摘要：5G通信技術(shù)以其高速、低時延和大連接數(shù)等特點(diǎn)，成為提升配電網(wǎng)通信性能的關(guān)鍵技術(shù)?；诖?，分析了配電網(wǎng)對通信技術(shù)的需求和傳統(tǒng)通信技術(shù)在配電網(wǎng)應(yīng)用中的局限性，介紹了5G通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，提出一種適用于配電網(wǎng)的5G通信架構(gòu)。重點(diǎn)研究5G通信在配電網(wǎng)中的時延可靠性問題，通過建立時延模型，分析影響時延的關(guān)鍵因素，提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化5G通信架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，能夠顯著降低通信時延，提高配電網(wǎng)的實(shí)時響應(yīng)能力和運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；5G通信；架構(gòu)設(shè)計(jì)；時延可靠性；智能化

中圖分類號：TN915.853；TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其通信需求日益增長，傳統(tǒng)通信技術(shù)在配電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控、自動化控制、故障快速響應(yīng)等方面存在一定的局限性。5G通信技術(shù)以其高速、低時延和大連接數(shù)等特點(diǎn)，為配電網(wǎng)現(xiàn)代化升級提供新的解決方案。在架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，5G網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)中的部署策略主要包括網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、多接入邊緣計(jì)算（multi-access edge computing，MEC）等技術(shù)的應(yīng)用，這些技術(shù)根據(jù)配電網(wǎng)的不同業(yè)務(wù)需求，可提供定制化的通信服務(wù)，從而提高系統(tǒng)的靈活性。在時延可靠性研究方面，主要分析5G通信技術(shù)如何通過先進(jìn)的調(diào)度和資源管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)低時延和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸；探討如何通過網(wǎng)絡(luò)自愈和故障恢復(fù)機(jī)制，確保在極端情況下配電網(wǎng)通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性?；诖?，本文旨在探討配電網(wǎng)中5G通信的架構(gòu)設(shè)計(jì)及其時延可靠性問題，分析配電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的需求，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、時延要求、可靠性指標(biāo)，以及如何通過5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行效率[1]。

1 配電網(wǎng)5G通信的基本架構(gòu)

5G通信技術(shù)是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，通過高頻段、大規(guī)模多進(jìn)多出（multiple-in multiple-out，MIMO）、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲和大網(wǎng)絡(luò)容量等特性，這使得5G技術(shù)可以應(yīng)用于配電網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)控。配電網(wǎng)5G通信的基本架構(gòu)主要包括5G核心網(wǎng)、5G基站、配電網(wǎng)終端設(shè)備、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)。5G核心網(wǎng)作為5G網(wǎng)絡(luò)的大腦，具有用戶認(rèn)證、會話管理、數(shù)據(jù)路由等功能，并且通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為配電網(wǎng)提供定制化的通信服務(wù)，滿足不同業(yè)務(wù)場景的需求。5G基站部署在配電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與配電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行無線通信，利用大規(guī)模MIMO技術(shù)，擴(kuò)大信號覆蓋范圍、提高數(shù)據(jù)傳輸效率。配電網(wǎng)終端設(shè)備包括智能電表、分布式能源設(shè)備、電動汽車充電樁等，這些設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)與配電網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制指令的傳輸。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)在配電網(wǎng)的關(guān)鍵位置部署邊緣計(jì)算服務(wù)器，用于處理來自終端設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器的時延，提高數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性。網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)也是5G通信架構(gòu)中不可或缺的部分，由于配電網(wǎng)涉及大量敏感數(shù)據(jù)和關(guān)鍵控制指令，因此需要利用加密、認(rèn)證、入侵檢測等技術(shù)，加強(qiáng)通信的安全性。

2 配電網(wǎng)5G時延分析

2.1 配電網(wǎng)5G時延分配

在5G通信時，配電網(wǎng)以有線通信為核心，運(yùn)行核心網(wǎng)和承載網(wǎng)，避免誤碼率超過預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，控制錯碼率為10-9，加強(qiáng)時延的穩(wěn)定性。以5G承載網(wǎng)為例，工作人員規(guī)范了單設(shè)備時延指標(biāo)，如表1所示。而5G空中接口（簡稱“空口”）作為影響誤碼性能、時延性能的主要因素，需要仿真分析5G空口時延性和可靠性[2]。

2.2 5G空口時延模型

2.2.1 5G空口時延組成

5G空口時延包括數(shù)據(jù)傳輸時延、處理和調(diào)度時延以及重傳時延。數(shù)據(jù)傳輸時延是指數(shù)據(jù)包從發(fā)送端介質(zhì)訪問控制（media access control，MAC）層調(diào)度器發(fā)出，到接收端MAC層接收到數(shù)據(jù)包的時間，該時延主要受物理層傳輸速率和信道質(zhì)量的影響。在5G網(wǎng)絡(luò)中，通過采用高頻譜效率和編碼調(diào)制技術(shù)，可以顯著降低數(shù)據(jù)傳輸時延。處理和調(diào)度時延包括發(fā)送端到接收端MAC層的處理時間，以及網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度決策時間。在5G網(wǎng)絡(luò)中，MAC層采用更高效的調(diào)度算法和快速反饋機(jī)制，有效降低處理時延，并且還采用靈活幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持更細(xì)粒度的資源分配，從而進(jìn)一步降低時延。重傳時延是由于數(shù)據(jù)包在傳輸過程中出現(xiàn)丟失情況，需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)包所產(chǎn)生的額外時延。5G網(wǎng)絡(luò)通過引入先進(jìn)的前向糾錯技術(shù)和重傳機(jī)制，可以有效減少重傳時延。同時，5G快速混合自動重傳請求（hybrid automatic repeat request，HARQ）機(jī)制也能在檢測到錯誤后迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)包重傳，從而降低整體時延[3]。

2.2.2 TDD下行時延分析

在5G通信技術(shù)中，時分雙工（time division duplexing，TDD）模式下的下行時延是關(guān)鍵性能指標(biāo)，尤其是在空口幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要分析在不同時隙選擇下行傳輸數(shù)據(jù)時，如何實(shí)現(xiàn)最短的單次傳輸時延。下行鏈路傳輸時延LDL計(jì)算公式：

LDL=LTx+LRxProc+LSch1+（N-1）LRTT。" " " " " " " " "（1）

式中，LTx為基站在物理下行共享信道發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸時延；LRxProc為用戶接收到數(shù)據(jù)后的處理時延；LSch1為用戶在物理上行控制信道回復(fù)HARQ反饋的調(diào)度時延；N為滿足可靠性要求的傳輸次數(shù)；LRTT為重傳時延。

在5G TDD模式下，時隙分為不同的類型，包括下行（D）時隙、上行（U）時隙、特殊（S）時隙，為了最小化單次傳輸?shù)臅r延，選擇合適的時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有重要的意義。當(dāng)D時隙時，屬于下行傳輸數(shù)據(jù)，時延最短，假設(shè)終端處理能力較強(qiáng)，需將典型值設(shè)置為2個時隙。在這種配置下，如果數(shù)據(jù)在S時隙或U時隙發(fā)送HARQ反饋，最小單次傳輸時延為1.5 ms。如果選擇三角形時隙傳輸下行數(shù)據(jù)，情況則出現(xiàn)變化，只有出現(xiàn)S時隙才能下發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)，再上傳HARQ反饋，這在無形之中增加了整體傳輸?shù)臅r延。終端的處理時延是影響整體傳輸時延的重要因素，在上述分析中將終端的處理時延設(shè)置為2個時隙，這是一個典型值，但實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)終端的具體處理能力進(jìn)行調(diào)整[4]。

2.2.3 TDD上行時延分析

上行鏈路傳輸即從用戶設(shè)備到基站的數(shù)據(jù)傳輸，是通信過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。上行傳輸包括兩種模式，分別為基于授權(quán)的傳輸和免授權(quán)的傳輸，這兩種模式在時延特性、資源管理和應(yīng)用場景上各有特點(diǎn)?；谑跈?quán)的上行傳輸模式依賴于基站分配的專用資源塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在這種模式下，用戶設(shè)備首先需要通過隨機(jī)接入信道（random access channel，RACH）請求上行資源，基站響應(yīng)后分配特定的時頻資源。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是傳輸可靠性高，適用于對時延要求較低但對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求較高的場景，如語音通話、視頻流等。然而，基于授權(quán)的傳輸模式也存在時延問題，由于需要預(yù)先分配資源，引入額外的控制信令時延，如果系統(tǒng)負(fù)載較高，資源分配的等待時間也會增加，從而影響整體的上行傳輸時延。與基于授權(quán)的傳輸不同，免授權(quán)的傳輸模式允許用戶設(shè)備在沒有預(yù)先獲得基站授權(quán)的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。這種模式通常用于對時延要求極高的應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)上報(bào)，其可以快速響應(yīng)，降低因資源分配導(dǎo)致的時延。盡管免授權(quán)的傳輸在時延上有優(yōu)勢，但其可靠性較低，由于沒有預(yù)先的資源分配，可能會發(fā)生資源沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或重傳，進(jìn)而影響整體的數(shù)據(jù)傳輸效率[5]。

3 結(jié)語

綜上，在配電網(wǎng)5G通信的架構(gòu)和時延可靠性研究領(lǐng)域，本文深入探討了5G技術(shù)如何為配電網(wǎng)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型提供支持，特別是在提高通信效率和降低時延方面。通過分析5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其具有高帶寬、低時延和大連接數(shù)等特點(diǎn)，為配電網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)控、智能調(diào)度、故障快速響應(yīng)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。未來，期待通過不斷探索，推動5G技術(shù)在配電網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為構(gòu)建智能電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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