鄭燕濱

（中通服建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

5G技術(shù)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在未來快速發(fā)展過程中其應(yīng)用場景、頻段及相關(guān)技術(shù)也將會得到持續(xù)拓展，這些均為5G技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。以電力領(lǐng)域為例，電力系統(tǒng)引入5G技術(shù)后將會面臨著云網(wǎng)融合、IT架構(gòu)變化以及云邊協(xié)同等一系列統(tǒng)合挑戰(zhàn)問題，但同時5G技術(shù)的引入又可以一定程度上解決傳統(tǒng)組網(wǎng)中存在的融合性、安全性較差等問題[1]?；诖?，本文將對5G技術(shù)架構(gòu)及電力應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進行分析，以推動5G技術(shù)在電力領(lǐng)域的融合應(yīng)用。

1 5G技術(shù)架構(gòu)分析

1.1 5G技術(shù)體系架構(gòu)

現(xiàn)階段，5G技術(shù)體系主要由網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線接入網(wǎng)、場景與需求、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)安全6部分組成，具體情況如圖1所示[2]。

圖1 5G技術(shù)體系架構(gòu)

1.2 5G技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G技術(shù)中引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等，相關(guān)技術(shù)促使5G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)發(fā)展成為“通用服務(wù)器+軟件部署”[3]。結(jié)合實際情況來看，此種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)促使5G技術(shù)可以通過統(tǒng)一能力開發(fā)平臺為各行業(yè)提供相應(yīng)的功能服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)切片定制、運營監(jiān)控等。各行業(yè)在應(yīng)用5G技術(shù)時可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理、認證和授權(quán)管理、連接管理以及設(shè)備管理等一系列網(wǎng)絡(luò)管理功能，提升通信服務(wù)可控性[4]。此外，5G技術(shù)還可以保障通信服務(wù)的安全性，在應(yīng)用過程中通過5G網(wǎng)絡(luò)切片為各行業(yè)提供虛擬無線網(wǎng)絡(luò)，并以此來實現(xiàn)高強度網(wǎng)絡(luò)隔離與資源分配定制化。

1.2.2 無線接入網(wǎng)

5G技術(shù)中引入了新型多址、Massive MIMO以及新型多載波技術(shù)等，具有更靈活的幀結(jié)構(gòu)、更高的頻譜效率以及更簡化的信令流程。其中，新型多址技術(shù)不僅可以有效提高5G技術(shù)的用戶同時連接數(shù)量，而且還可以有效提高5G技術(shù)的實際頻譜效率；新型多載波技術(shù)的應(yīng)用促使5G技術(shù)除了可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用外，還可以支持基于濾波的正交頻分復(fù)用，有效提高頻譜使用效率；Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用促使5G技術(shù)可以實現(xiàn)多個發(fā)射天線或接收天線同時實現(xiàn)信號發(fā)射或接收，并在不增加頻率的情況下有效提高系統(tǒng)的整體信道容量[5]。在編碼調(diào)制方面，5G技術(shù)采用多元低密度奇偶校驗碼、卷積碼以及極化碼等一系類新型調(diào)制編碼，有效提高鏈路頻譜效率的同時，也進一步提高了系統(tǒng)實際容量。在雙工技術(shù)方面，5G技術(shù)既支持傳統(tǒng)的頻分雙工和時分雙工，也支持新型全雙工、靈活雙工等。在靈活幀結(jié)構(gòu)方面，5G技術(shù)可以根據(jù)不同的使用場景和頻段來靈活調(diào)整應(yīng)用過程中的帶寬、上下行以及子載波[6]。

1.2.3 場景與需求

為滿足萬物互聯(lián)的實際需求，國際電信聯(lián)盟對增強移動寬度、大規(guī)模機器類通信以及超高可靠低時延通信等典型應(yīng)用場景進行合理定義[7]。此外，3GPP（第三代合作伙伴計劃）對密集城區(qū)、高鐵以及室內(nèi)熱點等12類部署場景進行合理定義。我國5G技術(shù)不僅沿用了上述應(yīng)用場景和部署場景，又在ITU應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上拓展出了連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量2個應(yīng)用場景，將3GPP定義的12類部署場景融合成為密集住宅區(qū)、廣域覆蓋、高鐵以及辦公室等8類部署場景，并確立了用戶體驗數(shù)量、用戶時延、連接密度以及通信可靠性等通信技術(shù)指標。

1.2.4 承載網(wǎng)

5G技術(shù)的應(yīng)用對承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、時鐘同步、帶寬以及時延等方面均提出了更高的要求，現(xiàn)階段我國所采用的主流承載網(wǎng)中集成了切片分組網(wǎng)、IP無線接入網(wǎng)以及面向移動承載優(yōu)化的光傳送網(wǎng)等先進技術(shù)[8]。其中，切片分組網(wǎng)以高效以太網(wǎng)為核心，通過多層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合來實現(xiàn)多層業(yè)務(wù)承載能力。IP無線接入網(wǎng)以IP/MPLS技術(shù)為基礎(chǔ)，以分組化路由器為組網(wǎng)，具備低時延、低成本、高可靠、大帶寬以及全業(yè)務(wù)等特點。在承載網(wǎng)中集成IP無線接入網(wǎng)后，可以通過圖形化網(wǎng)上管理模式來有效簡化具體承載網(wǎng)業(yè)務(wù)部署，進而降低組網(wǎng)運維成本。面向移動承載優(yōu)化的光傳送網(wǎng)以O(shè)TN技術(shù)為基礎(chǔ)，引入線路接口技術(shù)，可以實現(xiàn)單級復(fù)用，具有更為靈活的時隙結(jié)構(gòu)與更加精簡的開銷支持。在集成面向移動承載優(yōu)化的光傳送網(wǎng)后，可以促使傳統(tǒng)的靜態(tài)路由器向集中動態(tài)路由器方向發(fā)展，為承載網(wǎng)提供低時延、低功耗以及低成本的移動承載方案[9]。

1.2.5 核心網(wǎng)

5G技術(shù)的核心網(wǎng)不僅可以實現(xiàn)用戶面、網(wǎng)絡(luò)功能庫、策略控制與計費以及會話管理等多元化網(wǎng)絡(luò)功能，而且還可以提供5G空口承載語言和4G網(wǎng)絡(luò)的兩種語言機制。具體核心網(wǎng)絡(luò)云化部署中可以構(gòu)建彈性網(wǎng)絡(luò)，促使核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)功能下沉到用戶面附近，進一步降低用戶服務(wù)時延，提高企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性。

1.2.6 網(wǎng)絡(luò)安全

5G技術(shù)引入了多樣化的場景與技術(shù)手段，除了需要保障基本通信安全以外，還需要根據(jù)不同的場景提供不同的安全服務(wù)。同時，由于5G技術(shù)中引入了SDN技術(shù)和NFV技術(shù)，因此在網(wǎng)絡(luò)資源配置過程中對于傳統(tǒng)通信硬件平臺的依賴性較低，但同時也產(chǎn)生網(wǎng)元隔離、虛擬化管理層等方面的安全需求[10]?；诖耍趹?yīng)用過程中5G技術(shù)必須要保障網(wǎng)絡(luò)切片安全，以此來為其他方面的安全保障提供重要支撐。

2 5G電力應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

在電力無線網(wǎng)絡(luò)中，5G技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、時間同步以及安全隔離4個方面。

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片可以實現(xiàn)5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源共享和同一設(shè)施的多樣化業(yè)務(wù)承載功能，是5G在電力無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。在應(yīng)用過程中，網(wǎng)絡(luò)切片的端到端服務(wù)等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）保證系統(tǒng)可以有效采集和分析各域網(wǎng)絡(luò)性能指標，并根據(jù)分析結(jié)構(gòu)對各域網(wǎng)絡(luò)進行實時處理分析。此外，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)還廣泛應(yīng)用于電力無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)中。在無線專網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型來構(gòu)建不同的邏輯隔離數(shù)據(jù)管道，實現(xiàn)質(zhì)量差異化數(shù)據(jù)傳輸控制；在無線公網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型實現(xiàn)相應(yīng)的軟硬件隔離[11]。

2.2 邊緣計算

現(xiàn)階段，部分電力控制業(yè)務(wù)對于時延有著較為嚴格的要求，通常會將計算機資源部署在靠近用戶側(cè)網(wǎng)絡(luò)的位置。邊緣計算可以在應(yīng)用過程中快速響應(yīng)用戶請求，在不影響網(wǎng)絡(luò)層、核心網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理的情況下有效降低電力業(yè)務(wù)時延，并且配合業(yè)務(wù)分類共同應(yīng)用后可以將各類電力控制業(yè)務(wù)實現(xiàn)邊緣化處理，進而提高資源利用率，保障服務(wù)效果。

2.3 時間同步

電力控制業(yè)務(wù)對于時間同步精度也有著極高的要求，但由于電力系統(tǒng)復(fù)雜的環(huán)境特征，采用傳統(tǒng)時間同步技術(shù)的成本較高。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用5G技術(shù)時，其時間同步主要可以分為基本同步、站間協(xié)調(diào)增強同步以及高精度同步。其中，基本同步的實際同步進度與4G技術(shù)的同步進度保持一致；站間協(xié)調(diào)增強同步可以協(xié)調(diào)不同站點之間的時間信號，確保站間服務(wù)的時間同步效果；高精度同步功能中包括基站定位服務(wù)，將定位精度與時間同步精度相關(guān)聯(lián)，通過“衛(wèi)星+地面”同步模式為電力系統(tǒng)提供更高精度的時間同步支持。

2.4 安全隔離

5G網(wǎng)絡(luò)繼承了4G網(wǎng)絡(luò)的安全架構(gòu)，并增加了服務(wù)與安全這一全新安全分域，安全性能得到進一步提升。此外，通過5G中的安全隔離技術(shù)可以在電力系統(tǒng)服務(wù)注冊、發(fā)現(xiàn)及授權(quán)過程中有效保障服務(wù)域的安全性[12]。

3 結(jié) 論

綜上所述，5G技術(shù)逐漸成為電力領(lǐng)域進一步發(fā)展的全新源動力，但同時也要認識到5G技術(shù)在應(yīng)用過程中仍然面臨著諸多問題，例如網(wǎng)絡(luò)切片、安全隔離等技術(shù)尚需突破發(fā)展等。未來需要結(jié)合電力行業(yè)的實際情況，從產(chǎn)品方案、技術(shù)研發(fā)以及技術(shù)推廣等方面積極開展試點實踐工作，促使5G技術(shù)能夠在電力行業(yè)得到進一步普及應(yīng)用。