1、电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-12稿件编号：202111089基金项目：国家自然科学基金项目资助（51677065）作者简介：周志恒（1996），男，河南郑州人，硕士，助理工程师。研究方向：电力系统通信。面向配电网业务的5G切片部署策略研究周志恒1，张 平1，张琳娟1，邱 超1，谭洪涛2，樊 冰2（1.国网河南省电力公司 经济技术研究院，河南 郑州 450000；2.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）摘要：以高比例风光发电为特征的新型电
2、力系统建设使得5G通信技术在配电网中的规模化应用成为必然，但配电网业务多样性对5G切片部署策略提出了挑战。针对配电网多业务场景下5G切片部署问题，构建了切片部署成本模型和时延模型；提出了基于成本惩罚函数和时延惩罚函数的成本时延联合优化算法，该算法通过惩罚函数，将切片部署成本和业务无线接入时延对部署策略选择的影响进行量化，通过自适应系数融合两种影响；根据配电网业务终端的接入情况制定切片部署策略。仿真结果表明，该文算法在满足配电网业务传输时延要求的情况下，切片部署效益较时延最优算法平均提升了48.7%，能够为5G通信技术在配电网中的规模化应用和建设提供有价值的理论依据。关键词：配电网；5G通信；5
3、G切片部署；部署成本；传输时延中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0028-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.006Research on deployment strategy of 5G slice for distribution network serviceZHOU Zhiheng1，ZHANG Ping1，ZHANG Linjuan1，QIU Chao1，TAN Hongtao2，FAN Bing2（1.State Grid Henan Electric Power Company Econom
4、ic and Technological Research Institute，Zhengzhou450000，China；2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable EnergySources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）Abstract:The construction of new power system characterized by high proportion of wind and
5、 solar powergeneration makes the large scale application of 5G communication technology in distribution networkinevitable，but the diverse services of distribution network poses a challenge to 5G slice deploymentstrategy.Aiming at the problem of 5G slice deployment in the multi service scenario of di
6、stributionnetwork，the slice deployment cost model and delay model were constructed；A cost delay jointoptimization algorithm based on cost penalty function and delay penalty function was proposed.Throughthe penalty function，the impact of slice deployment cost and service wireless access delay on depl
7、oymentstrategy selection was quantified，and then the two effects were fused through adaptive coefficients；Theslice deployment strategy was formulated according to the access of distribution network serviceterminals.The simulation results show that when the algorithm meets the requirements of service
8、transmission delay in distribution network，the benefits of slice deployment are increased by 48.7%onaverage，which can provide a valuable theoretical basis for the largescale application and construction of5G communication technology in distribution network.Keywords:distribution network；5G communicat
9、ion；5G slice deployment；deployment cost；transmissiondelay-28随着新型电力系统建设逐步推进，配电网业务种类不断增加，通信需求异质性日益显著1，需要将5G通信技术引入配电网2-3并进行灵活的 5G网络切片部署4。该文重点研究 5G 接入网的切片部署策略。接入网切片由中央单元(CU)、分布单元(DU)和有源天线单元(AAU)三类实体单元组成5，其部署策略需要考虑配网业务通信关键性能指标和成本控制需求6，两者存在博弈关系，许多学者对该类问题进行了相关研究7-10，但均没有考虑博弈双方的约束限制。该文首先构建了成本模型和时延模型，然后通过惩罚函
10、数对博弈双方进行约束，并通过自适应参数确定优化目标；最后根据优化结果制定切片最优部署策略。15G切片部署架构5G 接入网切片架构可以分为 CU/DU 分离架构和CU/DU融合架构11。CU/DU 分离架构的优点主要体现在：硬件实现灵活，节省成本；可以实现性能和负荷管理协调，易于实现 NFV/SDN功能；功能可分割配置以满足不同应用场景的需求12。CU/DU分离架构存在八种协议栈划分方式13，如图1所示。图1CU/DU协议栈划分图 1 中，不同的协议栈划分方法是将八种通信协议以及对应的硬件模块以不同的组合方式分别集成到 DU和 CU之中，不同协议栈划分方法对应不同的二级结构和组网方式，进而产生不
11、同的建设成本和传输时延14。CU/DU融合架构是在单一物理实体中同时实现CU 和 DU 的功能，其优点是可靠性高，体积小，功耗小且环境适配性较好，对机房配套条件要求较低，其缺点是建设成本较高15。CU/DU 融合架构分为 CU/DU 合设架构和 CU/DU/AAU 合设架构。CU/DU 合设架构为二级结构，上级为CU/DU组成的一体化结构，下级为AAU有源天线单元。CU/DU/AAU 合设架构为一级结构，将CU/DU/AAU合一部署，能满足超低时延需求16。2系统模型典型 5G 切片架构如图 2所示，切片架构 1为分布式 CU/DU 分离架构，切片架构 2 为集中式 CU/DU分离架构，切片架
12、构3为CU/DU合设架构，切片架构4为 CU/DU/AAU 合设架构。在每种分离架构下，还存在不同的协议栈划分方法，该文将针对不同架构不同协议栈划分下的 5G 部署策略建立成本模型和时延模型。图2典型5G切片架构2.1成本模型切片部署成本包括资本性成本和运维成本，资本性成本包括设备成本和基础设施成本。基础设施成本为基站和机房的建设成本，与基站和机房的数周志恒，等面向配电网业务的5G切片部署策略研究-29电子设计工程 2023年第4期量成正比，因此与协议栈划分无关，仅与切片架构有关。运维成本为运行和维护不同部署单元的耗电费用、人工维护费用等，相同架构下不同协议栈划分方式会产生不同的运维成本17。
13、1）基础设施成本：Ii=bCb+ciCc（1）其中，b为基站数量，Cb为基站的建设成本，ci为第 i 种切片架构下的机房数量，Cc为机房的建设成本。基站数量 b=n/n0，其中，n 为配电网业务终端数量，n0为单基站可接入终端数。ci的计算公式为：c1=p1+q1,i=1c2=q2,i=2c3=p3=q3,i=3c4=0,i=4（2）其中，pi为第 i种切片架构下 DU 单元的数量，qi为第i种切片架构下CU单元的数量，具体为：p1=b nDAp2=bp3=b nDAp4=b,q1=b nDAnCDq2=b nCDq3=b nDAq4=b（3）其中，nDA为DU单元可以连接的AAU单元数，nC
14、D为CU单元可以连接的DU单元数。2）运维成本：Oi,j=bOAi,j+piODi,j+qiOCi,j（4）其中，OAi,j、ODi,j和OCi,j分别为第 i种切片架构第 j种协议栈划分方式下的 AAU 单元运维成本、DU 单元运维成本和CU单元运维成本。综上，第 i种切片架构第 j种协议栈划分方式下的切片部署成本为：Ci,j=Ii+Oi,j+Ei（5）其中，Ei表示第i种切片架构下的设备成本。2.2时延模型配电网业务接入时延由三部分构成，包括数据基本处理时延、AAU-DU前传时延和DU-CU中传时延18。第 i种切片架构第 j种协议栈划分方式下第 s类配电网业务的业务无线接入时延为：ti,
15、j,s=s+Afs,jVfi+Ams,jVmi（6）其中，s为第 s类配电网业务的数据基本处理时间，Afs,j为第 j种协议栈划分方式下第 s类配电网业务的前传数据量，Ams,j为第j种协议栈划分方式下第s类配电网业务的中传数据量，Vfi为第 i种切片架构前传链路的信息传输速率，Vmi为第 i种切片架构中传链路的信息传输速率。3成本时延联合优化算法3.1成本惩罚函数成本惩罚函数应该与部署策略的成本相关，成本越高，惩罚也就越重。同时，函数应该具有较好的灵活性，可以调整惩罚的力度，满足不同场合需求。基于以上考虑，该文成本惩罚函数定义为：Si,j=1+Ci,jC0-13（7）其中，Si,j为第 i种
16、切片架构第 j种协议栈划分方式下的成本惩罚值，C0为成本阈值，由电力公司投入预算确定。在部署策略成本低于成本阈值时，成本惩罚函数值呈现先陡后缓增长趋势，在成本达到成本阈值时，成本惩罚函数值达到 1，在部署策略成本高于成本阈值时，成本惩罚函数值将迅速增长。3.2时延惩罚函数构建时延惩罚函数需要考虑两个因素，一是业务无线接入时延，二是业务终端占比。当某类业务无线接入时延高于其最佳时延阈值时，其对应的时延惩罚子函数将快速增加，当高于基本时延阈值时，其对应子函数值将陡增。基本时延阈值为业务能够正常传输的最大时延，最佳时延阈值为留有一定时延裕度的时延值，留出的时延裕度可作为误码、反馈等传输问题处理或补救的时间。该文定义时延惩罚子函数为：Ti,j,s=ti,j,sds（8）其中，Ti,j,s为第s类配电网业务在第i种切片架构第j种协议栈划分方式下的业务时延惩罚值，ds为第s类配电网业务终端的基本时延阈值，为时延惩罚参数，其计算公式为：=log（9）其中，为惩罚临界系数，当业务时延小于最佳时延时，惩罚子函数将在区间0,上缓慢增加，子函数值超过后，将快速增加，该文取=0.1，为最佳时延阈值和基本时延阈
