【2022年第8期】发电行业中的5G组网方式剖析

目录 | 2022年第8期出版 本期专题：5G专网应用

5G行业虚拟专网驱动应用范围化展开

5G工业专网架构和关键技术讨论

5G专网技术研讨及其行业应用

5G专网技术完成与演进剖析

面向行业数字化的5G ToB宏观展开之路：回想与瞻望

5G专网融合时间敏感网络架构技术

5G专网大上行带宽技术设计与完成

5G专网TSN总体架构及关键技术

基于IPv6的5G专网终端身份认证技术与应用

基于时间触发机制的5G应用肯定性计划探求

基于车联网的网络切片GBR动态专载触发计划

基于NPN公专网互通的聪慧交通专网计划和关键技术

5G专网应用专题 13

发电行业中的5G组网方式剖析

马丽萌，王志刚，曾港，杨爱东，王达，欧阳晔

【摘 要】为理处置发电行业在数字化升级过程中，传统通讯方式的传输速率低、掩盖面积小、时延大及数据隐私风险等问题，分离5G通讯技术构建发电行业中的5G专网组网架构。首先剖析了发电行业对5G专网的需求，概述了5G专网的规范化停顿及产业展开示状，其次研讨了发电行业5G专网的组网方式，明白了关键技术，最后论述了在核电厂中典型应用场景下的5G专网组网方式，为5G专网赋能发电行业提供了参考和自创，以期推进5G专网技术在垂直行业的应用。

【关键词】5G专网；发电行业；组网方式

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.08.013

中图分类号：TN914 文献标记码：A

文章编号：1006-1010(2022)08-0073-08

援用格式：马丽萌,王志刚,曾港,等. 发电行业中的5G组网方式剖析[J]. 移动通讯, 2022,46(8): 73-80.

0 引言

当前国内5G基站的部署数量约160万个，5G衔接总数已高达4.8亿 [1] ，5G成为历史上商业化展开最快的移动通讯技术，加速了经济和社会的数字化展开，其中5G的一项关键任务是赋予行业数字化转型的才干，因而5G必定要向垂直市场中止范围扩张。近年来，国度为推进5G技术在垂直行业的展开做出了多次重要指示，2022年3月国度能源局印发了《2022年能源工作指导意见》 [3] ，指出加快能源系统数字化升级，增强北斗系统、5G、国密算法等新技术和“互联网+保险监管”智能技术在能源范畴的推行应用。发电行业作为国民经济的基础性支柱产业，是智能能源和聪慧制造的重要组成部分，推进5G技术在发电行业的应用是必定的趋向。

发电行业在数字化升级 [4] 过程中，传统的通讯方式在业务应用中面临着诸多问题。发电行业通常采用有线和无线通讯分离的方式中止设备状态监控和运维，其中有线通讯方式因网络施工复杂，使得企业常常面临成本高问题；而无线通讯方式，包含Zigbee、Wi-Fi等短距离通讯技术及4G通讯技术 [5] ，短距离通讯技术呈现数据传输速率慢、通讯掩盖面积小的问题，而4G通讯技术也呈现出带宽小、时延大等缺乏，无法满足发电行业的数字化应用好比移动巡检；此外，直接采用4G公网的网络，容易存在发电行业的业务数据的泄露隐患。为理处置这些问题，5G专网遭到了发电行业的高度关注。5G专网具备高牢靠、高速率及广衔接等特性 [6] ，其中高牢靠特性可完成发电行业的业务数据与公网数据的隔离，提升了发电行业数据保险牢靠性；高速率特性，满足大带宽的业务需求，如高清视频监控，可完成数据实时传输、监控，保障了消费设备保险以及财富保险；广衔接特性，可普遍接入各种消费设备和传感器，统一了工业数据上传协议，完成数据的统一采集。因而5G专网技术将成为发电行业在数字化升级中关键技术。

本文引见了5G专网规范现状、运营商5G专网展开示状及目前发电行业专网应用现状，剖析了核电、火电微风电等发电企业的组网方式，引见了关键技术，探求了5G专网赋能发电行业的应用场景，为5G专网技术在发电行业的展开提出了树立性意见，为构建清洁低碳、保险高效的电力体系提供强有力支撑。

1 研讨背景

1.1 5G专网规范现状

近年来，国内外规范组织积极展开了对5G专网规范的研讨，特别是5G专网部署方式、5G专网架构以及5G专网在垂直行业应用等方面。国际上，3GPP R17 TS23.501 [7] 中提出了两种5G专网部署方式，一种为独立非公共网络（SNPN，Stand-alone Non-Public Network），是由NPN运营商运营，不依赖PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网）提供的网络功用；另一种为公共网络集成非公共网络（PNI-NPN，Public Network Integrated NPN），是在PLMN支持部署的非公共网络。2021年第四季度R18课题“增强非公共网络阶段二”（FS_eNPN_ph2）在3GPP SA2完成了立项，该课题旨在研讨SNPN之间的闲暇和衔接方式移动性、支持SNPN的非3GPP接入、基于控制平面的远程资源分配以及为IMS效劳提供更高效的SNPN支持等。2022年3月，GSMA发布了《中国5G垂直行业应用案例2022》 [1] 白皮书，该白皮书为了完成5G toB的范围化展开，对应用场景中止大范围选择，选择了刚性需求的应用场景，将5G城市、5G+智能制造、5G+智能采矿3个范畴作为5G toB范围化展开的突破口。在国内，中国通讯规范化协会（CCSA）密切关注5G专网，触及5G专网的项目为《5G移动通讯网支持非公共网络（NPN）技术请求》，该课题研讨PLMN网络集成非公共网络（PNI-NPN）和支持独立非公共网络（SNPN）的总体架构，包含网络标识、网络发现、网络选择、网络接入控制以及SNPN同PLMN网络的互通等。

1.2 运营商5G专网展开示状

国内运营商积极参与5G专网树立，依据3GPP 5G专网规范方式，纷繁推出了各自的专网树立计划 [8] 。中国移动5G专网树立计划分为优享、专享、尊享3种方式 [9] ，优享方式基于5G公网端到端网络切片为用户部署虚拟专网，可保障业务逻辑隔离，以及网络速率、时延、牢靠性的优先级；专享方式经过边沿计算、UPF下沉，满足行业客户数据不出场、超低时延等需求；尊享方式采用专用基站、专用频率，以及专用中心网，为行业客户专建专网。中国电信的5G专网树立计划分为致远方式、比邻方式、如翼方式 [10] ，致远方式基于中国电信5G网络资源，经过QoS、DNN定制和切片等技术，提供端到端差别化保障的网络衔接、行业应用等效劳；比邻方式经过无线资源预留、边沿节点等技术，面向时延敏感型客户提供一张带宽增强、低时延、数据本地卸载的专有网络；如翼方式面向高保险、高隔离的保险敏感型客户，按需定制专用基站、专用频率和专用园区级UPF等专用网络设备提供了一张隔离的、端到端高性能的专用接入网络。中国联通推出了5G虚拟专网、5G混合专网及5G独立专网等3种方式 [11] ，5G虚拟专网方式为5G基站、中心网（含用户面网元UPF，以及其他网元）和公网用户共享的，经过5G切片技术完成多个逻辑隔离的专属管道，完成专网用户与公共用户的业务隔离，保障用户业务保险；5G混合专网方式为5G基站是共享、但中心网的用户面功用（UPF）为专网用户专用，可下沉部署在企业园区内部的边沿计算节点上，企业园区内部的业务数据可经过专用UPF传输到企业内网；5G独立专网方式为终端专用、基站专用、中心网专用，与公网强迫性的硬隔离，完成高度的定制化。

1.3 发电行业专网应用现状

随着5G专网规范的制定及运营商5G专网树立计划的发布，发电行业积极探求5G专网与业务应用深度融合，在此过程中也面临着多种难题。首先保险性面临着应战：发电行业对网络保险、数据保险有着极高的请求，如何基于运营商的多种树立方式，定制发电行业专有的组网方式，保障发电业务保险牢靠的运营有待研讨；其次，网络肯定性难度高：发电行业部分应用场景对低时延、高牢靠性请求极高，需求向1毫秒和99.999 9%以至更好指标请求继续演进，例如远程控制类业务；第三是业务差别性大：公网承载的业务下行所需带宽较大，而发电行业的业务上行所需带宽较大，如何谐和发电行业与公网业务差别性，灵活适配业务场景也有待处置。

2 发电行业组网方式及关键技术

依据发电业务需求、电力二次系统保险防护保险分区请求 [12] 以及5G专网目前的展开示状，对当前NPN和PNI-NPN技术中可能的组网方式中止逐一剖析，从当选择出最为合适发电行业运用的5G专网组网方式，研讨组网关键技术。

2.1 独立组网方式

如图1所示，该方式对应3GPP的SNPN方式，树立了与运营商公网物理隔离的5G网络，包含独立的5G无线网、中心网和承载网，可为行业客户提供超大带宽、超低时延和最高的保险保障。此方式的优点是与公网完整隔离，数据和信令均不出园区，且功用可独立于公网演进。缺陷是树立成本偏高，只能掩盖有限区域，网络管理系统需求独立树立并且现场运维。

2.2 公网共享组网方式

公网共享组网方式对应于3GPP的PIN-NPN方式，主要包含共享无线、承载网，专享中心网；共享承载网、中心网控制面，专享基站和中心网用户面；共享UDM，专享基站、中心网用户面和部分中心网控制面。

（1）共享无线、承载网，专享中心网

如图2所示，专网的5G SIM卡和公网的5G SIM卡均经过公网基站中止接入，但是两类SIM卡携带不同的PLMN标识，基站可支持MOCN（Multi-Operator Core Network，多运营商中心网络） [13] ，将专网SIM卡的信令和数据发送到专网中心网，然后再进入企业内网。而公网SIM卡的信令和数据则会被基站转发至公网的中心网，从而完成公网业务与专网业务的保险隔离。此方式复用了公网无线掩盖，完成较大范围的专网业务接入，俭省了建网成本，缺陷是无法完成物理隔离，业务区域内运营商网络的公网业务负荷不能太高，否则会影响专网业务。

（2）共享承载网、中心网控制面，专享基站和中心网用户面

如图3所示，该方式经过将UPF（User Plane Function，用户面功用）下沉部署至园区内部，开通专用切片和DNN（Data Network Name，数据网络称号），完成了超低时延和数据不出园区才干。

此组网方式不适用发电行业，SIM卡信息存储在公网UDM中，控制面信令由公网中心网处置，专网用户的SIM卡发起的任何业务和位置变更事情均可被公网中心网捕获，存在较大的保险风险。同时，公网的网络毛病、SIM卡的签约信息变动，均可能招致终端业务异常或中缀，这些是发电行业保险等维护请求所不允许的。

（3）共享UDM，专享基站、中心网用户面和部分中心网控制面

如图4所示，该方式是目前运营商比较引荐的一种组网方式，经过将AMF（Access and Mobility Management Function，接入移动功用）/SMF（Session Management Function，会话管理功用）/UPF/UDM下沉部署至园区内部，能够完成超低时延、数据不出园区以及部分信令不出园区的才干，需求运用公网的SIM卡，配合区域限制战略，仅专网的SIM卡可经过专享基站接入下沉的AMF/SMF/UPF/UDM，下沉的网元与公网UDM链路中缀时，不影响专网的业务。

此方式属于一种新的组网方式，保险性高于上节（共享承载网、中心网控制面，专享基站和中心网用户面）所提到的组网方式，但低于独立组网方式，准绳上能够用于电力二次系统的管理信息大区。由于此种方式依旧有部分触及终端活动的信令会与公网UDM交互，且公网UDM中用户签约的变更可能招致业务异常或中缀，因而仍存在一定的保险风险。在实施中，需求严厉限制公网用户经过专享基站接入专网，同时严厉限制专网专用的SIM卡用户经过公网基站登录公网（如经过CAG（Cell Access Group，闭合接入组）签约等） [15] ，同时也需求调整基站时隙配比，提供大上行才干。

2.3 组网关键技术

（1）终端静态IP

移动网络关于终端IP地址不时采用动态分配的方式，每次用户重新树立会话后，会从地址池中分配一个新的地址，有很大约率与终端上次业务分配的地址不分歧，这个特性无法满足行业应用场景的需求。发电行业应用场景中请求网络具有更多的确定性，5G终端的IP坚持不变能够方便企业内部设置各类的保险战略，同时满足诸如摄像头拉流等场景的业务需求。针对此，5G专网需求支持在UDM中为SIM卡签约特定的IPv4（Internet Protocol version 4，网际协议版本4）或IPv6（Internet Protocol version 6，网际协议版本6）地址，SMF/UPF每次为该终端分配IP地址时，均可保障IP地址不变，从而完成IP-SIM卡—设备的一对一绑定。

（2）5G MOCN

5G MOCN（5G Multi-Operator Core Network）最初始的应用场景是多个运营商共享无线网，从而完成建网成本的降低，国外小型的私人运营商经常运用这个方式，国内电信和联通的5G共建共享也是运用这种方式。5G时期，3GPP将MOCN也作为PNI-NPN的一种重要方式，使得企业专网和运营商公网能够经过MOCN方式共享无线基站，从而降低专网的树立成本。MOCN请求手机终端、无线基站和中心网AMF均需支持运用多个PLMN ID或多组PLMN ID+NID（Network identifier，网络标识）的才干。

（3）5G LAN

5G LAN（Local Area Network，局域网）功用[16]是3GPP R16引入的新功用，其主要目的是处置工业范畴需求以太网二层通讯的问题，而这是普通4G/5G网络所不支持的。像传统PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）与PLC控制器之间的通讯，假如没有5G LAN功用，就需求设计较为复杂的组网才干满足需求，这招致需求投入更大肉体和更高的成本，成为5G应用于工业范畴的障碍。

5G LAN请求中心网支持以太网类型的PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话，关于曾经签约5G LAN DNN和5G LAN VN（Virtual Network，虚拟网络）的终端，UPF能够自学终端MAC（Media Access Control Address，媒体存取控制位址）地址，在没有IP地址的状况下为终端提供路由，UPF此时充任二层交流机提供转发效劳。5G LAN同时还支持单播、组播和广播，关于跨UPF的交互，支持动态创建N19接口。5G LAN经过为终端签约不同的VN组，完成灵活的组内通讯和组距离离控制。关于5G LAN功用，3GPP目前描画了local switch和N19隧道2种方式，如图5和图6所示。图5描画了运用本地交流机支持5G LAN类型效劳的非漫游用户平面架构，图6描画了运用N19隧道支持5G LAN类型效劳的非漫游用户平面架构。

（4）5G CAG

CAG是3GPP R16引入的接入限制新特性，很多时分是与PNI-NPN共同运用的。CAG功用能够限制用户只能在CAG对应的一组无线小区内才干访问PNI-NPN网络，处置原有接入限制功用只能限制到TA（Tracking Area，跟踪区域）级别，粒度太粗的问题。经过在PLMN ID下面定义独一的CAG ID，并为CAG ID关联一组无线小区，当UE用户签约一个或多个CAG ID后，用户只需在这些CAG ID对应的小区下面方可访问PNI-NPN，同样地，终端在CAG小区之外的位置则无法运用PNI-NPN提供的效劳。CAG功用需求终端、基站和中心网同时支持才干发挥作用。

3 典型应用场景

本章节以某核电厂为组网设计目的。经调研，该核电厂的工作区域分为核电消费区和核电厂前区，接下来将分别剖析各区域的业务需求和网络性能需求，针对性设计5G专网掩盖计划，为核电厂运转维修过程数字化、移动化及全过程跟踪提供参考。

3.1 核电消费区

（1）场景描画

核电消费区主要包含核岛、常规岛、BOP（Balance Of Plant，辅助系统）厂房以及应急指挥中心。在消费区内SPV（Single Point Vulnerability，关键敏感设备）设备管理和原资料的管理是核电业务对5G专网的首要需求，SPV设备是指单个设备毛病即可招致电站停堆、停机、降功率、功率大幅度动摇的设备。某核电一年曾发作了6起由于设备毛病招致的非计划停机停堆事情，反映出在设备管理方面存在缺乏 [17] 。在核电消费区内树立5G专网，要起到对SPV设备或其他重要系统设备的数据采集和预警的作用，包含构成针对放射源、危化品移动流转溯源、辐射监测的信息网，实时传输现场辐射水平数据，并涵盖关于消费区的机柜风扇、火警探头、防火门等散布较普遍的系统设备的简化运维，最终大幅提升核电企业的设备管理才干与保险保障才干。

此类应用场景为消费设备与原资料管理场景，5G网络性能需求如表1所示。

（2）组网方式

思索到核电场景无线环境特殊性，诸如消费业务的保险性、电磁兼容性请求以及核岛对无线信号的屏蔽等要素，在核岛厂房内部署的无线设备采用小功率、多基站的散布式系统架构，确保基站功率可控，并将基站和移动终端对岛内敏感的电气、仪控设备的电磁干扰降至允许范围内。基于以上请求，消费区5G网络采用专网专用的计划（SNPN），下沉的中心网经过网络保险设备与核电内网衔接，如图7所示。

该组网方式采用5G轻量化中心网，以主备方式或组POOL方式 [18] 提供容灾，完成双路供电，可依据业务需求，与集群调度系统和定位等应用系统对接，完成调度互通和室内定位等增值效劳。5G中心网效劳器、网管效劳器、应用效劳器等设备布置在厂前区办公楼内；传输网运用集聚交流机衔接多个BBU（Base Band Unit，基带处置单元）设备，集聚到主备设置的根交流机，如需支持切片业务，应运用支持IPRAN（IP Radio Access Network，无线接入网IP化） [19] 或SPN（Slicing Packet Network，切片分组网） [20] 的专业承载网设备；无线侧中针对常规岛&BOP位置较高、空间较为开阔的区域部署大功率RRU中止广域掩盖，关于信号难以掩盖的区域，如PX泵房的公开区域，运用rHUB、pRRU中止补盲，核岛一切房间部署射频处置单元pRRU（Pico Remote Radio Unit，微视频处置单元）或无源天线，其中橙区、红区（核电厂各区域按风险从低到高用不同颜色表示 [21] ）运用无源天线中止无线信号掩盖，黄区、绿区、白区运用pRRU中止无线信号掩盖。一切rHUB、BBU均部署在黄区、绿区和白区。

（3）实施要点

在该场景展开5G专网树立前，需求逾越两大难题。一是与运营商的商业协作方式，在保障业务保险运营的基础上，需求与当地运营商确立双赢的商业协作方式，取得最优的成本效益，在该组网方式中可能需求与运营商确立频段租赁方式；二是5G专网承载核电业务的保险论证，核电发电企业需制定5G专网承载核电业务的系列测试规范，肯定能否能抵达核电发电企业的保险防护请求。

3.2 核电厂前区

（1）场景描画

厂前区主要包含办公楼、检修楼等区域，该区域的业务场景包含场地环境管理场景、人员保险管理场景、工作活动管理场景。

场地环境管理场景，核电企业应用5G专网主要用于完成关键敏感区域出入管理，重要环境参数连续监控，重要环境参数数据采集及预警，重要设备和区域的电子围栏，高风险作业现场区域及时间提示，重要作业现场、暂时施工点、事故点的实时监控以及无人职守厂房的树立，也包含井盖监控、漏水检测、停车位应用部署等应用。人员保险管理方面，核电企业应用5G专网完成巡检保险管理，完成人员定位、人员清点及流量监控，进步现场人员保险维护水平，经过人员位置和设备位置确认避免人为操作错误；对控制区域和进入控制区的人员辐射剂量中止实时监控，保障工作人员的健康。在此场景中，5G的网络需求如表2所示：

工作活动管理场景，核电企业应用5G专网完成运转巡检，巡检人员运用5G专网实时录入发现的问题和缺陷，上传照片、视频（实时通讯）、巡检数据并记载跑、冒、滴、漏的状况；制定巡检计划、道路、任务和内容，可应用无线网络对边沿区域、风险区域中止无人巡检；应急抢险时，运用5G专网网络将风险信号及信息及时传回指挥部，进步指挥调度和现场工作效率，完成人员清点搜救、事故人员分散；资产管理中，完成厂区配送、仓储管理、工用具跟踪及固定资产物资的定位和搜索。在此场景中，5G的网络需求如表2所示。

（2）组网方式

厂前区的面积较大，基于树立成本的思索，采用了公网共享计划，数据不出园区卸载到核电基地，信令与运营商中心网坚持衔接，且经过MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边沿计算）与核电内网衔接。如图8所示，中心网侧依据核电厂的保险请求，需求控制数据不出场，将UPF下沉到电厂园区内机房，并部署MEC；传输网，需求控制园区内基站到UPF的直接衔接，保障厂前区特定终端数据途径不出园区，并提供FlexE硬通道切分才干；无线网，需求为厂前区规划宏站，宏站采用公网频段，位置要落在园区范围内，同时为厂前区规划特殊TA（Trace Area，跟踪区域），保障从此TA接入且签约了特定切片和DNN的终端，流量会被分流到厂区内MEC。在中心网配置黑白名单，保障厂前区的用户终端仅能够经过园区内的基站信号访问MEC。

（3）实施要点

在该场景展开5G专网树立前，在保障业务保险运营的基础上，需求与当地运营商确立双赢的商业协作方式，取得最优的成本效益，在该方式中可能需求与运营商确立专用切片计费方式。

4 终了语

引见了5G专网规范现状及展开示状，研讨了发电行业5G专网组网方式及关键技术，并基于发电行业5G专网的组网方式，探求5G在发电行业的应用场景，为5G专网赋能发电行业提供了参考和自创，进而推进发电行业的数字化转型。未来各个垂直行业将在5G专网规范基础上，针对行业的业务需求，推出差别化的组网方式，构成可范围化复制和推行的模范间。

参考文献：（上下滑动阅读）

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★原文发表于《 移动通讯》2022年第8期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.08.013

中图分类号：TN914 文献标记码：A

文章编号：1006-1010(2022)08-0073-08

援用格式：马丽萌,王志刚,曾港,等. 发电行业中的5G组网方式剖析[J]. 移动通讯, 2022,46(8): 73-80.

作者简介

王志刚：硕士毕业于南京航空航天大学电路与系统专业，现就职于亚信科技（中国）有限公司，担任5G网络产品总监，主要研讨方向为中心网、NFV、5G专网、网络切片等。

曾港：学士毕业于燕山大学通讯工程专业，现就职于亚信科技（中国）有限公司，担任技术规划经理与处置计划架构师，主要研讨方向为5G网络切片、5G专网、网络智能化等。

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