电力5G低时延技术在电力系统中研究与应用

丁 哲，于 佳

（1.国网连云港供电公司，江苏 连云港 222000；2.国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

5G 是最新一代蜂窝移动通信技术，实现了由个人移动应用向行业应用的转变，5G 的最大价值在于驱动各行各业的数字化转型。5G 的增强移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB）、高可靠低时延连接（ultra reliable low latency communications，uRLLC）和海量物联（massive machine type communication，mMTC）三大典型应用场景和电力业务接入需求高度契合，能够满足电力的业务需求和场景需求［1-3］。

国家电网有限公司提出加强5G 的场景应用模式。但是目前5G 行业应用模式还在探索阶段，为此，电力公司、运营商以及设备商开展了一些研究工作［4-8］，但相关研究工作没有体系化，缺少具体可行的技术方案。因此，5G 网络在电力行业应用还有许多技术问题迫切需要解决［9-12］。

针对上述问题，开展5G 低延时、低抖动技术和5G 承载调控业务的关键技术研究，形成5G 承载电力控制业务的核心技术。另外，5G 在电力行业应用，将有力支撑“新能源、新业务”大规模接入、“电网控制”向末端拓展，以及“信息数据”爆发式增长，激发电力新的业务场景需求，促进物联网技术的发展［13-16］。

1 电力5G终端低时延抖动支撑技术

1.1 电力切片需求分析

智能电网uRLLC 场景下差动保护指标：带宽要求大于2 Mbit/s，通信端到端延时小于12 ms（单向），时延抖动在±50 μs，终端间信息交互时必须携带高精度时间戳，时间同步精度10 μs，可靠性99.999%［17］。

智能电网uRLLC 场景下精准负荷控制指标：精准负荷控制业务要求秒级和分钟级系统单个终端至主站间约48.1 kbit/s～1.13 Mbit/s 的带宽，通信端到端延时小于50 ms（单向），可靠性99.999%［18］。

uRLLC 场景的业务对时延要求较为严格，要求端到端时延低于50 ms，对通信可靠性要求不低于99.999%、端到端硬切片、独享切片网络资源，要求和管理大区业务完全隔离，资源独享，物理隔离或准专网的水平。业务终端到业务终端（不经过主站，需要边缘计算）永久在线，高频通信，可采用客户前置设备（customer premise equipment，CPE）对接，要求具有灵活通信接口。

1.2 端到端时延分析

当前通信系统的总单向传输时间可以表示为

式中：TRadio为基站与终端之间的传输时间，受到基站终端和环境的影响；TBackhaul为在基站和核心网络之间建立连接的时间，核心网通过光纤、微波或者铜线与基站连接，光纤的延时大于微波的延时；TCore为核心网络的处理时间；TTransport为核心网络和互联网/云之间数据通信的延迟。TRadio由传输时间、基站和终端的处理时间和传输的时延组成。基站的延时主要由干扰、信道编码、信道调制等因素构成。终端的上行链路会受到信道编码、码块分段、信道交织器等因素的影响。传播时延主要受障碍物和传输距离的影响。

TRadio为传输时间、传播延迟、处理时间（首次信道估计、编码和解码时间）和重传时间（由于丢包）的总和。对于特定用户TRadio可以表示为

式中：tQ为排队延迟；tFA为由帧对齐引起的延迟，取决于帧结构和双工模式（即频分双工和时分双工）；ttx为传输处理的时间，有效载荷传输根据无线电信道条件；tbsp为基站的处理延迟；tmpt为用户终端的处理延迟。基站和用户终端延迟都分别取决于基站和用户终端的能力。

5G R16 技术是实现工业互联网信息技术和操作技术深度融合的基础技术，对5G 的工业互联网的发展具有重要意义。5G R16 将实现端到端网络时延小于10 ms，以服务时间敏感型应用。在整网时钟同步的基础上，为了减小数据包的传输抖动，终端访问网络（terminal access network，TAN）交换机支持软件定义网络时延。时延定义范围（10 ms＜TDelay＜1 s）、刻度1 ms、抖动小于1 ms。

1.3 改善端到端系统时延的方法

根据国际电信联盟的规定［19］，对于低延迟通信，T不应超过0.5 ms。无线电传输时间T应设计为百微秒量级。为此，5G 对无线电接入网（radio access network，RAN）的各个领域进行增强，例如数据包/帧结构、调制和编码方案、新的波形设计、传输技术和符号检测［11］。

为减少TBackhaul的延迟，可以采用回程技术、缓存网络等方法。

对于TCore来说，采用由软件定义网络（software defined network，SDN）、网络功能虚拟化（network function virtualization，NFV）组成的核心网络以及各种智能方法可以显著降低其延迟。

对于TTransport来说，启用边缘计算、云缓存等方法可减少其延迟。

解决方案分为三大类：RAN 解决方案［20］，核心网络解决方案，缓存解决方案。RAN 解决方案包括新的或修改的帧或数据包结构、波形设计、多址技术、调制和编码方案、传输方案、控制信道增强、低延迟符号检测、毫米波聚合、云RAN、增强服务质量（quality of service，QOS）和通信领域体验质量（quality of experience，QOE）、能量感知延迟最小化和位置感知通信技术。针对核心网络提出了新的实体，如SDN、NFV、移动边缘计算技术（mobile edge computing，MEC）和雾网络以及基于回程的新解决方案。回程解决方案可以分为通用和毫米波回程。在以下部分中，将更详细地描述这些解决方案。

TAN 交换机支持异构网络（5G/WiFi6/有线等）的并行通信，旨在帮助关键业务实现在不同网络之间无缝切换，同时提高了端到端设备之间的通信可靠性［21］。通信过程为由地面的TAN 控制器将收到的数据包进行复制操作，复制出的副本数据包同时被不同的网络转发，最终由接收侧的TAN 交换机对收到的所有副本进行仲裁并转发数据给目的设备。

TAN 网络可以帮助工业5G 网络增强可靠性，关键业务端到端的通信时延降低超过10%、丢包率降低超过50%。地面控制中心（主站）和移动端（从站）之间的控制数据同时用5G 网络的两条不同链路承载。TAN 交换机和控制器的双发选优功能实现了5G 网络的无缝冗余且极大降低了通信丢包率。

2 支持高精度授时的电力5G低时延终端

2.1 TAN双路径传输技术

TAN 双路径传输技术（双发选优）是基于以太网数据链路层实现，通过对二层“数据帧”的特殊标识实现在传输过程中对数据帧进行复制和删除操作，以增强数据冗余性，如图1 所示。数据链路层的双发选优技术有更高的传输效率、更安全的传输过程和良好的设备兼容性。

图1 5G低时延双发选收原理Fig.1 The principle of double-emission and selective-receiving with 5G low latency

工业网关主要由TAN 终端交换板和两个5G 模组构成，TAN 交换板可以将收到的数据帧进行复制操作，复制后的两份相同数据帧分别由两个5G 模组通过空口上传至核心网。核心网再将完全相同的数据帧转发至TAN 确定性控制器，由控制器对冗余数据帧进行仲裁后，只保留、转发其中的一份数据帧。被转发的数据帧会再经过控制器的复制，复制后的两份数据帧会转发到目的工业网关的两个5G 模组，再由交换板进行仲裁后，只转发一份数据帧给目的业务设备。

TAN 无线双路径传输使两台5G 工业网关之间通信实现了数据冗余，即使在传输过程中一个5G 模组出现故障或某一条空口链路不稳定，也不会影响另外一路的正常通信，即实现了双路径零自愈无线网络。

无线双路方案能够解决无线通信的顽疾问题：环境干扰通信，造成数据丢失。双路径的核心是双份数据，在目的地会进行相互补充，一个方向的数据被干扰，另一个方向能够进行补充，降低丢包率。双路径方案，轨道前后的两个无线访问节点同时工作，不存在切换动作，因此，不会产生由于无线访问节点切换造成的数据丢失。

2.2 终端软硬件设计

时间同步装置主要由接收单元、时钟单元和输出单元三部分组成，如图2 所示［12］。

图2 时间同步模块Fig.2 Time synchronization module

终端分为多模组底板和时间敏感功能板两个部分进行研发，如图3 所示。多模组底板负责多路远程传输、高精度授时和系统网管的功能，包括两个5G 模组、一个无线局域网鉴别与保密基础结构（wlan authentication and privacy infrastructure，WAPI）模组和一个高精度授时功能块。时间敏感功能板负责多发选收、时延稳定的功能，包括4 个广域网（wide area network，WAN）口（3 发选收+1 扩展）、4 个本地局域网（local area network，LAN）口以及算法功能块。

图3 5G终端底板架构Fig.3 Architecture of the 5G terminal bottom board

5G 终端研发的工作量主要包括硬件研发、软件研发、环境适应性设计等。硬件研发主要包括：原理图设计、印制电路板（printed circuit board，PCB）设计、驱动设计（加密模块驱动、5G 模块驱动等），如图4 所示。软件研发主要包括：业务数据通信、安全加密、本地网管开发等部分。环境适应性设计主要包括：高低温、湿热、电磁影响等方面的设计［13］。

图4 5G终端硬件结构Fig.4 Hardware structure of 5G terminal

5G 无线终端的软件系统根据电力业务特点可分为底层软件和应用软件两大部分，如图5 所示。信息由安全加密模块加密后进行发送，将相关报警、日志、QOS 等数据通信网管模块处理。GUI 是图形用户界面（graphical user interface，GUI），LTE 是通用移动通信技术的长期演进（long term evolution，LTE），SPI 是串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）。

图5 5G终端软件架构Fig.5 Software architecture of 5G terminal

3 电力5G低时延的终端测试

3.1 测试组网架构

稳定保护业务的测试架构如图6 所示，TAN 交换板可以将收到的电力数据帧进行复制操作，复制后的两份数据帧分别由两个5G 模组通过空口上传至核心网。核心网再将完全相同的数据帧转发至TAN 确定性控制器，由控制器对冗余数据帧进行仲裁后只保留转发其中的一份数据帧。再由交换板进行仲裁后只转发一份数据帧给目的电力业务设备。

图6 稳定保护业务测试组网架构Fig.6 Network architecture of stable protection service test

1）丢包率和时延。

工业网关支持5G 无线网络双路径传输，可以在两台网关之间建立两条相互独立的空口链路，通过数据帧的复制和删除（双发选优）技术，极大降低端到端的通信丢包率。

假设相互独立的两条链路的丢包率分别为1%，那么不考虑其他因素影响的前提下，双路径传输丢包率的理论计算值P=1%×1%=0.01%。

相互独立的两条链路的传输时延互不影响，TAN 交换板和控制器总是优先处理并转发最先到达的一份数据帧，不会等待另一份数据帧，待冗余帧到达后仲裁丢弃即可。所以双路径传输并不会增大端到端的平均时延。

2）时延抖动控制。

为了实现TAN 端到端时延抖动控制，需要实现端到端时钟同步。两台5G 终端可以通过外置的全球定位系统（global positioning system，GPS）模块获取传输速率（packet per second，PPS）信号，以完成两块TAN 交换板之间的时钟同步。为了降低传输抖动，通过网管软件可以配置端到端的通信时延（ms 级），定义的时延要高于端到端的平均时延。一旦定义传输时延，数据帧将会按照所定义的时延进行流量整形。如果当某个数据帧的实际传输时延高于所定义的时延，则此帧按丢弃（丢包）处理。

3）对外授时同步精度。

5G 网络在为数据传输单元（data transfer unit，DTU）提供低时延、高可靠通信服务的同时，还需要为电力设备提供精准授时服务。核心网侧通过单独的时钟服务器向TAN 确定性控制器提供绝对时间信号，再由控制器向下为两台IR60M 网关提供网络时间协议（network time protocol，NTP）服务。网关通过PPS 和NTP 绝对时间整合时钟信息，将以B 码（RS485 接口）形式对DTU 进行授时。

3.2 测试结果分析

如表1 所示，网关双发选优功能测试的指标主要是端到端可以正常通信，且其中任何一路瞬间断开后，不会影响另一路的正常工作，即其中一路出现故障，端到端可以实现不丢包，证明了双路径的工作关系是“双发选优”，而非“链路切换”。

表1 测试结果Table 1 Test results

在双路径通信时，如果采用拔卡或者开启飞行模式断掉一路的通信，同一时刻至少有一路的网络通信正常。从表1 可以看出，丢包率为0，没有影响通信性能。

双路径通信时实现了数据在空口传输时的数据冗余，当其中一份数据发生丢包后，不影响另一份镜像数据的正常传输，即只要有其中一份数据传输成功，端到端就完成了一次成功通信。只有当两份互为冗余数据、同时发生丢包后，才算一次通信失败（丢包）。

表2 为时延和抖动测试结果。从表2 看出，两个5G 终端通过外置GPS 模块完成了相对时钟同步，通过定义端到端的时延，可以看到平均时延与所定义的时延完全吻合，且时延抖动平均值小于500 ns，时延抖动最大值控制在1 000 ns 左右（即两个GPS 模块间的同步精度大约在1 000 ns）。

表2 时延和抖动测试结果Table 2 Test results of latency and jitter

开启时延抖动控制功能，通信发生了丢包现象，这说明有些数据帧的实际传输时延大于所定义的时延，流量整形器将按丢包处理。

表3 为同步精度测试结果。从表3 看出，终端支持一路高精度授时信号输出，单台终端与基准时钟GPS 相比较，平均偏差小于4 000 ns。造成4 000 ns精度偏差的主要原因是时钟测试仪GPS、终端的外置GPS 模块和时钟服务器的GPS 三种信号不同源，但此种授时方案依然可以保证两台终端之间的相对同步精度小于1 000 ns。

表3 同步精度测试结果Table 3 Test results of the synchronization accuracy

4 结束语

针对新型电力系统形势下配电网稳定保护刚性发展需求，以及目前配电网稳定保护无线承载经过多次无线传输和核心网转发导致时延累积环节多、时延控制难度大和通信丢包率较高等问题，通过深入研究5G uRLLC、时间明晰网络TAN 等关键技术，在无线侧利用uRLLC 超级上行、无调度传输和非时隙传输等技术控制传输时延；在网络侧利用独占资源的低时延核心网切片、基于灵活以太网FlexE（flexible ethernet，FlexE）技术的承载网硬隔离、支持时延敏感网络协议的确定性工业网关和支持二层交换的5G 局域网等技术控制传输抖动；研发基于实时操作系统和5G 时钟同步的高精度授时网关，并通过覆盖增强技术提高网关的绝对资源。综合运用上述技术降低各个环节的时延抖动，在保证端到端15 ms以下的时延前提下，将5G 承载配电网稳定保护业务的端到端时延抖动控制到1 ms 以下，为配电网稳定保护业务规模化应用进行技术验证。