基于资源分区的电力无线专网架构设计研究

姚继明1,韦磊2,郭经红1  

(1. 全球能源互联网研究院有限公司,北京市 昌平区 102209;2. 国网江苏省电力有限公司,江苏省 南京市 210024)

摘要

为了解决不同电力不同信息大区业务的QoS质量保障以及满足电力系统安全防护规定问题,提出了基于电力业务特征的资源分区概念,通过为精准控制类业务、一般控制类业务和其他一般业务分配不同的物理资源池,来提高业务服务质量并保证不同信息大区业务的隔离度。考虑到现有电力无线网络覆盖的丰富性,提出基于业务特征感知的异构网络选择算法并进行仿真,算法不仅考虑到业务特征同时考虑网络特征。该算法计算简单且复杂度低,能够减少系统处理时延,提高无线网络的服务质量,仿真结果表明了算法的优越性。

关键词 : 电力无线专网;资源分区;异构网络;业务特征感知

基金项目:国家电网公司科技项目“基于LTE的无线专网与电力业务的适配性研究与应用”(5455HT170010)。

0 引言

《电力监控系统安全防护规定》中指出,电网企业内部基于计算机和网络技术的业务系统,划分为生产控制大区和管理信息大区,禁止任何穿越生产控制大区和管理信息大区之间边界的通用网络服务。目前电力系统中可以通过无线网络承载的业务主要包括以下3个大类:精准控制类业务,简称精控类业务(如精准负荷控制业务,时延要求小于50 ms,对网络质量要求高);一般控制类业务[如配电自动化,时延要求小于2 s;用电信息采集(负荷控制),时延要求小于5 s];其他普通类业务[如移动应用类业务(巡检作业等)]。精准控制类业务和一般控制类业务属于生产控制大区,其他普通类业务属于管理信息大区业务。因此,使用同一无线网络承载这几类业务,必须满足安全隔离的规定要求,同时,需满足业务的通信质量要求。

目前电力系统可用的无线网络主要包括3种类型网络:第一种是租用无线公网,包括移动、联通、电信的无线网络,在无线网络覆盖的区域内实现接入,但该种网络是公共网络,无法承载电力系统的控制类业务;第二种是自建LTE230无线专网,主要利用电力专用的230 MHz离散频点资源,采用频点聚合的方式,实现宽带传输,但聚合后的带宽为1 MHz,传输大流量业务能力有限;第三种是自建LTE1800无线专网,与其他行业共享使用1785~1805 MHz范围的频段,实行谁先申请谁先使用的原则,目前申请的频率范围为5 MHz,个别地区有10 MHz[1-3]。根据实际网络部署情况,公网覆盖范围最大,在城市地区基本实现100%覆盖,在郊区及农村地区实现90%以上的覆盖,而自建电力无线专网,根据电力业务部署情况,主要实现重点业务覆盖,也既公网和专网存在信号覆盖重叠的区域,电力业务终端进行通信网络选择时,存在公网和专网两种选择,特殊情况下,面临3种类型网络的选择,在不同业务需求的背景下,选择何种网络将直接影响业务承载的质量、网络承载容量等,对发挥网络最大效能、提高业务服务质量等都具有重要影响。

传统的异构网络选择算法大致分为3类[4-6]:第一类是基于单一网络属性的判决算法,判决因素单一,容易实现,但考虑因素少,有效性低,且容易造成“乒乓效应”;第二类为基于多属性的判决算法,一定程度上降低了“乒乓效应”的影响,但算法本身复杂度高,需要进一步优化;第三类是通过动态规划或者人工智能来进行切换判断,有效性和复杂度都高,对设备计算能力要求较高,导致应用范围受限。另外,还有不少学者提出了基于主观和客观权重相结合的网络选择算法,以上这些算法都是考虑LTE、WLAN、WiMAX等网络的融合,且算法复杂度都比较高[7-9]。而对于电力应用场景,异构网络类型较为简单,且对网络选择算法的复杂度要求尽可能低,否则影响业务接入时延,进而影响业务服务质量。基于以上背景,本文提出基于电力业务特征的资源分区及网络选择方法,旨在保障业务隔离的同时,提高网络利用效率和业务服务质量。

1 基于业务隔离的电力无线专网网络架构

1.1 资源分区

为了解决在同一网络接入条件下的不同信息大区业务隔离问题,本文提出频率资源分区的概念,如图1所示,将可用频率分为3个部分,分别为精控业务资源池、一般控制业务资源池和其他普通业务资源池,其目的是保证不同类型业务之间资源隔离,保证服务质量且符合电力安全管理要求,继而实现精准控制类业务享用专用资源,保障服务质量,一般控制类业务之间共享控制业务专用网络资源,其他普通业务共享其他普通业务专用网络资源,实现不同类别的业务隔离。在同一资源池的同一子载波中,在不同的时隙里,可以服务该类型业务的不同用户,在同一时隙里,不同的子载波上,也可以支持多个用户接入。具体每种业务的带宽是根据业务需求通过调整资源块RB(Resource Block)的数目来进行动态调整。以标准LTE协议为例,一个RB是由12×7=84个RE(Resource Element)组成,一个RE带宽为15 kHz,7个RE组成一个时隙,共0.5 ms。

图1 基于资源分区的业务隔离方案
Fig.1 Business isolation scheme based on resource partition

1.2 基于资源分区的无线网络架构

基于资源分区的电力无线专网网络架构如图2所示(这里资源分区只考虑电力无线专网这类网络是因为公网的资源分配不受电力企业控制)。

图2 基于资源分区的电力无线专网网络架构
Fig.2 Network architecture of power wireless private network based on resource partition

业务终端通过网口或串口连接无线通信终端,通过在基站侧的时分和频分的方法实现生产控制大区和管理信息大区的业务隔离,不同业务类型的终端(业务)通过不同的频率接入基站。为保证不同业务的QoS质量要求,对于精准控制类业务,分配专用的时隙和频率资源,提供专线通道;对于一般控制类业务,分配专用的接入资源,但业务之间进行资源共享;对于其他类的业务,共享剩余资源。在核心网侧,部署2套核心网设备,一套用于承载精控和一般控制类业务,一套用于承载其他类的管理信息大区业务,然后通过路由接入不同的主站系统。同时,为了保证服务质量,精准控制业务终端的无线接入点处的RSRP不小于-90 dBm,对于其他类业务RSRP不小于-115 dBm。

以上资源分区的方法适用于终端附着于电力无线专网后的网络资源分配,即终端接入电力无线专网之后,核心网执行的资源分区算法流程。不论终端是接入单一制式网络还是接入异构融合网络,资源分配都是必备步骤,对于异构融合网络,终端进行网络选择之后,执行单制式网络的资源分区流程,另外,保障不同大区的业务安全隔离也是电力无线专网建设的首要内容。考虑到电力无线网络存在多种制式共存的局面,下面开展面向电力业务特征感知的异构网络选择算法研究。

2 基于业务特征感知的异构网络选择算法

本节所提的异构包括两种异构场景,一种是电力无线专网和无线公网之间的异构,另外一种是电力无线专网之间(LTE230和LTE1800)的异构。

2.1 电力无线专网与无线公网间的融合

当网络接收到一个业务的接入请求时,首先进行业务特征感知,这里业务特征主要依靠深度分组检测(deep packet inspection, DPI)进行识别,判断其是否为控制业务。如果是,将接入请求转发给电力无线专网,否则,感知业务时延要求,如果时延要求很小(小于10 s),转发请求给电力无线专网,否则,进行带宽判决,如果业务带宽需求很大(超过1 M),转发请求给电力无线专网,其他情况,业务请求发送给无线公网。这类的业务特征不是网络实时进行感知,而是业务发送请求时附带其业务属性(电力业务通信要求比较明确,有固定的数值要求,故不用实时感知)。

2.2 电力无线专网之间的融合

从实际的部署环境以及异构融合的可行性方面考虑,电力无线专网之间的融合是比较常见的,也是本文的研究重点。因涉及到终端的网络选择以及资源的分配,异构融合需要终端、基站、核心网侧的支撑。面向电力无线专网的异构专网选择算法流程如图3所示。

图3 面向电力异构专网的网络选择算法示意图
Fig.3 Diagram of network selection algorithm for power heterogeneous private network

首先进行业务的带宽特征感知,如果识别为高带宽业务,将业务请求发送给LTE1800网络,这是因为LTE230网络在当前频率分配条件下,只有1 M带宽频段,难以支撑高带宽业务传输。

如果识别为低带宽业务,也既两种网络都能承载,则进入下一步的业务类型特征感知,如果识别为控制类业务(包括精控类业务和一般控制类业务),基于异构网络的接收信号强度和相应业务资源分区的资源空闲率进行选择,具体来说,当两种网络的接收信号强度相差不大,则由对应业务的资源空闲率决定网络接入对象,如果接收信号强度相差较大,选择信号强度大的网络接入。这是因为无线信号强度直接影响传输链路质量,进而影响丢包率、时延等参数,而对于控制类业务,需要保证传输质量,因此需要选择信号场强大的网络接入。具体选择方法如式(1)所示。

这里的表示LTE230网络的第j个资源池的空闲率,j取1时,表示精控业务资源池的空闲率,j取2时,表示一般控制业务资源池的空闲率,j取3时,表示其他普通业务资源池的空闲率。同样的,表示LTE1800网络的第j个资源池的空闲率。R1R2分别表示LTE230和LTE1800的接收信号强度。Index()函数输出下标,当输出为1时,表示选择LTE230网络接入,输出为2时,表示选择LTE1800网络接入。这里的R1/R2表示两种网络的信号强度对比,又因为LTE230穿透能力强,所以在同样环境下,R1大于R2。由于信号强度都是用负数表示(如-60 dbm),所以R1/R2的比值不会大于1。选取0.8的比值是因为达到这个比值时,两个网络的接收信号强度差值在10 dbm左右,已经差了一个量级,说明网络质量相差很大,这种情况就要考虑信号强度为网络选择的判别依据。

如果识别为其他类的业务,直接选取其他普通业务资源池空闲率高的网络进行接入,这是因为其他类的业务对时延、可靠性等参数要求不高,对网络的要求是尽力而为地传输。

该异构网络选择算法的合理性在于LTE230系统和LTE1800系统都是基于LTE技术体制,两种网络最大的区别是工作频率和可用带宽不同,而这仅直接影响信号强度和传输速率,而在安全性、可靠性、时延等方面,两种网络差别不大。选择网络时不需考虑太多参数,故该算法计算过程简单,具有一定的应用价值。

下面利用Matlab进行算法理论仿真,假定存在LTE230和LTE1800这两种无线网络环境,多模终端位于同时被这2 种无线网络环境覆盖的范围内,信号强度在(-115 dbm,-70 dbm)范围内,分别模拟低速业务(0~1 Mbit/s),高速业务(2~4 Mbit/s)在模拟接入次数(100~500)下的接入成功率。如图4所示,主要比较的性能是低速业务和高速业务在传统选择算法(最大空闲率接入算法,也既选择空闲率最高的网络接入)和本文算法条件的业务接入成功率。从下面的仿真图可以看出,低速业务的接入成功率大于高速业务的接入成功率,而且,本文所提算法的接入成功率高于传统算法的接入成功率,对于高速业务,因为资源空闲率的限制,接入成功率整体不高,但本文算法还是优于传统算法。接入成功率直接影响了业务的重复接入次数,继而影响业务接入时延,对于电力业务服务质量具有一定影响,仿真结果表明了本文提出的算法在提高接入成功率方面的优越性,对保障电力业务服务质量具有一定的提高作用。

图4 不同算法业务接入成功率性能比较
Fig.4 Performance comparison of service access success rate of different algorithms

在实际部署应用中,还存在一些问题影响算法的应用,主要表现在以下方面:

1)异构网络互连互通难度很大。目前试点使用的LTE230系统产业链比较单一,系统协议开放程度不高,而且因LTE230的离散频点使用问题,导致物理层帧结构等与LTE1800系统差别很大,无法进行异构互联互通。解决这些问题需要不同厂家统一协议统一标准,但因涉及到厂商改造成本和利益,在短时间内无法解决,这将直接影响到异构算法的实现和应用。

2)多模终端应用还不成熟。异构专网的网络选择主要由终端侧发起,目前多模终端因射频前端硬件等原因限制,产业链不成熟,影响了多模异构终端的应用和部署。

3)异构网络部署成本较高,部署地区有限。异构专网网络需要部署2套不同的专网网络来实现业务双网覆盖,提高了网络建设成本,对于电力重要通信业务,一般采用有线通信方式,异构无线双网覆盖只在特殊情况下才会部署,在一定程度上影响了算法的应用规模。

3 结语

考虑到电力不同信息大区业务的QoS要求,以及电力二次系统安全防护管理规定中关于业务安全隔离要求,提出资源分区的概念,为精控类业务、一般控制类业务和其他类业务分别分配了物理隔离的资源池,有效保证了业务的隔离性,且提高了业务服务质量,针对电力系统目前可用多种无线网络的现状,提出了一种基于电力业务特征感知的异构网络选择算法并进行仿真,利用业务特征选取最适宜的网络进行承载,该算法考虑了网络特性和业务特征,且算法计算简单,复杂度低,有利于降低网络处理时延,对电力应用具有重要意义。

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Science and Technology Foundation of SGCC(5455HT170010).

Architecture Design of Power Wireless Private Network Based on Resource Partition

YAO Jiming1, WEI Lei2, GUO Jinghong1
(1. Global Energy Interconnection Research institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Nanjing 210024, Jiangsu Province, China)

Abstract:Aimed to address the different QoS requirements of the power service and the security demand prescribed in safety protection regulations of the power system, the concept of resource partition is proposed, which assigns physical isolation pool of resource for the precision control service, general control service and other general service, ensures the isolation of the service and improves the quality of service. A heterogeneous network selection algorithm based on service-feature-aware is proposed for the present situation of various wireless networks for electric power communication. This algorithm considers the network characteristics and the service characteristics. This algorithm is simple and the complexity is low, which is helpful to reduce the delay of network processing and improve the service quality of wireless network. The simulation results show the superiority of the algorithm.

Keywords:power wireless private network; resource partition;heterogeneous network; service-feature-aware


姚继明

作者简介:

姚继明(1987),男,硕士,高级工程师,研究方向为电力通信技术,E-mail:yaojiming@geiri.sgcc.com.cn。

韦磊(1981),男,博士,高级工程师,研究方向为电力通信技术管理等。郭经红(1967),男,博士,研究员级高级工程师,研究方向为电力信息通信技术等。

(责任编辑 张鹏)

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