5G公网承载电力业务的方案研究

向 明，廖 华，曹 军

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210006）

0 引 言

随着国家信息化战略推进及国网公司坚强智能电网的持续建设，电力营销和运检等专业对无线网络的支撑提出更高要求。3G和4G引领大数据的时代进入了5G智能时代，业务推进托管网络技术成为必不可少的要素，因此发挥着举足轻重的作用。

1 基于租用5G无线公网的电力业务统一承载方案

1.1 5G承载网的技术

在新的网络信息时代，网络终端不断变化和升级，移动互联网的开发从早期形式到今天一直在大幅增长，承载网络技术满足5G的发展需求，同时提高了发展的稳定性，扩大了移动互联网的规模。

1.2 总体组网架构

为满足国网公司对整体无线网络的可管可控要求，实现远程抄表、配电自动化、在线监测、移动作业以及视频监控等业务规范接入，统一承载方案采用3层网络结构，分为接入层、运营商层以及电力网络层，总体架构如图1所示。

图1 总体架构

1.3 5G承载网关键技术

无线业务依托无线公网进行业务数据传输时，采用光传送网技术。光纤和设备是整个承载网络中时延产生的主要来源，光传输的距离主要影响的是业务端到端传输的时延，因此缩短传输距离是提升网络运行效率的重要措施。

依靠虚拟通道承载加密封装后的业务数据，在隧道终点解封装并还原业务数据格式后经由专线接入电力信息系统。业务终端依托运营商网络接入，可采用专线APN或VPDN拨号2种方式。

1.3.1 APN接入

此方法适用于对安全性要求不高的业务终端接入，基本要求有以下3点。一是采用电力专用APN接入，二是APN使用原则宜按照业务的安全等级进行分类，不同安全区的业务使用不同的APN接入，三是应支持IP地址静态分配和动态分配。

1.3.2 VPDN拨号接入

此方法适用于对安全性要求较高的业务终端接入，对接入的终端进行强身份认证。虚拟专用拨号网络VPDN的接入方法及系统技术方案如图2所示，基本要求如下。首先VPDN拨号接入应采用L2TP隧道技术，其次各网省公司宜自建LNS及AAA认证服务器，最后应支持IP地址静态分配和动态分配。

图2 虚拟专用拨号网络VPDN的接入方法及系统技术方案

VPDN拨号接入方式的流程如下。业务终端向服务支持节点发送附着请求，携带APN等信息。服务支持节点向鉴权中心请求鉴权，由鉴权中心响应服务支持节点的鉴权请求。若鉴权通过，则业务终端附着成功；若鉴权未通过，则拒绝业务终端接入。其后终端发送激活网络的请求，携带APN、用户名以及密码等信息。服务支持节点将终端的网络激活请求转发到LAC，由LAC与LNS建立L2TP隧道。LAC将终端的用户名和密码转发到LNS认证，LNS将终端的用户名和密码转发到AAA服务器认证，AAA服务响应LNS的认证请求后，返回认证结果。此外，LNS响应LAC的认证请求，若认证通过则接受终端的网络激活请求并分配IP地址，否则拒绝终端的网络激活请求。LAC响应终端的网络激活请求且服务支持节点响应终端的网络激活请求表示网络连接建立成功。

2 5G网络室内覆盖解决方案分析

2.1 传统室分解决方案

在过去2G/3G/4G网络建设中，室内信号覆盖均采用同轴电缆传输和无源器件功率分配方案，构成传统室分系统可以通过合路器合路实现网络共建共享。而在5G网络室内覆盖方面，按照相关部门发布的规定，5G在室内使用的频段上限为3 300～3 400 MHz，如果采用传统室分系统无法对网络容量进行扩大。因为在该频段内，1/2馈线100 m的传输损耗能够达到15 dB，7/8馈线也将达到8 dB。在频段提升的过程中，同轴电缆损耗大幅度增加。在无源分布系统中，无源器件支持频段最高为2.7 GHz，无法为3.5 GHz及以上频段提供支持，难以实现封闭式覆盖。在天线配置方面，5G可以使用MIMO技术，但是单通道腔无法为技术实现提供支持，还要采用双通道MIMO室分系统为2×2MIMO模式提供支持，利用单独腔室将信号传输至天线，尽管能够提高数据传输效率，却面临较大部署难度[1-4]。早馈线传播的过程中将产生较大损耗，导致室内布线节点大幅度增加，天线过于稠密，给室内空间协调带来困难。此外，传统室分系统无法实现边缘计算，缺乏开放性，也将给5G室内应用带来影响。因此从总体上对传统室内系统进行改造或新建，都将给5G网络室内覆盖带来困难。

2.2 小基站解决方案

结合5G网络室内覆盖问题，小基站解决方案得以被提出。而结合不同的室内应用场景，该方案可以进一步划分为分布式小基站和扩展型小基站，采用不同的信号传输技术。

2.2.1 分布式小基站

分布式小基站主要依靠光纤或电缆进行信号传输，可以与多个系统组合在一起，完成多通道信号发生，为双通道电流独立调输提供支持。结合网络带宽要求，可以采用光电复合电缆或六类线等进行终端单元信号传输，在MIMO升级阶段也无需设置新的RF馈线通道[5-7]。通过升级原本链路，能够完成不同MIMO网络组建。在封闭的室内场景中，采用该方案能够使信号有效覆盖，并且使信号的室外传输问题得到解决，促使系统损耗得到降低。

2.2.2 扩展型小基站

采用扩展型小基站解决5G网络室内信号覆盖问题，可以利用基带拉远分布室分系统为多模提供支持。采用BBU基带将容量直接拉远，并实现末端设备的微型化处理，利用pRRU完成基带信号，实现信号数模转换，能够使信号通过天线发射。而RHub用于接收BBU发射的下行基带数据，能够通过分路处理后向pRRU传输，并将其上行数据进行合路处理，发送给BBU。在大型室内场景中，应用该方案可以达到125～500 mW的传输功率，直径能够达到200 m，通过提供运营级别的信号覆盖功能满足各种业务开展需求。通过与无线网络结合，则能使“最后1 km”的信号传输问题得到解决，使网络得到灵活连接，继而使基站运营和维护成本得到有效控制。

2.3 方案综合比较分析

从5G室内覆盖设计角度来看，还应在满足5G业务开展需要的同时，使技术发展保持较高灵敏度，能够使新型移动接入网得到灵活配置与拓展，从而使资源利用能够满足设备容量和频谱源等各方面的要求。因此在提出室内覆盖解决方案时，还要结合具体场景进行布局，在降低运维成本的同时，加强对各种场景的智能管理，推动技术的创新发展。结合5G网络室内覆盖需求，还要加强几种解决方案的分析比较，以便为未来解决5G业务开展问题提供科学思路。

2.3.1 链路损耗比较

从链路损耗角度展开分析，可以将5G网络频谱设定为2.6 GHz，在写字楼标准层等封闭场景穿透损耗为16 dB，大堂等开阔场景损耗为11 dB，传播余量设定为3 dB。采取传统室分系统，最大允许路径损耗能够达到93 dB，在封闭类场景中自由空间传播损耗能够达到74 dB，余量传播距离为8 m；在开阔场景中自由传播损耗为79 dB，余量传播距离达18 m[8-10]。采取分布式小基站，不同场景的最大允许路径损耗为100 dB，在开阔场景和封闭场景自由损耗分别为86 dB和81 dB，余量传播距离分别为32 m和14 m。采用扩展型小基站，最大允许路径损耗为98 dB，在开阔场景和封闭场景自由传播损耗分别为84 dB和79 dB，余量传播距离分别为28 m和12 m。相比较而言，分布式小基站信号损耗较小，传播距离更大，其次则为扩展型小基站，而传统室分系统解决方案的损耗最大，传播距离也最小。

2.3.2 建设效果比较

在方案实施阶段，采用传统室分系统约90%的DAS系统属于单路，能够为2×2MIMO和SISO提供支持。在建设过程中，为支持2.6 GHz频谱，需要完成天线、合路器以及电桥等器件的更换，建设难度不高，但由于无法进行信号传输监控，因此难以对网络信号传输故障进行定位。在建设分布式小基站时，需要增设rHUB/pRRU，将线缆更换为光电复合缆，能够为4×4MIMO提供支持，但需要耗费较高建设成本，能够实现设备故障监控和定位，为信号可靠传输提供保障。从性价比角度进行思考，同时考虑室外密集场景的信号覆盖问题，可以选用大功率基带拉远产品，在楼顶和墙面等位置进行灵活安装，使室外宏站区域覆盖问题得到解决，同时解决室内信号覆盖问题，达到实现基站一体化覆盖的目标。

3 结 论

本文通过分析国网公司租用无线公网进行承载的业务集中可管可控能力较弱、安全性较低以及租赁费偏高等问题，提出一种基于租用无线公网的电力业务统一承载方案。通过分析，新方案的组网架构规范标准，利用运行支撑平台的集中管理能力，提升了网络的管控性与安全性。同时，通过对比分析，新的统一承载方案充分利用了公共网络与国网公司现有网络资源，通过规模集中效应，可获得运营商更好的资费优惠。此外，从5G网络室内覆盖解决方案综合比较情况来看，小基站在解决室内信号覆盖问题上具有较高性价比，覆盖方法较为灵活有效，因此相信未来能够得到广泛应用。