核电5G专网应用探索与实践_周亚.pdf

论点 ARGUMENT 科技论坛128核电 5G 专网应用探索与实践 文/周亚基于 5G 高带宽、低时延、广链接的技术特点，本文分析了其在公网专网、混合专网、专网专用的组网方式中的应用差异，以及未来可能要应对的市场变化。本文还结合 5G 在核电领域的应用现状，创新性提出针对核电业务特点的核心网下沉组网方式，旨在为核电行业注智赋能，为 5G 专网与日常管理的结合提供新思路。随着“双碳”目标的持续推进，核电作为近零排放、清洁稳定的基荷电源之一，迎来了重要的发展机遇。截至 2022 年 6 月，我国在运核电机组共 54 台，在建核电机组共 23 台，在运在建核电机组数排名全球第二。预计到2025 年，我国核电运行装机容量将达到 7000 万千瓦。由于核电机组属于密集型重资产企业，核电企业只有将机组设备、系统的安全性和可靠性维持在较高水准，将故障率降至最低，加快落实人员行为的精细化管控，才能切实提高自身竞争力。在 5G 时代，移动通信专网主要用于铁路、公共安全、军用网络等场景。但受网络服务能力、网络设备成本、建设周期、运维门槛等客观因素的影响，传统移动通信专网难以满足更多行业客户的网络需求。因此，5G 网络自设计之初便考虑了垂直行业的多样需求，提出了切片、边缘计算及核心网下沉等技术方案。当前，5G 专网能较好地满足垂直行业的高速率、大容量、低时延以及组网灵活和数据本地化等一系列要求，已经成为垂直行业数字化转型最有力的基础设施之一。基于此，本文结合5G专网的通信能力，探讨其在核电领域的应用是否能为未来核电机组的建设提供更优质的解决方案。一、5G 专网发展趋势（一）5G 专网应用现状当前，以数字化、网络化、智能化为特征的新一轮科技革命和产业转型正在持续推进，5G 专网作为企业数智化转型的新型网络基础设施之一，为企业构建了端到端安全、可靠的专属服务网络。同时，5G 专网中的移动边缘计算（MEC）平台或设备，均基于微服务、DevOps（过程、方法与系统的统称）等技术实现了IT（互联网技术）与 CT（通信技术）的融合，能够赋能企业更加灵活、高效地构建数智化业务，加快完成数智化转型。与此同时，通信运营商为满足不同行业的专网需求先后制定了 5G 专网发展策略。例如，中国电信推出致远、比邻、如翼等模式 5G 专网；中国移动推出优享、专享、尊享等模式 5G 专网。1另外，在国家政策的大力扶持下，ICT（信息通信技术）厂商也在积极支持通信运营商或相关企业建设 5G 专网，并推出满足企业需求的 5G 专网产品与解决方案，助力企业数智化转型。（二）5G专网当前面临的问题虽然 5G 专网已经在多个行业得到应用，但大部分是应用在视频监控、数据采集等领域，很少涉及企业中对时延、可靠性要求较高的关键场景，如生产控制、车辆控制等。这可能是因为现阶段推出的 5G 专网产品还未完全达到企业对相应性能的要求，同时，科技论坛 论点 ARGUMENT129现阶段的 5G 专网系统从网络容量到功能特性等都存在一定的过剩问题，增加了额外成本。二、5G 专网应用模式当前，5G 专网共有三大组网模式：虚拟专网、混合专网和独立专网。行业客户可结合应用场景及对专网安全性、灵活性的要求进行合理选择。（1）虚拟专网模式。该模式通过共享公网 5G 基站和 5G 核心网，借助 QoS（服务质量）区分、定制 DNN 等技术，划分出 5G 专用逻辑网络，进而为行业客户提供端到端差异化保障的网络连接服务。（2）混合专网模式。该模式通过共享公网 5G 基站，独立建设全部或部分 5GC（核心网）组成的 5G 专用网络，其可满足业务本地处理、数据本地卸载、数据不出场等客户需求。（3）独立专网模式。该模式是由独立建设的 5G 基站和 5G 核心网组成的 5G 专用网络，其通过对基站、频率等的专建专享，为企业客户构建专用无线网络，有效提高了网络安全。同时，该模式还能为行业客户提供端到端的定制化专用网络服务。三、智慧核电 5G 专网应用实践智慧核电采用物联网技术建立了核电厂系统与设备数据采集网络系统，有效提高了电厂状态的数字化监控水平。（一）核电厂业务需求在智慧核电场景中，业务需求大致可分为视频安全监控、人员设备管理和移动办公三大类。其中，视频安全监控类业务主要包括：（1）装具佩戴监督、行为监督、安全见证等；（2）放射源、危化品状态监控；（3）重要作业现场、临时施工点、事故点的实时监控；（4）关键敏感区域出入管理。人员设备管理类业务主要包括：（1）人员定位、人员清点及流量监控；（2）重要系统设备数据采集与预警；（3）放射源、危化品移动管理；（4）辐射水平数据动态管控。移动办公类业务主要包括：（1）及时在系统中录入发现的问题和缺陷，上传对应照片和视频等证明；（2）远程操作监护，运行操作无纸化，实现运行文件等的数字化移动应用；（3）通过移动终端取票、换票，建立质量、安全控制点。（二）5G 专网方案按照安全生产要求，智慧核电 5G 专网可分为生产区和厂前区两个部分，5G 专网需要针对不同分区单独设计。其中，生产区主要包括核岛、常规岛、厂房以及应急指挥中心等区域，采用 5G 独立专网方案、核心网下沉、物理隔离的独立组网方式，并通过网络安全设备与核电内网相连接。厂前区主要包括办公楼、检修楼等区域，采用 5G 混合专网方案，数据保留在核电基地，信令与公网核心网保持联通，且通过移动边缘计算平台或设备与核电内网相连接。由于核电厂的无线环境具有特殊性，且 5G 专网的设计还涉及核电厂设备对电磁兼容性的要求，为此，核电厂可在核岛厂房内采用小功率、多基站的分布式系统架构，以确保基站功率稳定可控，基站和移动终端对岛内电气、仪控设备的电磁干扰保持在合理范围内。为了满足在核岛外大面积覆盖专网的需求，核电厂可以建设发射功率较大的宏基站，并将其设置在厂区高点，尽可能扩大覆盖范围，降低设备、设计成本，减少工程量。对于常规岛、厂房各子项中有人员驻留、值班或者巡检的地下区域以及弱覆盖区域，核电厂可视情况进行补盲设计。1.生产区 5G 网络设计（1）5G 核 心 网：部 署 轻量化 5G 核心网，以主备方式或POOL 组网方式提供容灾方案；核心设备采用双路供电，可以根据需要提供调度互通和室内定位等功能；5G 核心网服务器等核心设备均布置在厂前区办公楼内部。（2）传输网：借助汇聚交换机连接多个 BBU（室内基带处理单元）设备，再统一汇聚至主备设置的根交换机。（3）5G 无线网：在论点 ARGUMENT 科技论坛130核岛中各个房间内部署分布式基站，在核岛外的区域通过建设宏基站以实现广域覆盖。（4）核岛：所有房间均部署 pRRU（皮基站）或者无源天线。其中，橙区、红区采用无源天线；黄区、绿区、白区采用 pRRU；所有 rHUB（射频拉远单元集线器）、BBU 均部署在黄区、绿区和白区；无线设备均已通过抗电磁兼容测试。（5）常规岛及BOP（核电站外围设备）：空间较为开阔的区域均部署大功率远端机（RRU）进行覆盖；信号难以覆盖的区域采用 rHUB、pRRU进行补盲。图 1 展示的是生产区的 5G 专网设计方案。2.厂前区 5G 网络设计（1）5G 核心网：根据核电厂的安全规范，电厂的生产和控制数据不能流出厂区。因此，核电厂需要将 UPF 设备下沉到核电厂内部机房，并部署 MEC 设备。为了确保厂前区的用户手机仅可通过厂前区的基站信号访问MEC，核电厂需要针对厂前区内无线网覆盖范围单独开展 TA 规划，并在核心网设置黑白名单，禁止核电厂以外的手机用户通过此 TA 接入 MEC。（2）传输网：控制基站与 UPF 设备直接连接，以确保厂前区特定终端数据不流出规定区域，并具备一定的切分能力。厂前区 5G 专网设计方案如图 2 所示。四、结语综上所述，核电企业可基于5G 专网实现指挥调度、智能维修等典型业务场景的技术验证及深度应用，进而提升核电产品的安全性、可靠性、经济性，推动核电产业实现数字化、智能化、智慧化转型升级。当前，核电产业对无线专网的需求迫切，市场发展前景广阔，正是实现从“中国制造”到“中国智造”、开辟“一带一路”和国际化新领域的最好时机。通信运营商应把握时代机遇，提升自研产品的信息化生产能力，为更多工业场景提供无线技术支持。参考文献：1中国通信学会,5G 专网前沿报告(2021)EB/OL.(2022-3-1)2023-2-21.https:/www.china-