5G專網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

2021-01-27 07:43杜鵬鄭興明陸威

移動通信 2021年1期

杜鵬，鄭興明，陸威

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇南京 210012；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518055）

0 引言

3GPP 定義的5G 應(yīng)用三大場景中，除eMBB 主要面向人網(wǎng)應(yīng)用外，mMTC 和uRLLC 均屬于物聯(lián)網(wǎng)和垂直行業(yè)應(yīng)用范疇。垂直行業(yè)應(yīng)用不同于公網(wǎng)業(yè)務(wù)，其對網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性、確定性有更嚴(yán)格的要求，對5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及技術(shù)實(shí)現(xiàn)提出了更高的挑戰(zhàn)。針對5G 在行業(yè)專網(wǎng)中的應(yīng)用，3GPP 也在不斷完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在3GPP R16 里，5G 新增了多種針對垂直行業(yè)的功能，包括TSN（Time Sensitive Networking）、5G LAN、NPN（非公共網(wǎng)絡(luò)）[1]等，使得5G 專網(wǎng)的能力得到提升，更好地滿足工業(yè)制造、交通、能源、醫(yī)療等垂直行業(yè)應(yīng)用的特定需求。

5G 專網(wǎng)技術(shù)在垂直行業(yè)的部署方案已有研究和探討[2-5]，但是針對智能電網(wǎng)場景的應(yīng)用研究還比較少，尤其是配電網(wǎng)中的電流差動保護(hù)場景，對傳輸時(shí)延及可靠性要求極高[6]，因此能否采用5G 技術(shù)滿足要求非常值得研究。

差動保護(hù)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的配電領(lǐng)域。簡單來說，差動保護(hù)就是當(dāng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，輸電線路兩端的電流值相同，而當(dāng)這條輸電線路發(fā)生故障時(shí)，兩端的電流就會不一致。當(dāng)差動電流大于差動保護(hù)裝置的預(yù)定值時(shí)，保護(hù)啟動進(jìn)而將被保護(hù)設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開，使故障設(shè)備斷開電源。通過差動保護(hù)可以縮短故障持續(xù)時(shí)間，降低故障的影響范圍，提高供電可靠性。智能電網(wǎng)中的配電差動保護(hù)場景如圖1 所示。

為保證差動保護(hù)的判斷準(zhǔn)確、啟動及時(shí)，需盡量保證一組差動電流為同一時(shí)刻采樣值，即需要嚴(yán)格保證差動電流的時(shí)間同步。因此差動保護(hù)對保護(hù)裝置DTU 之間的通信時(shí)延以及可靠性有較高要求，例如時(shí)延：小于10 ms，時(shí)間同步精度：小于10 μs，可靠性：大于99.999%。為了實(shí)現(xiàn)配電差動保護(hù)，通常需要在相鄰配電站的差動保護(hù)裝置之間采用光纖專線傳輸。但是由于差動保護(hù)終端數(shù)量大，部署分散，鋪設(shè)光纖專線成本高，難度大，無法滿足日益增多的接入需求。

而5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠、海量連接等特性正好可以滿足要求，5G TSN 可提供精準(zhǔn)可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，能夠滿足差動保護(hù)對通信時(shí)延的需求；5G LAN 提供的專屬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力也可以滿足電網(wǎng)嚴(yán)格的安全隔離需求。因此采用5G 網(wǎng)絡(luò)代替光纖傳輸，并通過5G 專網(wǎng)技術(shù)靈活部署，既降低了部署成本，也保證了傳輸時(shí)延，還可以精準(zhǔn)控制和管理大量分布式部署的差動保護(hù)終端。

目前關(guān)于5G 技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用已有一些研究[7-9]，基于上是通過部署5G uRLLC 切片來解決問題，但是當(dāng)前的5G 切片技術(shù)以及QoS 保障技術(shù)都無法滿足智能電網(wǎng)和工業(yè)控制等場景對時(shí)延、抖動、丟包率及可靠性的嚴(yán)苛要求，因此需要考慮采用5G 專網(wǎng)技術(shù)（例如5G LAN 和5G TSN 等）為這些特定場景提供確定性的通信保障。

本文針對智能電網(wǎng)中的差動保護(hù)場景的特點(diǎn)，選擇3GPP R16 引入的5G TSN 和5G LAN 技術(shù)進(jìn)行分析，提出了5G TSN 和5G LAN 技術(shù)相結(jié)合的方案，滿足電網(wǎng)差動保護(hù)場景下配電站之間的可靠通信需求。

1 5G TSN技術(shù)

TSN（Time-Sensitive Network，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）是由IEEE 802 工作組基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)制定的支持時(shí)間敏感業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的系列增強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于各種支持低延時(shí)及基于時(shí)間同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)協(xié)議，例如：音視頻傳輸、工業(yè)控制、車聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等諸多行業(yè)[10]。

5G TSN 是3GPP 為滿足無線接入網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)用TSN技術(shù)的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求，3GPP 借鑒了IEEE定義的TSN 標(biāo)準(zhǔn),定義了5G TSN 邏輯網(wǎng)橋的架構(gòu)，即將整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)作為TSN 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)橋，完成與TSN 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及互聯(lián)互通。

5G TSN 邏輯網(wǎng)橋架構(gòu)如圖2 所示。

圖1 智能電網(wǎng)中的配電差動保護(hù)場景

圖2 3GPP定義的TSN邏輯網(wǎng)橋系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)5G TSN 邏輯網(wǎng)橋和TSN 網(wǎng)絡(luò)的對接，5G系統(tǒng)擴(kuò)展了如下3 個(gè)功能功能模塊：

（1）DS-TT：即終端側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（Device-side TSN translator），用于連接終端側(cè)的TSN 系統(tǒng)，通?？梢院蚒E 相集成。

（2）NW-TT：即網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（Network-side TSN translator），用于連接網(wǎng)絡(luò)側(cè)的TSN 系統(tǒng)，通常為UPF 中的一個(gè)功能模塊。

（3）TSN AF：即TSN 的應(yīng)用功能（Application Function），用于連接TSN 網(wǎng)絡(luò)的CNC 控制器，通?？梢詾橐粋€(gè)獨(dú)立的網(wǎng)元。

為了實(shí)現(xiàn)5G TSN 邏輯網(wǎng)橋的功能，5G 系統(tǒng)需要支持如下三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）時(shí)間同步

時(shí)間同步是TSN 提供流量的延遲保證的關(guān)鍵特性之一，5G 系統(tǒng)需要為TSN 業(yè)務(wù)提供其所需的超高精度時(shí)間同步能力，包括：TSN 時(shí)間同步和5G 時(shí)間同步。

TSN 時(shí)間同步協(xié)議遵循IEEE 802.1AS 標(biāo)準(zhǔn)。UPF/NW-TT 從TSN 網(wǎng)絡(luò)中的TSN GM 獲取TSN 時(shí)鐘同步消息，然后UPF/NW-TT 將時(shí)鐘同步消息通過用戶面轉(zhuǎn)發(fā)給UE/DS-TT，從而實(shí)現(xiàn)UE/DS-TT 與TSN GM 之間的時(shí)間同步。

此外，5G 系統(tǒng)內(nèi)，gNB 和UPF、UE 之間還需要提供基于5G 系統(tǒng)時(shí)鐘的高精度時(shí)間同步。5G 系統(tǒng)時(shí)間和TSN系統(tǒng)時(shí)間之間，由UPF/NW-TT 和UE/DS-TT 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（2）精準(zhǔn)轉(zhuǎn)發(fā)

實(shí)現(xiàn)TSN 基于精準(zhǔn)時(shí)間的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，是5GS 支持TSN 功能最核心功能。5G 網(wǎng)絡(luò)需要為TSN 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供確定性低時(shí)延流調(diào)度能力，包括：無線資源的優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，UE/DS-TT 和UPF/NW-TT 基于IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)定義的流調(diào)度能力等。

如圖3 所示，5G 網(wǎng)絡(luò)作為TSN 網(wǎng)絡(luò)中的透明橋梁，由DS-TT 和NW-TT 提供TSN 數(shù)據(jù)流的駐留和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，遵循IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)。在5GS 系統(tǒng)內(nèi)，例如UE＜-＞NGRAN＜-＞UPF 之間，只需要實(shí)現(xiàn)低時(shí)延調(diào)度，保障數(shù)據(jù)包在其預(yù)定的傳輸時(shí)間之前到達(dá)NW-TT 或DS-TT 出口即可。

圖3 5G TSN轉(zhuǎn)發(fā)總體架構(gòu)

（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)同

為了實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)適配TSN 的確定性傳輸，5G 系統(tǒng)需要與TSN 網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。5GS 作為TSN 邏輯網(wǎng)橋，和TSN 網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)同的架構(gòu)遵循IEEE 802.1Qcc 協(xié)議定義的完全集中式模型[11]。5G 系統(tǒng)通過與TSN 網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同交互，實(shí)現(xiàn)5G 系統(tǒng)作為TSN 邏輯網(wǎng)橋的配置和管理等功能，如圖4 所示：

圖4 IEEE 802.1Qcc TSN完全集中式網(wǎng)絡(luò)模型

5G系統(tǒng)通過5GC控制面網(wǎng)元SMF、PCF 及TSN AF 實(shí)現(xiàn)和CNC 之間進(jìn)行協(xié)同交互，實(shí)現(xiàn)5GS 網(wǎng)橋信息上報(bào)，以及CNC 對5GS 網(wǎng)橋的配置。包括：UE/DS-TT和UPF/NW-TT 需要支持LLDP 協(xié)議進(jìn)行鏈路發(fā)現(xiàn)，5G系統(tǒng)通過TSN AF 向CNC 上報(bào)5G 網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，及接收CNC 對5G 系統(tǒng)的配置管理等。

可以看出5G TSN 基于以太網(wǎng)通過功能增強(qiáng)提供高可靠與確定有界低時(shí)延的流傳送服務(wù)，是面向未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車輛內(nèi)通信、智能電網(wǎng)等高可靠確定低時(shí)延應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。

2 5G LAN技術(shù)

隨著5G 時(shí)代的到來，行業(yè)客戶希望5G 網(wǎng)絡(luò)在提供大連接、高帶寬、低時(shí)延的同時(shí)，也能像自建的局域網(wǎng)那樣，自己實(shí)現(xiàn)對終端的靈活管理。例如行業(yè)客戶指定終端的IP 地址、要求終端只能與特定的終端通信、授權(quán)終端屬于特定群組并動態(tài)加入和刪除等。為了滿足行業(yè)客戶這一訴求，3GPP R16 定義了5G LAN 技術(shù)。

5G LAN 是利用5G 網(wǎng)絡(luò)提供局域網(wǎng)-虛擬網(wǎng)服務(wù)的技術(shù)，通過5G 系統(tǒng)提供私有移動通信業(yè)務(wù)，允許限定的終端組在一個(gè)5G LAN 虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行基于Ethernet 或IP 的點(diǎn)對點(diǎn)通信。利用5G 網(wǎng)絡(luò)為企業(yè)、港口或工廠園區(qū)等場景提供類似VPN 的服務(wù)。企業(yè)專網(wǎng)可以支持不同終端之間的互通，支持VLAN，終端通過DNN 或S-NSSAI 來關(guān)聯(lián)一個(gè)5G VN 群。

在同一個(gè)5G LAN 內(nèi)的終端之間可以互相通信時(shí)，如果兩個(gè)終端接入至同一個(gè)UPF，可以由UPF 直接實(shí)現(xiàn)本地轉(zhuǎn)發(fā)，可以無需連接外部的DN 網(wǎng)絡(luò)；如果兩個(gè)終端接入至不同的UPF 時(shí)，則可以由UPF 之間的R19 接口轉(zhuǎn)發(fā)。5G LAN 組網(wǎng)架構(gòu)如圖5 所示。

3 基于5G TSN+5G LAN的電網(wǎng)差動保護(hù)方案

基于5G TSN 網(wǎng)橋的配電差動保護(hù)方案如圖6 所示，整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)作為TSN 網(wǎng)橋連接電網(wǎng)中的配電保護(hù)終端DTU。使用5G 無線網(wǎng)絡(luò)替代有線LAN 連接，完成與TSN 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及互聯(lián)互通。

但是在目前的3GPP R16 標(biāo)準(zhǔn)中，受限于現(xiàn)有5G TSN 架構(gòu)，2 個(gè)DTU 之間的TSN 業(yè)務(wù)流不支持在一個(gè)UPF 內(nèi)或2 個(gè)UPF 間互相轉(zhuǎn)發(fā)，即UPF 必須外接TSN網(wǎng)絡(luò)。這樣無疑會增加網(wǎng)絡(luò)的的復(fù)雜度和建設(shè)維護(hù)成本，并且還因?yàn)橥饨拥腡SN 網(wǎng)絡(luò)，額外增加了兩個(gè)DTU 之間的時(shí)延、降低了傳輸可靠性，對電網(wǎng)差動保護(hù)的低時(shí)延高可靠要求有一定的影響。

為了解決這個(gè)問題，可以考慮將5G LAN 和5G TSN技術(shù)相結(jié)合。如圖7 所示，電網(wǎng)中的DTU 為5G 終端，相鄰配電站之間的DTU 可以采用5G LAN 方式組成一個(gè)LAN 分組，通過5G 網(wǎng)絡(luò)提供的LAN service 功能完成點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的通訊，進(jìn)一步降低通信時(shí)延。

在同一個(gè)LAN 分組的DTU 相互發(fā)送的數(shù)據(jù)，可在5GC 網(wǎng)元UPF 內(nèi)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)發(fā)，不需要經(jīng)過UPF 外接的TSN 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)分組內(nèi)的不同DTU 接入至多個(gè)UPF時(shí)，這些UPF 之間將構(gòu)建直連隧道，DTU 之間的數(shù)據(jù)可以直接經(jīng)由UPF 間的隧道直接互轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計(jì)使得5G UPF 具備了類似路由器一樣的直接轉(zhuǎn)發(fā)功能，縮短了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，降低通信時(shí)延，提升了傳輸可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)5G TSN 和5G LAN 的結(jié)合，需要5G 網(wǎng)絡(luò)解決如下2 個(gè)關(guān)鍵問題：

圖5 3GPP R16定義的5G LAN架構(gòu)

圖6 基于5G TSN網(wǎng)橋的電網(wǎng)差動保護(hù)方案架構(gòu)

圖7 基于5G TSN+5G LAN的增強(qiáng)方案架構(gòu)

（1）UE 間通信的確定性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)前3GPP R16 中僅定義了UE/DS-TT 和UPF/NW-TT之間的確定性轉(zhuǎn)發(fā)，即僅支持UE 和TSN 網(wǎng)絡(luò)間的確定性通信，不支持2 個(gè)UE/DS-TT 直接在5G 系統(tǒng)內(nèi)直接轉(zhuǎn)發(fā)的確定性通信。在5G LAN 場景中，需要在UE/DS-TT 之間提供端到端的確定性轉(zhuǎn)發(fā)，有以下兩種解決思路。

方案1：把UE1-5G-UE2 整體看做為1 個(gè)TSN 邏輯網(wǎng)橋，即UE1/DS-TT 和UE2/DS-TT 分別為TSN 網(wǎng)橋的2 個(gè)端口，由UE/DS-TT 基于802.1Qbv 實(shí)現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)。

方案2：把UE1-5G-UE2 分解當(dāng)做為2 個(gè)TSN 網(wǎng)橋，即從UE1 經(jīng)由RAN 到UPF 作為網(wǎng)橋1，將從UPF 經(jīng)由RAN 到UE2 作為網(wǎng)橋2。此時(shí)需要UPF 基于802.1Qbv 來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)UPF 內(nèi)或UPF 間的UE 數(shù)據(jù)確定性轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）將5G GM 作為TSN GM

在該差動保護(hù)場景中，UPF 沒有外接TSN 時(shí)鐘源，并且UE/DS-TT 也沒有連接TSN 時(shí)鐘源，因此需要把5G 時(shí)鐘作為TSN 時(shí)鐘。此時(shí)可以采用如下兩種方式之一來實(shí)現(xiàn)。

方案1：由UPF/NW-TT 承擔(dān)TSN 時(shí)鐘源功能，基于802.1AS 協(xié)議向UE/DS-TT 和連接UE/DS-TT 的TSN系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。

方案2：由UE/DS-TT 承擔(dān)TSN 時(shí)鐘源功能，主動將從RAN 獲取的5G 時(shí)鐘作為TSN 時(shí)鐘，向連接UE/DS-TT 的TSN 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。

4 結(jié)束語

將5G 專網(wǎng)技術(shù)引入智能電網(wǎng)及工業(yè)控制等垂直行業(yè)的應(yīng)用研究目前還處于起步階段，還存一些問題有待解決，例如產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，缺少支持的終端，5G 網(wǎng)絡(luò)需要做相應(yīng)的改造等，因此3GPP 也在持續(xù)進(jìn)行深入研究，在R17 中會給出更加完善的解決方案，例如：實(shí)現(xiàn)5G 核心網(wǎng)的架構(gòu)增強(qiáng)支持TSN 控制器的功能；實(shí)現(xiàn)5G 核心網(wǎng)內(nèi)的確定性傳輸調(diào)度機(jī)制，而不依賴于外部TSN 網(wǎng)絡(luò)；通過UPF增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)終端間的確定性傳輸；實(shí)現(xiàn)可靠性保障增強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議對接；支持多時(shí)鐘源技術(shù)等，以滿足配電差動保護(hù)場景下的通信需求。