王 亭，胡煥明，戴曉締

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，北京 100070）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展以及通信網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，整合現(xiàn)有頻率資源、獲取更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬、引進(jìn)新的技術(shù)體制以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都是未來(lái)電力無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司積極建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，提升電網(wǎng)本質(zhì)安全水平。通過(guò)實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，全面提升電網(wǎng)信息化和智能化水平，充分利用現(xiàn)代信息通信技術(shù)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)展的安全、清潔、協(xié)調(diào)以及智能，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供可靠的電力保障[1]。

4G改變生活、5G改變社會(huì)。在助力以電網(wǎng)為代表的傳統(tǒng)行業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)方面，5G即將擔(dān)負(fù)起重要責(zé)任。在5G時(shí)代，超大帶寬、超低時(shí)延、海量連接的三大技術(shù)特性將徹底改變傳統(tǒng)垂直行業(yè)的核心經(jīng)營(yíng)理念及工作方式，豐富多樣的垂直行業(yè)應(yīng)用也將反向助力于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，帶來(lái)更加多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求，傳統(tǒng)電力行業(yè)需要全面提升其運(yùn)營(yíng)效率和智能化水平等，整合上下游市場(chǎng)資源，為不同的電力應(yīng)用打造一個(gè)“專(zhuān)屬”的行業(yè)生態(tài)聯(lián)盟[2]。

1 5G性能指標(biāo)分析

在網(wǎng)絡(luò)性能方面，5G將帶來(lái)10～20 Gb/s的網(wǎng)絡(luò)峰值速率、100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率、100萬(wàn)/km2的連接數(shù)密度、1 ms的空口時(shí)延、500 km/h的移動(dòng)性支持以及10 Mb/s/m2的流量密度。相比現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，其頻譜效率提升了3～5倍，能效提升了近百倍[3]。IMT-2020不同應(yīng)用場(chǎng)景下的關(guān)鍵性能指標(biāo)具體如圖1所示。

圖1 IMT-2020不同應(yīng)用場(chǎng)景下的關(guān)鍵性能指標(biāo)

2014年，在IMT-2020（5G）推進(jìn)組頒布的《5G愿景與需求白皮書(shū)》中，提出了5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)，具體如表1所示[4]。

表1 5G性能指標(biāo)

2015年，在IMT-2020（5G）推進(jìn)組頒布的《5G概念白皮書(shū)》中，定義了5G網(wǎng)絡(luò)主要場(chǎng)景與關(guān)鍵性能指標(biāo)的目標(biāo)值，如表2所示[5]。

表2 5G主要場(chǎng)景與關(guān)鍵性能

隨著5G業(yè)務(wù)對(duì)速率、時(shí)延、覆蓋、頻譜、移動(dòng)性及容量等KPI的要求很高，具體如如圖2所示。峰值速率由1 Gb/s提高至20 Gb/s，用戶體驗(yàn)速率由50 Mb/s提高至100 Mb/s，空口時(shí)延由10 ms降低至0.5 ms，連接數(shù)密度提高至100萬(wàn)/km2，移動(dòng)速度提升至500 km/h[6]。

圖2 5G KPI指標(biāo)

2 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)支持程度

2.1 電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制

在3G和4G時(shí)代，由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較高，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)承載能力有限，因此電力系統(tǒng)信息安全保護(hù)難度較大，無(wú)法做到精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制。然而5G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)和連接范圍廣等特點(diǎn)可以有效滿足電力系統(tǒng)在差動(dòng)保護(hù)、精準(zhǔn)負(fù)荷管控等方面需求，使電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每一個(gè)開(kāi)關(guān)精準(zhǔn)、快速地進(jìn)行控制，在遇到緊急情況是，可以選擇優(yōu)先切斷非重要負(fù)荷，最高程度的降低損失[7]。

2.2 信息即時(shí)采集

智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)大數(shù)據(jù)分析去實(shí)現(xiàn)。電網(wǎng)信息采集點(diǎn)多且面廣，但由于目前受限于網(wǎng)絡(luò)容量、帶寬以及連接數(shù)等因素，信息采集較為單一，數(shù)據(jù)收集量少且時(shí)效性不高，因此無(wú)法進(jìn)行合理化的信息分析以達(dá)到準(zhǔn)確判斷。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，采集需求也將由“小”到“大”，采集內(nèi)容向視頻化和高清化發(fā)展，采集頻次呈量級(jí)增長(zhǎng)，由天或者小時(shí)進(jìn)化為分鐘級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集。

2.3 分布式電源接入

多種分布式能源的并網(wǎng)，使電網(wǎng)從一個(gè)單電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成多電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然我國(guó)分布式電源發(fā)展迅速，但分布式電源存在業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)多、海量的數(shù)據(jù)難接入以及難以有效進(jìn)行分布式能源調(diào)控等問(wèn)題。而5G網(wǎng)絡(luò)憑借高速率、高可靠、全覆蓋以及智能化的特點(diǎn)，可有效地解決分布式電源量大且分散的問(wèn)題，同時(shí)提供雙向無(wú)線高速通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，為分布式電源的有效接入提供了保障[8]。

2.4 智能電網(wǎng)大視頻應(yīng)用

由于通信網(wǎng)絡(luò)的限制，目前采用局域網(wǎng)接入環(huán)境下的巡檢機(jī)器人無(wú)法實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。無(wú)人機(jī)因有效控制范圍限制無(wú)法遠(yuǎn)距離作業(yè)，配電房視頻監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)管控受限寬帶及時(shí)延等因素，這些都極大地限制了人工智能的應(yīng)用。而5G網(wǎng)絡(luò)利用其技術(shù)特性可以有效解決上述問(wèn)題，助推智能電網(wǎng)大視頻應(yīng)用。

3 建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)資源需求分析

5G在組網(wǎng)架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)、設(shè)備參數(shù)以及技術(shù)指標(biāo)等方面都有了很大的變化和提升，對(duì)天面、電源、機(jī)房以及傳輸?shù)然A(chǔ)資源需求也有了較高的要求。

3.1 天面需求

不同于4G網(wǎng)絡(luò)，5G時(shí)代中RRU和天線合二為一演變?yōu)锳AU，4G和5G基站架構(gòu)對(duì)比如圖3所示。

目前，AAU的主要類(lèi)型包括64TR、32TR以及16TR等，適用于各種不同場(chǎng)景。5G建設(shè)初期，主要以密集場(chǎng)景為主，采用64TR和192天線振子。

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)多家主流設(shè)備廠商的初期商用設(shè)備相關(guān)參數(shù)可知，各廠家的5G AAU設(shè)備差異度小，且在重量和迎風(fēng)面積方面與現(xiàn)有4G RRU+天線基本相當(dāng)。參照4G設(shè)備參數(shù)建成的天線架設(shè)物，AAU原則上可以直接掛放。國(guó)內(nèi)主流廠商5G商用設(shè)備物理參數(shù)如表3所示。

圖3 4G和5G基站架構(gòu)對(duì)比圖

表3 國(guó)內(nèi)主流廠商5G商用設(shè)備物理參數(shù)

3.2 電源和機(jī)房需求

以64TR設(shè)備為參考。64射頻通道，每通道發(fā)射功率3 W，總發(fā)射功率200 W，預(yù)計(jì)單個(gè)AAU最大功耗約1 500 W，遠(yuǎn)高于現(xiàn)網(wǎng)RRU（約250 W）。單站3扇區(qū)，總功耗約達(dá)4 500 W。

3.2.1 AAU供電

天面AAU供電三扇區(qū)需提供3～4.5 kW/4.5～5 kW直流供電，天面供電須滿足5G AAU設(shè)備供電要求，具體需求依據(jù)廠家設(shè)備功耗進(jìn)行滿足。如果DU靠近天面，建議從DU處引電。如DU遠(yuǎn)離天面，須就近引電。

3.2.2 CU、DU電源及機(jī)房

DU按1 kW、CU按2 kW提供直流供電，具體需求依據(jù)廠家設(shè)備功耗進(jìn)行滿足。DU和DU或CU合設(shè)時(shí)一般放置在基站機(jī)房或接入網(wǎng)機(jī)房，采用規(guī)模集中的方式，機(jī)房面積和相應(yīng)配套設(shè)施要滿足相應(yīng)要求。DU和CU分設(shè)時(shí)，CU一般放置在匯聚機(jī)房或核心機(jī)房，CU云化后，硬件采用通用架構(gòu)，對(duì)機(jī)房條件要求較高。

3.3 傳輸需求

5G基站設(shè)備按照功能劃分為3個(gè)實(shí)體，分別為CU、DU以及AAU，形成了兩級(jí)前傳和一級(jí)回傳的傳輸架構(gòu)，傳輸架構(gòu)如圖4所示。相關(guān)的接口主要包括前傳、中傳以及回傳。其中，回傳接口為CU到5GC的接口，中傳接口為DU到CU之間的接口，前傳接口為DU到AAU的接口。下面分析各階段傳輸?shù)膸捫枨蟆?/p>

圖4 5G傳輸架構(gòu)示意圖

3.3.1 前傳帶寬需求

5G前傳帶寬需求與采用的傳輸協(xié)議相關(guān)，按照現(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)的CPRI接口協(xié)議進(jìn)行測(cè)算?，F(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)20 MHz帶寬、2×2MIMO條件下帶寬需求為2.5 Gb/s，初步評(píng)估5G前傳帶寬需求為100 MHz帶寬提升5倍，傳輸速度需求提升5倍至12.5 Gb/s，Massive MIMO實(shí)現(xiàn)64T64R，數(shù)據(jù)流數(shù)提高32倍至400 Gb/s。如果只支持到16流，則帶寬需求為200 Gb/s。

5G前傳接口與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的CPRI接口類(lèi)似。但是由于5G傳輸數(shù)據(jù)流數(shù)和帶寬的數(shù)倍提升，傳輸帶寬需求也會(huì)帶來(lái)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，因此傳統(tǒng)的CPRI接口協(xié)議難以滿足傳輸需求，可以采用eCPRI接口協(xié)議。CPRI接口與eCPRI接口的區(qū)別主要是eCPRI接口將部分物理層功能前置到AAU側(cè)，大大降低了前傳鏈路的帶寬需求。CPRI接口與eCPRI接口的切分點(diǎn)示意如圖5所示。

圖5 CPRI接口與eCPRI接口切分點(diǎn)示意圖

CPRI和eCPRI屬于廠家內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)施部署時(shí)，根據(jù)未來(lái)光模塊成本和光纖資源情況等確定具體方案。目前，主流廠家都支持這兩種方式，只是對(duì)于eCPRI接口物理層切分點(diǎn)的選擇不同。業(yè)界比較統(tǒng)一的口徑為采用CPRI接口時(shí)，前傳帶寬需求為100 Gb/s，采用eCPRI接口時(shí)，前傳帶寬需求為25 Gb/s。5G網(wǎng)絡(luò)引入后，無(wú)論采用CPRI接口還是eCPRI接口，前傳帶寬都在20 Gb/s以上，無(wú)法繼續(xù)實(shí)現(xiàn)RRU的級(jí)聯(lián)。對(duì)傳輸光纖纖芯數(shù)量的需求增大，相比單載波RRU級(jí)聯(lián)的4G基站纖芯需求增加了4～6倍，相比三載波RRU級(jí)聯(lián)的4G基站纖芯需求增加了2～3倍。

3.3.2 中、回傳帶寬需求

中傳主要是DU與CU之間的傳輸接口，傳送數(shù)據(jù)為PDCP層以上數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量與回傳接口需求類(lèi)似。5G建設(shè)初期，DU和CU合設(shè)，不存在這個(gè)接口。DU一般部署在綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，CU部署于匯聚節(jié)點(diǎn)。在3.5 GHz頻段，100 MHz帶寬下，不同配置的設(shè)備傳輸帶寬也不盡相同，以64TR為例，其單站峰值傳輸帶寬為6 Gp/s；單站均值傳輸帶寬為2.1 Gb/s。因此，需根據(jù)單站配置和基站規(guī)模，合理配置傳輸資源。

4 租用5G公網(wǎng)與自建5G專(zhuān)網(wǎng)比較

5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力高壓系統(tǒng)應(yīng)用中主要有租用運(yùn)營(yíng)商5G公網(wǎng)和自建5G專(zhuān)網(wǎng)兩種模式。下面從組網(wǎng)安全性、建網(wǎng)成本、頻率資源需求以及業(yè)務(wù)范圍等方面進(jìn)行分析。

4.1 組網(wǎng)安全性

電力系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全性要求極高，電網(wǎng)公司自建5G無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)可以根據(jù)自身行業(yè)需求，進(jìn)行個(gè)性化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用，與公眾網(wǎng)絡(luò)相隔離，杜絕潛在隱患，從而滿足系統(tǒng)安全需求。而5G公網(wǎng)由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)部署，電網(wǎng)公司只能租用其資源開(kāi)展相關(guān)電力業(yè)務(wù)，期間可能存在運(yùn)營(yíng)商基站或后臺(tái)系統(tǒng)故障、傳輸通道阻塞以及交互數(shù)據(jù)監(jiān)管困難等問(wèn)題，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

4.2 建網(wǎng)成本

2019年是國(guó)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)元年。目前，5G設(shè)備及終端產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展尚不成熟，設(shè)備造價(jià)昂貴，單獨(dú)部署一張完善的5G網(wǎng)絡(luò)，須考慮基站、傳輸接入、機(jī)房配套以及核心網(wǎng)等各環(huán)節(jié)，建網(wǎng)成本較高，且建設(shè)周期較長(zhǎng)。租用5G公網(wǎng)資源，可利用運(yùn)營(yíng)商部署的完善的5G網(wǎng)絡(luò)，在短期內(nèi)通過(guò)投入相對(duì)較低的成本而達(dá)到預(yù)期的建設(shè)效果[10]。

4.3 頻率資源需求

3GPP針對(duì)5G頻段范圍進(jìn)行了定義，目前5G制式支持的頻段分成了FR1和FR2兩個(gè)范圍。FR1的頻率范圍為450～6 000 MHz，F(xiàn)R2的頻率范圍為24 250～52 600 MHz。2019年6月6日，工信部正式向國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商發(fā)放5G商用牌照。中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通均獲分配3.5G頻段的100 MHz帶寬，中國(guó)移動(dòng)獲分配2.6G頻段和4.9G頻段的共260 MHz帶寬，使得5G公網(wǎng)建設(shè)具備了最基礎(chǔ)的頻段資源。但目前電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)主要采用230 MHz和1.8 GHz頻段。其中，230 MHz頻段尚不在3GPP定義的5G頻段范圍內(nèi)，因此如需進(jìn)行大規(guī)模的5G電力專(zhuān)網(wǎng)部署，頻段資源將成為瓶頸。

4.4 業(yè)務(wù)范圍

電力無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要用于高壓電力塔與控制設(shè)備間相關(guān)數(shù)據(jù)的回傳，不追求通信速度，但追求通信廣度，點(diǎn)多面廣。無(wú)線公網(wǎng)建設(shè)與用戶分布緊密相連，5G公眾網(wǎng)絡(luò)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將集中部署于市區(qū)和縣城等人口聚集區(qū)。而電力無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要跟著能源走，跟著電力桿塔設(shè)備走，無(wú)論是在塔爾干沙漠還是在青藏高原，只要有電力設(shè)施的地方就需要電力無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這種地方對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)不值得投入，但對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)既是管理的需要，也是一種開(kāi)荒破土的社會(huì)責(zé)任。

5 結(jié) 論

分析得出，5G無(wú)線公網(wǎng)頻段資源豐富且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，因此運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)范圍內(nèi)已初具規(guī)模，并在不斷遞增中。租用5G公網(wǎng)在短期內(nèi)的建設(shè)投入相對(duì)較低，其超低時(shí)延和高可靠性的信息傳輸，在用電信息收集和應(yīng)急搶修等方面更具優(yōu)勢(shì)。但由于安全性和主動(dòng)權(quán)方面的限制，更適合應(yīng)用于一些不具備控制功能且要求高帶寬和低時(shí)延的配用電業(yè)務(wù)，或投資成本有限的臨時(shí)應(yīng)急業(yè)務(wù)。5G無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)在安全性和通信質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)及建設(shè)成本和頻段資源方面的劣勢(shì)，使其適用于安全性高但數(shù)據(jù)容量小的電力物聯(lián)網(wǎng)采集和控制業(yè)務(wù)。不論是5G電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)還是5G無(wú)線公網(wǎng)，兩者在電力無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用都各有優(yōu)勢(shì)，結(jié)合兩者的特點(diǎn)及電力公司的實(shí)際應(yīng)用需求綜合考慮，將有助于5G網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的更好發(fā)展。