面向智能电网的5G广域硬切片接入应用与研究.pdf

452023.065G天地0 引言智能电网作为垂直行业的典型应用，主要包括“发、输、变、配、用”5 个主要环节，随着电网服务和电力物联网的多样性发展，对通信网络提出了新的挑战。在配电场景中，点位分散，区域面广，随着大规模配网自动化业务快速发展，光纤覆盖成本高、运维难度大，大量电力终端、设备需要快速灵活的广域接入通信网络。5G 网络切片支持按需灵活组网，每个切片可满足无线接入网、承载网及核心网侧的端到端逻辑隔离，结合 900M 低频 5G NR 组网和 MEC 边缘计算能力，为国网构建出独享或部分独享的虚拟网络资源，满足电力终端接入网广覆盖、高可靠、高安全、低时延等差异定制化需求，5G 网络切片通过定制软件实现服务，部署简单且比光纤网络成本更低，可有效助推电力行业实现智慧管理和数字化转型。1 生产控制类电网业务应用1.1 智能电网应用电力系统基础设施规模大、结构复杂，主要由发电厂发电，变电所变电，输电线路输电，配电所分配，用户使用电能。电力系统通常划分为生产控制大区、管理信息大区和互联网大区。生产控制大区又细分为控制区和非控制区，控制区业务主要包括配网差动保护、智能分布式配电自动化、精准负荷控制等，对时延、抖动等网络性能要求高；非控制区业务包含配网 PMU、应急现场自助网综合应用等。通过分析不同大区业务的 SLA 要求（如表 1 所示），可以初步明确 5G 网络切片的隔离应用类型。面向智能电网的5G 广域硬切片接入应用与研究孟亚魁1 王群青1*陆宇冰2 冯忠义3 李 贝4 郜 泽11.中国联合网络通信有限公司浙江省分公司；2.中国联合网络通信有限公司嘉兴市分公司；3.中国联合网络通信有限公司江苏省分公司；4.中国联合网络通信有限公司研究院摘要：为有效满足电网控制类业务对网络低时延、高可靠、高安全、广覆盖的通信需求，提升电力数字化、智能化水平，5G 网络切片成为服务智能电网的理想选择，它将 5G 网络划分为逻辑上隔离的网络，利用资源块（Resource Block，RB）预留、灵活以太网（Flexible Ethernet，FlexE）、用户面（User Plane Function，UPF）和多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）下沉定制满足不同服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）的专业切片。充分论证基于智能电网生产控制类应用的 5G 网络硬切片架构，分别验证 900M、2.1G、3.5G 频段无线接入效果，实现 5G 广域硬切片泛在接入，并提出 3 种中国联通、中国电信 5G ToB 电力切片业务共建共享新模式。关键词：5G；切片；MEC；广域接入；共建共享表 1 国网电力业务场景 SLA 定性需求电力主要业务类别时延要求可靠性要求带宽要求授时要求隔离切片要求差动保护URLLC高高中/低高RB 预留+QoS+FlexE，VLAN1精准负荷控制URLLC高高低-RB 预留+QoS+FlexE，VLAN2462023.065G天地电力主要业务类别时延要求可靠性要求带宽要求授时要求隔离切片要求用电采集类mMTC低中低-5QI 优先级+QoS+VPN，VLAN3移动巡检类eMBB中/低中高/中-5QI 优先级+QoS+VPN，VLAN5新一代数字化电力系统，即智能电网的出现，可以实现再生能源并网，支持差动保护和精准负荷控制，通过应用 5G信息通信新技术，有效减少全球碳排放量。5G+智能电网应用场景广泛，对网络速率、时延、可靠性和安全隔离等服务等级协议（SLA）要求多样，主要包括移动巡检、控制保护、数据采集、视频回传等。围绕国网三个大区各类业务应用场景，结合当前5G网络端到端（无线、传输、核心网）的切片隔离技术，可以适配出不同的模式组合，形成具有业务针对性的 5G 切片隔离方案（如图 1 所示），满足国网差异化的 SLA/QoS 业务体验。本课题重点对满足生产控制类业务的 5G 广域硬切片进行测试研究。图 1 三大区 5G 网络切片隔离方案示意图1.2 控制类业务需求电网 5G 生产控制类应用主要为秒级负控、差动保护和配网自动化。以秒级精准负控为例，其主要功能是在负载大幅波动时，上传用户可切的负荷量，下行接受控制子站的指令，切除配网次要负荷，保障主要负荷用电安全。一般情况下，秒级精准负控业务网络 SLA 需求为：上行速率 1.5Mbps，下行速率 10Mbps，上下行时延 100ms，可靠性要求 99.99%，资源独享且要求安全隔离。由于目前配网终端节点多，地理位置分散，光纤部署成本巨大，传统 2/3/4G 网络性能和安全隔离无法满足国网控制类业务要求。因此采用 5G 网络硬切片技术，结合用户面 UPF 下沉和设备容灾，成为满足电网控制业务广域接入和高可靠要求的必然选择。2 网络功能及切片设计实现在 5G 网络切片基础上，结合移动边缘计算 MEC 和核心网用户面 UPF 下沉，可以在无线、承载、核心网虚拟化出 5G电力虚拟专用网络，实现智能电网的全业务承载。一般由数据网络标识（Data Network Name，DNN）代表一类智能电网业务，由网络切片标识（Single Network Slice Selection Assistance Information，S-NSSAI）代表一组逻辑网络资源（基站、传输、核心网），分别对应实现业务隔离和网络隔离保障，一个电力网络切片可配置多项 DNN 业务。2.1 5G 网络切片新技术（1）5G 无线网可以采用不同的无线频段（3.5G/2.1G/900M）和多种无线网切片技术，灵活适配智能电网业务场景，eMBB 切片主要考虑 2.1G 和 3.5G 频段，广域 uRLLC 切片可考虑 900M 频段。无线切片隔离技术主要有三类：一是基于服务质量QoS调度，与公网用户共用小区时频资源，实现根据 5G QoS 标识符（5G QoS Identifier，5QI）的资源差异化优先调度，在资源抢占时，高优先级业务能够优先调度空口的资源；二是基于高优先级QoS 的 RB 资源预留，5G 基站通过最大 RB 资源比例、最小RB 资源比例、专用 RB 资源比例参数配置，实现切片组预留资源的动态共享或者指定切片的资源静态预留；三是基于频谱的载波切片隔离，通过采用独立频谱和独立小区实现不同的业务切片，但涉及成本太高。综合考虑，面向电力生产控制类业务主要采用 RB 资源预留方案。（2）5G 承载网472023.065G天地可以采用基于虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）的软隔离和基于 FlexE 的硬隔离技术，满足智能电网业务低时延要求和安全可靠。VPN 是在公用网络上建立起专用网络，并进行安全加密通讯，通过基于 VPN+QoS 的软隔离实现多种电网业务在一个物理基础承载网上的逻辑隔离，但软隔离不能实现物理硬件和时隙隔离。灵活以太网 FlexE 是一种基于以太网的多速率子接口在多 PHY 链路上的承载技术，FlexE接口基于时隙调度将一个物理以太网端口划分为多个以太网弹性硬管道，在网络接口层面基于时隙进行业务接入，在同一个 FlexE 接口内基于以太网进行统计复用，有效解决传统以太网接口宽带共享限制。因此，智能电网的广域硬切片业务场景需要引入端到端 FlexE 实现业务硬隔离。（3）5G 核心网可以采用基于 SLA 保障的核心网切片资源分配和基于数据面 UPF+多接入移动边缘计算 MEC 下沉隔离技术，满足智能电网业务低时延和数据流量本地卸载要求。5G 核心网分为控制面和用户面，其中控制面网元 SMF 和用户面网元 UPF 与智能电网业务转发强相关。SMF 主要负责 UPF 选择、IP 地址分配管理、策略实施、QoS 控制部分、计费数据采集、漫游等功能；UPF负责数据业务路由转发、流量报告、QoS执行等。MEC主要完成业务分析处理，提高数据的安全性和处理效率，针对电力生产控制类业务采用用户面专享 UPF+MEC 下沉至地市方式，实现电力控制业务的快速处理。（4）对比分析如表 2 所示，模式一可承载广域、低时延、低带宽和高安全隔离业务，基本满足端到端的硬隔离；模式二主要承载广域、中低带宽、时延及隔离不太敏感的业务，可满足软隔离需求；模式三可以满足各类业务需求，但是面向广域通信场景，成本太高。表 2 5G 网络切片技术组合模式对比组合类型无线网承载网核心网预期效果模式一RB 资源预留FlexE 子 接 口 隔 离+QoS专用 UPF 下沉到电力业务场景（专用 AMF和 SMF 按需定制，共享核心网其他网元）可承载广域、低时延、低带宽和高安全隔离业务，基本满足端到端的硬隔离，时延小于 30ms、4 个 9 的可靠性的要求模式二5QI 优先级调度VPN 隔离+QoS划分电力专用软切片，可选专用 UPF 或共享电力 UPF（共享核心网其他网元）可承载广域、中低带宽、时延及隔离不太敏感的业务，可满足软隔离、大连接、3 个 9 的可靠性的要求模式三专用基站/专用小区专用频率使用电力专用传输资源，并按业务需求配置接口隔离、VPN 隔离等独立部署轻量化核心网，上联运营商核心网可灵活承载园区内各类电力业务，满足不同程度的隔离需求，但面向广域通信场景，无线网成本太高2.2 控制类业务硬切片设计当电网供需出现较大缺额，需要立即降低负荷需求时，100 万千瓦秒级可中断负荷快速响应系统直接针对预先选定的可中断负荷签约用户下发负荷调节指令，实现秒级负荷调节，确保快速恢复电网供需平衡。为满足电网秒级负控业务 SLA需求（如表 3 所示），需要设计实现端到端 5G 硬切片。秒级负控业务使用定制 DNN，规划高优先级 5QI 值，负控终端经过无线专用 RB 资源、承载 FlexE 通道和本地专享 UPF 转发，安全接入平台进入电力内网，与子站进行交互。表 3 国网秒级负控 5G 硬切片 SLA 需求电力业务 SLA类别上行速率下行速率上行时延下行时延隔离空口优先级生产控制类（负控）广域专网1.5Mbps10Mbps100ms100ms硬切片RB 预留具体包括核心网、承载网和无线网侧的网络切片（如图 2所示），秒级负控 5G 终端签约切片 S-NSSAI，接入无线切片资源，对接承载网专用 VPN+FLEX 通道，根据 5QI 和 DSCP映射关系，实现承载网不同的优先级调度；承载网靠近核心和无线的传输设备转换为 IP+VLAN 进行切片映射，核心网通过 DNN 专线到达负控子站。核心网网络切片实现用户入网注482023.065G天地册和开展业务时的移动性管理（AMF）、会话管理（SMF），核心网下沉 UPF N3 子接口来承载负控切片业务，起 N6 子接口通过 GRE 隧道连通客户内部路由器，实现本地流量分流；无线侧网络切片实现基站按照用户切片选项将用户端设备 UE分配 AMF，基站单独预留 RB 资源，新起 VLAN；承载网使用 FlexE 硬切片通过资源的独占来保障切片的服务质量和业务隔离。当终端做数据业务时，从终端、基站、传输、网关、国网子站实现了端到端的硬件资源专享，从企业视角获得一个逻辑独立的网络，显著提升配网业务可靠性。图 2 国网秒级负控 5G 硬切片设计实现3 基于 RB 资源预留的硬切片测试5G 基站可以为不同的切片组分配不同的 PRB 资源份额，基站调度器根据分配的份额进行资源的调度，5G 网络可通过专用 RB 资源比例、最小 RB 资源比例、最大 RB 资源比例对切片组占用资源进行预留，配置范围 0100%（网管默认最大设置值为 255，实际效果与 100%等同）。基于秒级负控已有的硬切片配置，本次验证将资源策略类型由均值型控制策略（MEAN_ONLY）修改为 TTI 型控制策略（TTI_ONLY），分别测试 NR 900M/2.1G/3.5G 不同资源预留情况下的上下行速率差异以及资源预留生效情况。测试终端 Mate40pro，UE 能力支持 900M 和 256QAM。3.1 5G NR 900M 测试900M 测试小区总带宽 5MHz，子载波带宽 15KHz，小区总 RB 数 25 个，PUSCH 调度粒度最低 4RB，PDSCH 调度粒度最低 2RB（RBG 的倍数：1RBG=2RB），理论上平均PUSCH 最高可用 RB 数 13.8，平均 PDSCH 最高可用 RB 数23.6，本次小区专用 RB 资源预留比例 min=30%。测试用例分别为：case1，单 ToB 用户上行带宽测试；case2，单 ToB 用户下行带宽测试；case3，ToB 和 ToC 用户共存时上行带宽测试；case4，ToB 和 ToC 用户共存时下行带宽测试。测试结果（如表 4 所示）表明 NR 900M 5M 配置下，上下行 RB 资源预留功能正常，且在预留最小 30%资源时，好点上行速率 2M 以上，下行速率可达 9M 以上。表 4 5G NR 900M 资源预留速率测试结果RB ration%（专用资源比例min/最小资源比例avg/最大资源比例max）测试用例900M-5MTTI-onlyPCIRSPPSINRCQIMCSGrantRB/sRB/slotRLC Thr（M）预期调度RB 数情况说明min=avg=max=30用例1差点上传（TOB）73-106.8517.313.415.57716.342865.374.01.6MOK中点上传（TOB）73-95.319.814.5423.767452980.034.02.69MOK好点上传（TOB）73-79.1930.0114.9923.1745.32981.214.02.9OK492023.065G天地min=avg=max=30用例2差点下载（TOB）73-106.5917.3314.817.17875.235238.876.03OK中点下载（TOB）73-92.923.1913.9516.61924.295538.426.08.3OK好点下载（TOB）73-82.7332.0814.922.65943.395654.336.09.8OKmin=30；avg=max=255；两用户并发用例3上传业务（TOB）73-87.3533.8514.9817.72832.486392.17.76.77实际调度RB 数大于 minRB数，符合预期上传业务（TOC）73-TOC 缺少 probe数据，结果可参考2.1G 的测试数据min=30；avg=max=255；两用户并发用例4下载业务（TOB）73-84.5736.5714.9925.29930.811816.2212.725实际调度RB 数大于 minRB数，符合预期下载业务（TOC）73-TOC 缺少 probe数据，结果可参考2.1G 的测试数据（1）上行场景：对于 case1 上行 ToB 用户，当上行MinRBRatio=MaxRBRatio=30%时，从结果看，每 slot 可以调度 4RB，上行 RB 资源预留功能符合预期。（2）下行场景：对于 case2 下行 ToB 用户，当下行MinRBRatio=MaxRBRatio=30%时，从结果看，每 Slot 可以调度 6RB，下行 RB 资源预留功能符合预期。（3）对于 case3，上行 ToB 和 ToC 两用户并发场景，ToB用户实际调度 RB 数/Slot 为 7.7RB，大于 case1 场景 4RB，说明在MaxRB大于MinRB的时候，ToB用户可以使用公共资源，符合预期。（4）对于 case4，下行 ToB 和 ToC 两用户并发场景，ToB用户实际调度 RB 数/Slot 为 12.7RB，大于 case2 场景 6RB，说明在 MaxRB 大于 MinRB 的时候，ToB 用户可以使用公共资源，符合预期。3.2 5G NR 2.1G 测试2.1G 测试小区总带宽 20MHz，子载波带宽 15KHz，小区总 RB 数 106 个，PUSCH 调度粒度最低 4RB，PDSCH 调度粒度最低 8RB（RBG 的倍数：1RBG=8RB），理论上平均PUSCH 最高可用 RB 数 94.8，平均 PDSCH 最高可用 RB 数102.7，本次小区专用 RB 资源预留比例为 min=20%。测试用例分别为：case1，单 ToB 用户上行带宽测试；case2，单 ToB 用户下行带宽测试；case3，ToB 和 ToC 用户共存时上行带宽测试；case4，ToB和ToC用户共存时下行带宽测试。测试结果（如表 5 所示）表明 NR 2.1G 20M 配置下，上下行 RB 资源预留功能正常，且在预留最小 20%资源时，好点上行速率 10M 以上，下行速率可达 35M 以上。502023.065G天地表 5 5G NR 2.1G 资源预留速率测试结果RB ration%（专用资源比例min/最小资源比例 avg/最大资源比例 max）测试用例2.1G-20MRSPPGrantRB/sRB/slotIBLERRBLERRLC Thr（M）预期调度 RB数情况说明min=avg=max=20%用例 1中点上传（TOB）-97.6975.5618200.711910.090.063.99OK好点上传（TOB）-84.66970.2218196.3199.66012.47min=avg=max=20%（=102*0.2）用例 2差点下载（TOB）-103.04936.0514616.461610.21010OK中点下载（TOB）-96.38972.0515184.941610.08020OK好点下载（TOB）-84.85907.1614147.51162.31036.08OKmin=20%；avg=max=255；两用户并发用例 3上传业务（TOB）-88.43971.4850048.825210.03011.77对于 TOB：实际调用52，minRB预留的是 19个 RB，大于min，符合功能预期。对于 TOC 用户：TOC 可调用 RB=95-19=73，实际调度 73，正常。上传业务（TOC）-88.07560.1341165.967310.05010min=20%；avg=max=255；两用户并发用例 4下载业务（TOB）-82.5736.518333.72510.09035实际 TOB 25，minRB是 19 个RB，实际调度的大于预留的，符合功能预期。下载业务（TOC）-82.89995.7176702.7977100136（1）上行场景：对于 case1 上行 ToB 用户，当上行MinRBRatio=MaxRBRatio=20%时，从结果看，每 slot 可以调度 19RB，上行 RB 资源预留功能符合预期。（2）下行场景：对于 case2 下行 ToB 用户，当下行MinRBRatio=MaxRBRatio=20%时，从结果看，每 Slot 可以调度 16RB，下行 RB 资源预留功能符合预期。（3）对于 case3，上行 ToB 和 ToC 两用户并发场景下，ToB 用户实际调用 52 个 RB，大于 minRB 预留的 19 个，符合功能预期；ToC 用户实际调度小于等于 MaxRB 减去 ToB 预留资源，符合预期。（4）对于 case4，下行 ToB 和 ToC 两用户并发场景下，ToB 用户实际调度大于预留的 19 个 RB，符合功能预期；ToC用户实际调度小于等于MaxRB减去ToB预留资源，符合预期。3.3 NR 3.5G&900M 摸高测试在 RB 资源预留生效前提下，进行上下行硬切片速率摸高测试（如表 6、表 7 所示）。测试表明 900M NR 在预留30%专用资源情况下，上行最大速率 3.4M，下行最大速率10.5M，接近理论峰值；3.5G 100M NR 目前厂家设备仅支持上行专用预留 2%，测试上行速率 2.9M，下行专用预留 6%，测试速率可达 65M。512023.065G天地表 6 5G NR 3.5G 资源预留速率摸高3.5G NR速率摸高配置%（专用资源比例min/最小资源比例 avg/最大资源比例 max）近点摸高上行2/255/25538.93M157M2/2/22.28M2.86M下行6/255/255770M880M6/6/652M65M表 7 5G NR 900M 资源预留速率摸高900M NR速率摸高配置%（专用资源比例 min/最小资源比例avg/最大资源比例 max）速率MCS预期上行30/30/303.4M26.97接近峰值下行30/30/3010.5M26.97接近峰值（1）上下行 RB 预留不配置 max 时（即 UL：2/255/255，DL：6/255/255），ToB 用户可以抢占更多的 RB 资源，流量也更高，速率摸高也接近峰值，符合预期。（2）上下行 RB 预留配置 max 时（即 UL：2/2/2，DL：6/6/6），ToB 用户仅使用预留的 RB 资源，流量也接近峰值速率乘百分比，说明 RB 预留功能生效。3.4 5G NR 900M 测试总结总体测试结果表明：RB 资源预留功能生效，在 NR 900M场景下，配置专用 RB 资源预留比例 30%，好点上行速率达到2M 以上，可满足电力秒级负控业务广域接入需求；而在深度覆盖区域，NR 2.1G 和 3.5G 均可较好的满足国网业务需求，从而实现 900M 广域打底+5G 中频热点吸收的覆盖效果。后续厂家基站版本会支持 1RB 调度，满足电业务诉求前提下也可支持配置更少的预留资源。4 面向 5G 切片的共建共享新模式探索中国联通和中国电信采用共建共享方式部署 5G，针对广域泛在的硬切片接入业务需求，在保障不同 ToB 用户/业务差异化感知的基础上，还需考虑双方在无线资源、承载资源使用的公平性，基于上述 5G NR 900M 频段 RB 资源预留硬切片测试结果，面向未来提出三种可以推进实施的非承建区广域接入方案。（1）依托 5G NR 900M 广域泛在接入能力，根据硬切片接入业务需求点位，在非承建区推进智能城域网及 NR 900M站点建设。（2）在公平互换的基础上，推进非承建区智能城域网及3.5G 站点承载网双挂建设，可考虑将电信承载区 3.5G 宏站同步接入联通智能城域网，实现承载网和核心网本网硬切片功能。（3）结合 ToB 泛在业务需求覆盖点位，与电信协商承载网租赁模式以及 5G 基站等资源置换。5 结束语5G 切片在智能电网的应用探索，已经取得了很多成果，5G 切片为电网提供了一张灵活调度的专用网络，提供了高强度安全隔离和定制化资源保障。面向智能电网的广域泛在终端 5G 硬切片接入需求，本课题深入研究业务应用场景，针对国网电力生产大区控制类业务设计实现高可靠的端到端 5G 硬切片，完成基于 NR 900M 的广域 5G 硬切片接入测试，提出三种基于 5G 硬切片的共建共享新模式，本次实践作为浙江省内首个智能电网应用 5G 专网广域硬切片技术的典型案例，可供其他省份或垂直行业参考。参考文献：1伍嘉，王志会，刘凡栋.5G端到端切片实现技术探讨J.邮电设计技术.2020，（9）：12-17.2 李一，田元兵，龙青良，郑雨婷等.5G 共建共享网络下的无线切片技术研究 J.邮电设计技术，2021（11）：16-22.3 方琰崴，陈亚权，李立平，等.5G 网络切片解决方案和关键技术 J.邮电设计技术.2020（3）：70-74.4 刘珊，韩潇，黄蓉.面向 5G 的无线侧网络切片发展与研究 J.邮电设计技术，2020（1）：45-49.5 张海涛.基于中继的 5G 无线网覆盖增强方案研究 J.移动通信，2019，43（06）：31-35.6 彭登，姚光韬.5G 网络切片技术研究及应用 J.信息技术与信息化.2021（1）：202-205.7 田涛.5G 网络切片技术的管理与 5G 组网应用分析 J.中国新通信，2021，23（8）：31-32.作者简介：孟亚魁（1990），男，河南驻马店人，中级工程师，学士；研究方向：无线网络优化和交付。通讯作者：王群青（1975），女，浙江金华人，高级工程师，硕士；研究方向：5G 创新网络和差异化业务的端到端解决方案、5G 专网及 MEC 领域。（收稿日期：2023-04-06；责任编辑：赵明亮）