配电网5G通信架构及其时延可靠性研究

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2024082

电信科学 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (3): 162-173.doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2024082

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配电网5G通信架构及其时延可靠性研究

王海洋¹, 王玉东², 刘晗³, 孙海蓬¹, 杨瑾⁴, 李正浩³

¹ 山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250100
² 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209
³ 国网山东省电力公司，山东济南 250001
⁴ 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876

修回日期:2024-03-13 出版日期:2024-03-01 发布日期:2024-03-01
作者简介:王海洋（1984- ），男，山东电力工程咨询院有限公司高级工程师，主要从事电力通信规划设计与研究工作
王玉东（1970- ），男，国网经济技术研究院有限公司教授级高级工程师，主要从事电力系统通信领域研究工作
刘晗（1979- ），男，国网山东省电力公司数字化部建设技术处处长、高级工程师，主要从事电力数字化建设管理工作
孙海蓬（1982- ），男，山东电力工程咨询院有限公司电网设计研究院配网信通部主任、教授级高级工程师，主要从事电力系统通信领域研究工作
杨瑾（1997- ），女，北京邮电大学信息与通信工程学院博士生，主要从事无线通信领域的研究工作
李正浩（1991- ），男，国网山东省电力公司高级工程师数字化部建设技术处专责，主要从事5G及电力数字化建设管理工作

Research on 5G communication architecture of distribution network and its latency with reliability

Haiyang WANG¹, Yudong WANG², Han LIU³, Haipeng SUN¹, Jin YANG⁴, Zhenghao LI³

¹ Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd., Jinan 250100, China
² State Grid Economic and Technological Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China
³ State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250001, China
⁴ School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Revised:2024-03-13 Online:2024-03-01 Published:2024-03-01

摘要/Abstract

摘要：

5G在数字配电网领域的核心价值在于发挥5G的超高可靠、低时延技术优势，为配电网涉控业务提供高可靠、低时延的通信。为了系统地提供配电网5G通信时延与可靠性理论分析方案，结合数字配电网业务给出了配电网5G通信典型架构，深入分析了针对配电网5G通信的时延模型，针对国内四大运营商5G帧结构逐一进行了端到端时延分析，并通过5G链路级仿真了3GPP Rel-15和Rel-16的5G可靠性数值，提出了配电网5G通信的时延与可靠性联合分析方法。

关键词: 5G, 数字配电网, 时延, 可靠性, URLLC

Abstract:

The core value of 5G in the field of digital distribution network is to give play to the technical advantages of 5G in ultra-high reliability and low latency, and provide high reliability and low latency communication for the control related business of distribution network.In order to provide a systematic theoretical analysis scheme for the latency and reliability of 5G communication deployment applications in the distribution network, a typical architecture of 5G communication in the distribution network in combination with digital distribution network services was given, the latency model for 5G communication in the distribution network was deeply analyzed.The end-to-end latency analysis for 5G frame structures of four operators in China was conducted with 5G reliability values of 3GPP Rel-15 and Rel-16 through 5G link level simulation.At last, a joint analysis method of time latency and reliability of 5G communication in distribution network was proposed.

Key words: 5G, digital distribution network, latency, reliability, URLLC

中图分类号:

TN915.85

王海洋, 王玉东, 刘晗, 孙海蓬, 杨瑾, 李正浩. 配电网5G通信架构及其时延可靠性研究[J]. 电信科学, 2024, 40(3): 162-173.

Haiyang WANG, Yudong WANG, Han LIU, Haipeng SUN, Jin YANG, Zhenghao LI. Research on 5G communication architecture of distribution network and its latency with reliability[J]. Telecommunications Science, 2024, 40(3): 162-173.

图/表 13

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参考文献 18

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配电网典型涉控业务	综合带宽业务带宽速率需求	时延需求	可靠性要求
分布式能源调控控制类	≥2 Mbit/s	主站-终端通信时延≤1 s	99.999%
配电自动化“三遥”	≥19.2 kbit/s	主站-终端通信时延≤2 s	99.999%
分布式馈线自动化	≥2 Mbit/s	终端-终端通信时延速动型：≤20 ms缓动型：≤1 s	99.999%
精准负荷控制	48.1 kbit/s～1.13 Mbit/s	控制主（子）站-终端时延≤50 ms	99.999%
配电网差动保护	≥2 Mbit/s	终端-终端通信时延＜15 ms	99.999%
配电网微型同步相量测量PMU	＞10 Mbit/s	终端-主站≤50 ms	99.999%

端到端承载方案	切片形式	网络正常情况下单设备最高时延/μs		网络拥塞情况下单设备平均时延（高优先级业务）/μs
端到端承载方案	切片形式	核心设备	接入汇聚设备	核心设备	接入汇聚设备
FlexE+VPN QoS	FlexE之间硬切片，FlexE之内软切片	30	20	50	50
FlexE交叉	FlexE之间硬切片，FlexE之内硬切片	10	3	10	3

5G频段	空口传输次数/次	空口上行时延（免调度）均值/ms	空口下行时延均值/ms	承载网时延/ms	核心网时延/ms
中国移动2.6 GHz TDD	1	2.3	2.9	1.5	0.6
	2	7.25	7.75	1.5	0.6
	3	12.2	12.6	1.5	0.6
中国电信/中国联通3.5 GHz	1	1.3	1.95	1.5	0.6
TDD	2	3.75	4.3	1.5	0.6
	3	6.2	6.65	1.5	0.6
中国广电700 MHz/中国电信/	1	1	3	1.5	0.6
中国联通2 100 MHz FDD	2	5	7	1.5	0.6
	3	9	11	1.5	0.6
注：根据中兴通讯典型实测数据，在64 Gbit/s吞吐量情况下，UPF转发时延为0.6 ms。回传网按照4核心、4汇聚、8接入、100 km光缆测算。

参数	参数设置
信道模型	TDL-C （时延扩展：300 ns）
终端运动速度/（km·h^-1）	3
BS 天线端口数量	4接收天线端口
终端天线端口数量	2发送天线端口
带宽/MHz	40
子载波间隔/kHz	30
合并方式	最小均方误差（MMSE）
DMRS个数	1
DMRS 种类	Type1/单符号DMRS
时域插值方式	线性
频域插值方式	sinc函数
Slot个数	1 000 000
终端个数	1
BS个数	1
信噪比范围/dB	-14～25

频率资源	时延类型	业务速率要求
频率资源	时延类型	2 Mbit/s	4 Mbit/s	6 Mbit/s	8 Mbit/s	10 Mbit/s
5RB	UL时延/ms	9.05	17	99.15	2 197.95	4 609.45
	GRANT-FREE UL时延/ms	6.2	13.55	89.5	2 029.9	4 259.4
	DL时延/ms	6.65	13.7	86.55	1 947.75	4 086.25
10RB	UL时延/ms	6.4	9.05	11.7	17	43.5
	GRANT-FREE UL时延/ms	3.75	6.2	8.65	13.55	38.05
	DL时延/ms	4.3	6.65	9	13.7	37.2
15RB	UL时延/ms	3.75	6.4	9.05	9.05	11.7
	GRANT-FREE UL时延/ms	1.3	3.75	6.2	6.2	8.65
	DL时延/ms	1.95	4.3	6.65	6.65	9

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