixt为交换机的固定转发时延；0t=1s。保护带长度GBT由式(4)求得：maxGBfixlTtC (4)在配网差动保护业务中，每一个保护终端都通过通信通道将本端的电气测量数据发送给对端，同时接收对端发送的数据并加以比较，判断故障位置是否在保护范围内，并决定是否启动将故障切除。保护终端的典型采集频率为 1 200 Hz，每隔 0.833 ms 发送一次数据，单次数据量为 245 字节，通信带宽需求为 2.36 Mbit/s。交换机的转发带宽为 100Mbit/s，交换机的固定时延为 19us。PWT需要保证差动保护业务有足够的时间传输完一帧，所以PWT应该大于 833us，以满足实时性要求。PWFTPWFTGB.GBt配网差动配网差动保护业务保护业务SCADA业务业务分布式能源站分布式能源站状态检测业务状态检测业务负荷监控与管理业务负荷监控与管理业务t.延时延时延时延时SPTAS 图 3 基于时隙窗口的配电网业务调度机制 如图 3 所示，可以看出当分布式能源站状态检测业务和配网差动保护业务先后到来时，在 SP 调度中会造成优先级反转现象，而 TAS 调度中为配网差动保护分配固定的保护带，即使分布式能源站检测业务比配网差动保护业务优先发送，但在保护带区段内优先传输配网差动保护业务，降低高优先级的时延和抖动。这是由于 TAS 调度能够根据高优先级流量性能分配特定的持续时间，保护配网差动保护业务的传输，在高优先级流量的传输门打开时避免背景流量干扰，实现低抖动和低延迟。DPTGCLDPTT01GCLniiiDPfixPWtl fltTTCC中国科技期刊数据库 工业 A-97-3 实验分析 本文性能评估目标为研究承载配电网业务的 TSN融合 5G 前传网络性能。关注的性能指标是与低优先级流量和背景流量竞争的高优先级流量转发延迟和抖动变化。转发延迟是指从 AAU 发送第 k 个数据包开始到DU 接收第 k 个数据包结束的时间间隔，当配电网终端将配电网业务传输到 AAU，通过三跳交换机排队传输到达 DU，AAU 采用树形拓扑连接到交换机。DTUTTUDTU站所终端馈线终端配变终端AAU-1AAU-2AAU-3TSN交换机TSN交换机TSN交换机DUDTU设备在线监测终端AAU-4配网终端5G前传网 图 4 融合 TSN 的配电网业务+5G 前传网架构 融合了 TSN 技术的前传网络如图 4 所示，基于以太网的前传网络由DU、AAU和之间的交换机组网形成，为了保证用户面数据在天线空口精准发送和接收需要满足3GPP定义的空口时间同步要求在简单组网的情况下，DU 和 AAU 上的前传功能部分可以预先或动态地算出用户面数据需要提前发送和接收的时间量。这个时间量或时间窗口的测量不仅包含了 DU 和 AAU 自身内部的处理时延，还包括 DU 和 AAU 间的传输时延。若传输网络中包含交换机组网，则意味着所有经过交换机处理及缓存的时间都要计算在内。前传网络融合 TSN，交换机需要支持 TSN 协议，DU 和 AAU 的前传网口部分也需要支持 TSN 协议。3.1 IEEE 802.1Qbv 与严格优先级对比 图 5 展示了 IEEE 802.1Qbv 与严格优先级调度的比较结果，针对传输四个周期业务流以保护配网差动保护业务传输。在本实验中，高优先级流量传输门保持打开的周期时间设置为 833us。从图中可以明显看出，IEEE 802.1Qbv 调度在时延和抖动方面都优于 SP 调度。采用 IEEE 802.1Qbv 调度时，高优先级流量的时延仅为 97us，而在 SP 调度下时延为 104us。对于 SP 调度，高优先级流量的抖动达到16us，而使用 IEEE 802.1Qbv 调度时抖动几乎为零。实验数据清晰地表明，相对于严格优先级调度，IEEE 802.1Qbv 能够显著降低配网差动保护业务的时延抖动性能，如第二节所述。使用 IEEE 802.1Qbv 能够合理分配传输门的开启/关闭时间计划，使网络设备能够按照预定的时间表发送数据包。借助时间窗口和时间感知队列的概念，确保网络中的数据传输在特定时间间隔内进行。IEEE 802.1Qbv 的时间感知调度明显优于严格优先级调度，因为它专门设计用于实现低时延和低抖动。通过精细的时间表和队列管理，它确保数据包按照精确的时间表发送，减少时延抖动。图 5 评价结果：TSN 802.1Qbv 与严格优先级对比 尽管严格优先级调度可以提供较低的时延，但它无法像 IEEE 802.1Qbv 那样精细控制时延抖动。在网络拥塞或高负载情况下，严格优先级调度可能会导致较大的时延抖动，因为高优先级流量可能会占用网络资源，导致低优先级流量的延迟增加。3.2 开启不同门控时间对比 在本实验中，采用了不同的 IEEE 802.1Qbv 门控时间来验证高优先级流的时延特性。如图 6 所示，结果表明，高优先级流的时延受到开始保护高优先级流的时间长度的影响。在 IEEE 802.1Qbv 的情况下，当改变门控开启时间时，高优先级流的时延会出现相应的变化。具体而言，高优先级流的时延浮动会增加，最大和最小平均时延之间的差异约为 11us。这是因为10497SPQbv96979899100101102103104105时延(us)160SPQbv051015抖动(us)中国科技期刊数据库 工业 A-98-在允许高优先级流量通过的时间段内，后台流量被完全阻塞。如果允许高优先级流量通过的开启时间晚于高优先级流的到达时间，那么高优先级流的数据包到达时门控还未开启，导致等待时间增加，从而导致时延的增加。图 6 不同门控开启时间时延对比 这一实验结果突显了 IEEE 802.1Qbv 的可调节特性，即能够为特定流量分配特定的持续时间。从实验数据中可以观察到，在 IEEE 802.1Qbv 的情况下，高优先级流的平均时延随着传输门打开的持续时间增加而减少。当门控时间滞后于开启时，高优先级数据包的发送时刻会发生偏移，导致时延的不确定性增加。时延一致性也会受到影响，因为不准确的门控时间可能导致高优先级数据包在不同周期内的时延差异较大。此外，时延抖动会增加，因为高优先级数据包的传输时间不再明确定义。因此，在需要满足低时延、高时延一致性和低时延抖动的实时应用中，精确控制门控时间对于 IEEE 802.1Qbv 的性能至关重要。当门控时间得到精确掌控时，IEEE 802.1Qbv 可以提供可预测且一致的时延性能。然而，门控时间的不准确性可能会对时延特性产生不确定性影响。因此，在实施 IEEE 802.1Qbv 时，必须确保门控时间的准确性，以满足实时应用的严格要求。3.3 不同背景数据包下分析 在图 7 中，展示了背景流量对高优先级流量性能的影响。本实验中，将背景流的周期从 485.4us 变化到 650us，而数据包大小保持不变，维持在 437 字节。配网差动保护业务数据包的大小为 245 字节，以 833us的周期速率进行传输。不论实验如何改变背景流的周期，采用 IEEE 802.1Qbv 调度保护高优先级流时延均表现最佳，保持在 97us。图 7 高优先级流量在不同背景数据包大小下对比 通过实验数据，可以明显观察到，在 IEEE 802.1Qbv 的情况下，高优先级流的数据包在相应优先级类别的传输门打开时到达。由于TSN的低抖动特性，即使存在背景流量的情况下，背景流量不会对高优先级流量产生显著影响。平均最小抖动保持在 97us。这是因为门控时间是 IEEE 802.1Qbv 的核心特性，它允许高优先级流量进入发送队列并在指定时刻传输。即使存在背景流量，高优先级流量的门控时间仍然有效，确保高优先级数据包的传输时刻不受干扰。因此，当 TSN 调度根据流量流设置时，即使存在背景流量，也可以实现低抖动和低延迟，保护高优先级流量的性能，有助于提高网络的可靠性，从而满足广泛的实时应用需求。这为网络中的高优先级数据流提供了强大的保护，使其能够在多样化的网络环境中高效运行。3.4 不同跳数下分析 原本AAU和DU之间只有三个交换机，即3个跳数。后来增加到四个跳数，即有四个交换机，以观察其对配网差动保护业务平均延迟的影响。如图 8 所示，随着跳数的增加，平均抖动值保持不变，而平均延迟时间略有浮动。979810310310812345100105时延(us)9797979797485.4 5005506006509095100105时延(us)背景流周期(us)97121三跳四跳5060708090100110120130时延(us)中国科技期刊数据库 工业 A-99-图 8 不同跳数下高优先级时延和抖动对比 这一实验结果表明，使用 IEEE 802.1Qbv 可以为来自不同路由单元的不同流量分配不同的优先级，优先考虑特定的流量，并相应地分配资源共享和保护所有流量的时间表。每个额外的交换机在数据包传输路径上都会引入一定的传输时延，因为数据包需要在交换机之间进行处理和转发。因此，增加一跳交换机通常会导致高优先级流量的时延增加。抖动可能会保持不变或略有浮动，因为每个交换机的处理时间可能因负载情况而变化，从而导致高优先级数据包传输时间的波动。然而，通过精确配置门控时间和网络拓扑，可以在多跳网络中继续维持相对低的时延和抖动，以确保高优先级流量能够满足实时性能要求。4 结论 在本研究中，对 IEEE 802.1Qbv 技术在传输配电网业务性能方面进行了评估，并将其与严格优先级调度方案进行了基准测试。研究结果表明 5G 前传网络融合 IEEE 802.1Qbv 的时间敏感网络技术，能够根据不同的业务需求，对数据流进行优先级划分和时间同步调度，从而实现了高优先级流量的保护传输。采用时隙窗口的高优先级配电网业务调度机制，提高高优先级业务流量的传输速率，从而确保在前传传输网络中实现了配电网时间敏感业务的确定性传输，对配电网的安全稳定运行具有重要意义。相关技术也可应用于城市交通轨道应用场景，保障供配电通信网络的实时性和可靠性，提高交通系统的安全性。参考文献 1蔡岳平,姚宗辰,李天驰.时间敏感网络标准与研究综述J.计算机学报,2021,44(7):1378-1397.2陈亚鹏,周振宇,韩东升等.电力+5G 前传网中融合时延敏感网络技术的流量调度方法J.电子学报,2023,51(5):1141-1147.3H.Gao,W.Ma,S.He,L.Wang and J.Liu,Time-Segmented Multi-Level Reconfiguration in Distribution Network:A Novel Cloud-Edge Collaboration FrameworkJ.inIEEE Transactions on Smart Grid,vol,2023(13):319-3322.4Y.Ye,R.Q.Hu,G.Lu and L.Shi,Enhance Latency-Constrained Computation in MEC Networks Using Uplink NOMAJ.in IEEE Transactions on Communications,2020(1):2409-2425.5杜浩良,郑燃,李跃辉等.含逆变型分布式电源的配电网智能分布式保护J.电力系统及其自动化学报,2022,34(12):152-158.6BagG,ThrybomL,HovilaP.Challengesandopportunitiesof5GinpowergridsJ.CIRED-OpenAccessProceedings Journal,2017,2017(1):2145-2148.7梁子龙,李晓悦,邹荣庆,季国鹏.基于 5G 通信智能分布式馈线自动化应用J.电力系统保护与控制,2021,49(07):24-30.8王常玲,赵元.基于 5G 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