李洪豐 李興 李洪濤 張金修 華建強

摘 ?要：當前，5G專網(wǎng)列為未來的重點發(fā)展方向。電網(wǎng)建設(shè)作為電網(wǎng)基礎(chǔ)工程重要一環(huán)也面臨著革新與升級。傳統(tǒng)的電網(wǎng)建設(shè)存在建筑施工安全生產(chǎn)隱患難防、揚塵噪聲污染超標、建筑材料缺少規(guī)范管理、監(jiān)管效能差強人意等問題，智慧電網(wǎng)在此情境下應(yīng)運而生。通過對5G專網(wǎng)與Wi-Fi、5G公網(wǎng)、網(wǎng)橋、WAPI等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展對標分析，總結(jié)出5G專網(wǎng)的技術(shù)先進性，并開展5G專網(wǎng)組網(wǎng)及應(yīng)用研究，為智慧電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)開展拓展性研究。

關(guān)鍵詞：第五代移動通信技術(shù);智慧電網(wǎng);智慧工地;多網(wǎng)融合;信息安全

中圖分類號：TN929.5 ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0139-06

Abstract： At present， 5G private network is listed as the key development direction in the future. As an important part of power grid basic engineering， power grid construction is also facing innovation and upgrading. Traditional power grid construction has problems such as having difficulty in preventing hidden dangers in construction safety production， excessive dust and noise pollution， lack of standardized management of building materials， supervision efficiency just possible and so on. The smart grid comes into being in this situation. Through the benchmarking analysis of 5G private network， Wi-Fi， 5G public network， network bridge， WAPI and other existing network technologies， the advanced technology of 5G private network is summarized， and the 5G private network networking and application research are carried out， and extensive research for the infrastructure construction of smart grid are carried out.

Keywords： the 5th generation mobile communication technology; smart grid; smart construction site; multi networks convergence; information safety

0 ?引 ?言

隨著第五代移動通信技術(shù)性能和安全性的不斷提高，第五代移動通信技術(shù)已成為繼云計算、物聯(lián)網(wǎng)之后ICT界的一個重大技術(shù)發(fā)展方向，并且將繼續(xù)深入影響社會經(jīng)濟生活的方方面面，尤其是使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和制造業(yè)、醫(yī)療健康、電子商務(wù)、智能交通等新興行業(yè)產(chǎn)生巨大變革。

第五代移動通信技術(shù)（5G）作為一種新興的通信技術(shù)，迅速在現(xiàn)有通信方式中占據(jù)主導地位，電力系統(tǒng)的研發(fā)人員陸續(xù)對其進行了大量研究和應(yīng)用[1]。但是囿于該技術(shù)本身不夠成熟，以及出于安全性、成本等因素方面的考慮，使得目前5G專網(wǎng)在變電站工地的實際應(yīng)用較少。

本文作者所在單位為國家電網(wǎng)吉林公司建設(shè)部，作者所在單位長期從事國網(wǎng)輸變電電網(wǎng)工程建設(shè)智能化、物聯(lián)網(wǎng)研究，負責過較多電網(wǎng)基建施工現(xiàn)場的科技創(chuàng)新類項目，本課題基于5G專網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)在變電站智慧工地的應(yīng)用[2，3]為重要方向之一，研究目標主要是梳理目前已有方式的缺陷，展望未來可能存在的應(yīng)用模式、應(yīng)用場景以及在應(yīng)用中可能遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。進一步豐富變電站智慧工地的各類應(yīng)用設(shè)計，為即將到來的第五代通信技術(shù)變革風潮做好充分準備。

1 ?現(xiàn)狀調(diào)研

隨著電網(wǎng)工程輸配電施工現(xiàn)場陸續(xù)開展新基建智慧物聯(lián)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)作為基礎(chǔ)工作其重要性日益彰顯。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)存在以下問題和不足：

（1）網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。目前現(xiàn)有的電網(wǎng)基建工程點多面廣，為滿足整個基建工地的網(wǎng)絡(luò)需求，現(xiàn)有工地采用國內(nèi)三大運營商4G、5G網(wǎng)絡(luò)、各類4G專網(wǎng)、LoRa、Wi-Fi等多種方式進行組網(wǎng)，導致現(xiàn)有電網(wǎng)基建場地組網(wǎng)架構(gòu)復(fù)雜。

（2）維護困難。電力系統(tǒng)基建場地建設(shè)期工作面工況復(fù)雜，簡單地部署有線網(wǎng)絡(luò)容易被破壞;由于現(xiàn)場施工人員缺乏網(wǎng)絡(luò)使用及維護的技能，當網(wǎng)絡(luò)受到破壞時，通信網(wǎng)絡(luò)往往難以在短時間內(nèi)恢復(fù)，為現(xiàn)場生產(chǎn)造成巨大影響。

（3）網(wǎng)絡(luò)擁堵。目前電力系統(tǒng)的基建場地除工業(yè)施工設(shè)備以外，還存在辦公設(shè)備、作業(yè)監(jiān)控設(shè)備、手機等各種非工業(yè)設(shè)備占用網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況，多種設(shè)備同時接入同一網(wǎng)絡(luò)將造成網(wǎng)絡(luò)擁堵、數(shù)據(jù)丟失、時延較大等問題，破壞用戶體驗。

（4）跨區(qū)切換。傳統(tǒng)的工業(yè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署方案，無法滿足移動設(shè)備（如：移動布控球、智能安全帽、手持終端等）在不同AP之間的切換，當移動設(shè)備在不同的區(qū)域之間進行切換時，會導致視頻業(yè)務(wù)畫面卡頓，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟失，控制業(yè)務(wù)斷開等問題。

2 ?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對標分析

5G專用網(wǎng)絡(luò)（private 5G network）是一種局域網(wǎng)（LAN），它將使用5G技術(shù)創(chuàng)建具有統(tǒng)一連接性、優(yōu)化服務(wù)和特定區(qū)域內(nèi)安全通信方式的專用網(wǎng)絡(luò)。5G專網(wǎng)提供了企業(yè)定制化網(wǎng)絡(luò)的自由度，可以根據(jù)使用場所、工作類型的不同而提供不同的配置，在隱私和安全方面都具有明顯的優(yōu)勢。下文給出了與其他主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的對比分析。

2.1 ?與Wi-Fi對比

5G專網(wǎng)在可靠性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、吞吐率等方面具有較大優(yōu)勢，具體對標分析如表1所示。

可靠性：從接入網(wǎng)對接入終端的調(diào)度協(xié)調(diào)方式來看，專網(wǎng)采用的是由基站負責總體上的協(xié)調(diào)，劃分了專門的控制面功能，采用核心網(wǎng)的控制面功能指揮協(xié)調(diào)大量終端，保證多用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。通過專網(wǎng)本身基于調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)特性和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可靠性高達99.99%。

而Wi-Fi則采用“協(xié)調(diào)+競爭”的方式。競爭機制即是CSMA/CA（多路訪問/沖突避免），終端數(shù)量較多時，各個終端會爭先與AP通信，無法保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可靠性，與無線專網(wǎng)技術(shù)存在明顯的差距。

網(wǎng)絡(luò)覆蓋：專網(wǎng)技術(shù)通過增加上行功率譜密度、重復(fù)次數(shù)來提高覆蓋距離，覆蓋距離可達10 km。Wi-Fi的使用場景為室內(nèi)民用，室內(nèi)覆蓋500 ㎡～1000 ㎡。無線專網(wǎng)采用了蜂窩網(wǎng)絡(luò)基于扇區(qū)和小區(qū)的組網(wǎng)方式，技術(shù)上支持移動切換，可以支持更大范圍的覆蓋。

吞吐率：專網(wǎng)采用基于調(diào)度的資源分配方式，可以保證多用戶大帶寬業(yè)務(wù)并發(fā)的情況下，各個用戶的業(yè)務(wù)穩(wěn)定、可靠。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)總吞吐率隨著用戶數(shù)量的增加而呈指數(shù)級下降，無法支持多用戶并發(fā)的大帶寬業(yè)務(wù)。

2.2 ?與4G專網(wǎng)對比

在網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵指標（如速率、覆蓋能力、時延等方面）上，5G專網(wǎng)較之4G專網(wǎng)，具有數(shù)量級上的差異。4G專網(wǎng)與5G專網(wǎng)只是在組網(wǎng)方式、頻段和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備私有化方面是一致的，詳細對比如表2所示。

2.3 ?與5G公網(wǎng)虛擬專網(wǎng)對比

5G公網(wǎng)虛擬專網(wǎng)在自主性、工業(yè)應(yīng)用定制化、安全性以及成本上與5G專網(wǎng)存在較大差距，在行業(yè)應(yīng)用中，定制化的一些網(wǎng)絡(luò)特性在公網(wǎng)虛擬專網(wǎng)上無法實現(xiàn)。詳細對比如表3所示。

2.4 ?與WAPI對比

5G專網(wǎng)在以下幾個方面具有優(yōu)勢：

（1）基于5G技術(shù)的無線專網(wǎng)具有與WAPI相似的網(wǎng)絡(luò)安全保障體系架構(gòu)，即基于三元的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)終端側(cè)與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的雙向身份鑒別機制。

（2）無線專網(wǎng)采用模塊化的加密與鑒權(quán)設(shè)計，也可以支持類似WAPI加密算法的替換以及擴展，從而實現(xiàn)符合企業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全標準的特定加密算法。

（3）基于5G技術(shù)的無線專網(wǎng)在接入鑒權(quán)、加密算法和數(shù)據(jù)流程等方面的技術(shù)優(yōu)于WAPI。

2.5 ?與網(wǎng)橋?qū)Ρ?/p>

5G專網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)擴容、多用戶、覆蓋等方面具有較大優(yōu)勢，具體對標分析如表4所示。

5G設(shè)備相較于網(wǎng)橋設(shè)備，可以根據(jù)實際需求即插即用地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴容，網(wǎng)絡(luò)性能獲得線性提升。另外，單機站覆蓋距離相差5～10倍;對于地形復(fù)雜場景5G專網(wǎng)可靠性強于網(wǎng)橋。

3 ?5G專網(wǎng)技術(shù)特性分析

綜上所述，5G專網(wǎng)具有大帶寬、廣連接、低時延、安全性高等諸多優(yōu)勢。同時，5G專網(wǎng)具備適用部署區(qū)域化、網(wǎng)絡(luò)需求個性化、行業(yè)應(yīng)用場景化等特點。所謂部署區(qū)域化，是指5G專網(wǎng)服務(wù)的部署范圍可根據(jù)區(qū)域設(shè)計，可面向封閉式的局域場景，如制造業(yè)園區(qū)、港口、礦山等;網(wǎng)絡(luò)需求個性化，是指對時延要求嚴苛、可靠性要求高、上行速率要求高、數(shù)據(jù)安全和隔離要求嚴格等，5G專網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、NFV/SDN實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)靈活部署[5];行業(yè)應(yīng)用場景化，是指5G網(wǎng)絡(luò)將為不同的行業(yè)場景就近部署算力并提供能力開放，部署示意圖如圖1（a）所示。5G專網(wǎng)可與現(xiàn)有IT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)兼容互通，網(wǎng)絡(luò)能力、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將不斷演進升級。最后，對于多數(shù)企業(yè)重要的一點是，5G專網(wǎng)可縮短建設(shè)周期，進而大大降低成本。

公網(wǎng)5G的虛擬專網(wǎng)，通過核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理單元UPF下沉到企業(yè)或園區(qū)內(nèi)，保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都需要由部署在運營商機房內(nèi)的核心網(wǎng)進行控制，用戶的控制信息和相關(guān)核心數(shù)據(jù)都要經(jīng)過核心網(wǎng)。如圖1（b）中的實線所示。在公網(wǎng)的虛擬專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片方案（以中國移動方案為例）中，同一個基站采用RB資源預(yù)留的方式進行資源隔離，普通用戶終端亦可在同一個基站接入，電力行業(yè)用戶與普通用戶并存，導致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全無法得到保障，一旦公共核心網(wǎng)受到攻擊，行業(yè)用戶將受到影響，抗毀性較差。

3.1 ?5G專網(wǎng)技術(shù)特性及優(yōu)勢

3.1.1 ?優(yōu)化新空口波束管理

5G新空口的波束管理以Massive-MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)，是5G中提高吞吐率和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。同4G的MIMO技術(shù)相比，5G的天線數(shù)量大大增加，所有上下行信道的發(fā)送接收都基于波束，如圖2所示[6]。多天線通過波束賦型可以實現(xiàn)如下功能：多用戶空分、提升頻譜利用率、提升能量利用率、滿足覆蓋需求。

3.1.2 ?增加上行子幀配比

5G公網(wǎng)以下行業(yè)務(wù)為主，配比如圖3所示。

5G專網(wǎng)采用定制化的上下行時隙配置，在使用相同頻譜資源的情況下，減少下行子幀配置，增加上行子幀配置。在2.5 ms雙周期時隙中，5G公網(wǎng)上行子幀占用1.5 ms，5G專網(wǎng)上行子幀占用4 ms，如圖4所示，因此5G專網(wǎng)設(shè)備的上行吞吐率是普通5G公網(wǎng)設(shè)備上行吞吐率的2.5倍。

3.2 ?數(shù)據(jù)不出園區(qū)

5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部署可面向封閉式的使用場景，根據(jù)客戶實際場景區(qū)域面積進行定制化部署。專網(wǎng)設(shè)備為電力行業(yè)用戶私有，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下沉到變電站等場景中，為電力行業(yè)用戶構(gòu)建一張物理隔離、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的連接網(wǎng)絡(luò)。該模式下可實現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的本地卸載，減小由于公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障而對用戶生產(chǎn)業(yè)務(wù)帶來的影響，保障生產(chǎn)安全。

3.3 ?覆蓋距離增強技術(shù)

基于5G uRLLC技術(shù)并通過鏈路自適應(yīng)、主動請求重傳、基于最大功率譜密度的調(diào)度策略等定制化算法，在保證通信可靠性的基礎(chǔ)上將最大路損提升10 dB以上，從而實現(xiàn)在無遮擋區(qū)域[7]，5G專網(wǎng)終端在距離射頻拉遠單元3 km的距離下，系統(tǒng)的總業(yè)務(wù)速率不受影響;在10 km處，5G專網(wǎng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)總上行速率和總下行速率可達200 Mbps。

3.4 ?低時延

通過核心網(wǎng)本地部署+空口預(yù)調(diào)度技術(shù)，有效提升端到端時延指標，網(wǎng)絡(luò)端到端時延<15 ms，部分場景下時延<10 ms。

3.5 ?靈活自服務(wù)

為行業(yè)用戶提供具備能根據(jù)用戶權(quán)限靈活配置業(yè)務(wù)策略（黑白名單、限速、IP地址分配等）的自服務(wù)能力。

4 ?5G專網(wǎng)組網(wǎng)及應(yīng)用

4.1 ?5G專網(wǎng)組網(wǎng)

5G時代已經(jīng)到來，通過5G eMBB大帶寬、mMTC大連接以及uRLLC超可靠低時延三大特性，為視頻傳輸、可視化管理、物聯(lián)網(wǎng)、感知技術(shù)、遠程控制等技術(shù)打開了新的格局。

5G專網(wǎng)解決方案通過由5G集中控制器、5G射頻拉遠單元和無線終端，并輔以視頻攝像機、傳感器物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、智能安全帽以及AI攝像頭等設(shè)備組合，實現(xiàn)了高清視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、AI+物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等諸多智能化管理應(yīng)用[8]，從而構(gòu)建了智慧工地的標準規(guī)范化體系、安全保障體系和運行管理體系。

4.2 ?5G專網(wǎng)應(yīng)用

數(shù)據(jù)感知層：包含環(huán)境監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、沉降監(jiān)測等物聯(lián)感知設(shè)備以及視頻監(jiān)控攝像頭等設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層：基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，整個智慧變電站施工階段的5G專網(wǎng)方案按照用戶優(yōu)先級進行切片管理，將辦公、施工監(jiān)控以及傳感器設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)整體融合，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化存儲以及遠端監(jiān)管的功能;其中5G專網(wǎng)可以根據(jù)用戶實際需求定制化產(chǎn)品和服務(wù)，通過5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，進行用戶優(yōu)先級設(shè)置，對辦公和施工監(jiān)控用戶進行優(yōu)先級設(shè)置，可有效解決當前的辦公占用較大帶寬時，施工監(jiān)控數(shù)據(jù)無法有效傳輸?shù)皆贫说膯栴}，如圖5所示。

4.3 ?布設(shè)方案

以5G專網(wǎng)為核心，運用“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”思維，縱深推進“多網(wǎng)融合、多網(wǎng)運行、一網(wǎng)治理”改革，構(gòu)建簡約高效的網(wǎng)絡(luò)管理機制，有效破解原有變電站基建工地組網(wǎng)復(fù)雜，維護困難的困境，初步探索出一條以5G專網(wǎng)為核心，將其他網(wǎng)絡(luò)作為子網(wǎng)的多網(wǎng)融合新路線。布設(shè)方案如圖6所示。

5 ?應(yīng)用展望

隨著感知層終端應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，在實際電網(wǎng)變電站建設(shè)中，多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景并存，終端應(yīng)用多樣化（如無人機巡檢、工程車輛遠程控制等），這對5G專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，帶寬、時延、連接數(shù)等關(guān)鍵通信指標會根據(jù)施工現(xiàn)場的實際需求進行技術(shù)迭代更新[9]。下面是對應(yīng)用場景的展望：

（1）eMBB場景，上行帶寬需求。隨著施工現(xiàn)場終端應(yīng)用的增加，對上行帶寬的需求愈發(fā)嚴苛，4K高清視頻、AR等大帶寬應(yīng)用會逐漸大范圍應(yīng)用于施工現(xiàn)場。對于以上終端帶寬的需求，5G專網(wǎng)設(shè)備的上行帶寬初步設(shè)計為1 Gbps，以滿足變電站施工現(xiàn)場超高上行帶寬的需求。

（2）mMTC場景，傳感器連接。目前，多數(shù)傳感器設(shè)備的通信方式為LoRa，隨著5G mMTC物聯(lián)網(wǎng)終端芯片的批量化生產(chǎn)，會逐漸代替LoRa終端。

（3）uRLLC場景，超低時延的遠程控制[10]（空口時延<3 ms）。對于作業(yè)危險區(qū)域的施工、監(jiān)控部署超低時延的5G專網(wǎng)設(shè)備，一是通過遠程控制工程作業(yè)車輛，減少施工人員高危區(qū)域作業(yè);二是通過超低延時的快速信息反饋（MEC+AI），及時快速地發(fā)出預(yù)警、告警，從而從根本上降低事故的發(fā)生率。

通過以上三種場景的技術(shù)應(yīng)用，憑借施工現(xiàn)場5G專網(wǎng)的部署方式實現(xiàn)智慧電網(wǎng)、智慧工地應(yīng)用愿景，使施工現(xiàn)場更加智能、安全。

6 ?結(jié) ?論

第五代移動通信技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到企業(yè)應(yīng)用中，并且隨著用戶依賴程度的加深而不斷強化。同時由于電網(wǎng)基建工程現(xiàn)場具有偏遠、分散的特點，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式受到極大限制，因此，以5G專網(wǎng)為核心的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案將是未來電網(wǎng)基建的新形勢。文章通過同類網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的對比分析，以及組網(wǎng)及應(yīng)用研究探索，闡述了5G專網(wǎng)基于智慧電網(wǎng)的先進性及必要性，以及技術(shù)可行性。能有效解決電網(wǎng)輸變電工程建設(shè)中，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、維護困難、網(wǎng)絡(luò)擁堵、跨區(qū)切換等諸多網(wǎng)絡(luò)問題。

未來5G定制化專網(wǎng)的發(fā)展會根據(jù)電力系統(tǒng)的實際業(yè)務(wù)需求，進行定制化的研究和開發(fā)，實現(xiàn)5G場景中eMBB、mMTC、uRLLC的整體應(yīng)用，實現(xiàn)工程施工可視化智能管理，實現(xiàn)綠色建造和生態(tài)建造。今后，待更多的物聯(lián)終端和感知設(shè)備配備了5G通訊模組后，5G網(wǎng)絡(luò)將會在智慧電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮海量終端接入、低延時、高速率等諸多優(yōu)勢。

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作者簡介：李洪豐（1969—），男，漢族，吉林長春人，高級工程師，本科，研究方向：電力調(diào)度及電力工程信息化建設(shè);通訊作者：李興（1977—），男，漢族，貴州，中級工程師，本科，研究方向：基建大數(shù)據(jù)算法和模型、邊緣代理多通訊模組及設(shè)備協(xié)議、物聯(lián)模型研究等;李洪濤（1980—），男，漢族，吉林長春人，本科，高級工程師，學歷，研究方向電網(wǎng)工程管理。