5G網(wǎng)絡(luò)切片在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

導(dǎo)語：5G網(wǎng)絡(luò)切片在智能電網(wǎng)的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：電力行業(yè)的多樣性業(yè)務(wù)需求給通信網(wǎng)絡(luò)帶來了新的挑戰(zhàn)，原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對滿足各種場景的設(shè)計模式實現(xiàn)有困難，因此需要一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來滿足電力業(yè)務(wù)的需求。基于上述問題，提出了電力的端到端切片解決方案，從接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)3個方面制定隔離方案，使不同的專用網(wǎng)絡(luò)得到安全保障，5g網(wǎng)絡(luò)可充分利用其高帶寬、低時延和大規(guī)模連接的特點，實現(xiàn)電力行業(yè)多種多樣的業(yè)務(wù)需求，滿足專網(wǎng)的安全性、隔離性需求，對電力行業(yè)的智能化發(fā)展有一定的指導(dǎo)性。

關(guān)鍵詞：5G；網(wǎng)絡(luò)切片；電力行業(yè)；端到端切片

在過去的十年里，人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，展望未來的十年，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、超寬帶、網(wǎng)絡(luò)能力開放等技術(shù)將把人們帶入全連接世界。那時，寬帶將隨處可見，人和人之間、物和物之間、人和物之間多種多樣的通信需求將得到滿足。不同行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的需求是多元化的，無人駕駛和工業(yè)自動化控制行業(yè)需要極低時延和超高可靠性，電力行業(yè)需要大量超份額連接和頻繁傳送小型數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)支持。在工業(yè)領(lǐng)域，端到端等待時間要求在5~1000ms以內(nèi)，其中運動控制需要實時傳輸，娛樂信息服務(wù)需要高質(zhì)量的固定和移動寬帶連接。垂直行業(yè)用戶也希望能獨占頻譜來保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的高穩(wěn)定性和可預(yù)測性。垂直行業(yè)要求5G網(wǎng)絡(luò)擁有更靈活的連接支持，來滿足不同的業(yè)務(wù)場景和環(huán)境差異。5G網(wǎng)絡(luò)切片可創(chuàng)建定制化的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)通道，并根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)場景提供差異化的專用跑道，使運營商更便捷、更有效地滿足垂直行業(yè)用戶的多樣化需求。

1網(wǎng)絡(luò)切片的概念

網(wǎng)絡(luò)切片的簡單解釋就是根據(jù)使用場景將一個物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，不同的場景使用不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)[1]。網(wǎng)絡(luò)切片可以完善網(wǎng)絡(luò)資源配置，使成本效益達到最大，滿足多樣化的需求[2]。5G網(wǎng)絡(luò)切片示意圖如圖1所示。5G網(wǎng)絡(luò)切片是能提供特定網(wǎng)絡(luò)功能的端到端邏輯專用網(wǎng)絡(luò)[3]。網(wǎng)絡(luò)切片實例是網(wǎng)絡(luò)功能和所需物理/虛擬資源的集合，由接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)子切片組成，通過網(wǎng)絡(luò)切片管理功能實現(xiàn)端到端切片的管理[4]。網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)點如下：1）資源得到共享、成本實現(xiàn)降低、效率大大提高。在物理設(shè)備方面，多個網(wǎng)絡(luò)切片可同時在同一個x86架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)備上運行，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本大幅減少，物理基礎(chǔ)設(shè)備利用率增高。2）邏輯隔離，安全可靠。由于每個切片都是邏輯隔離的，因此每個切片都有自己單獨的生命周期，每個網(wǎng)絡(luò)切片可實現(xiàn)獨立的創(chuàng)建和刪除操作。3）按需定制，彈性伸縮。網(wǎng)絡(luò)切片的云計算本地架構(gòu)可為不同的業(yè)務(wù)提供服務(wù)，因此可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景定制基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)資源。云監(jiān)控方法可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)切片資源利用率的實時監(jiān)控，提高了可擴展性和可靠性，同時彈性適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的潮汐效應(yīng)。4）端到端，可滿足不同的業(yè)務(wù)需求。網(wǎng)絡(luò)切片的性能由業(yè)務(wù)需求決定，采用端到端網(wǎng)絡(luò)切片部署模式，通過對接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的細分，充分滿足5G業(yè)務(wù)的多樣化需求[5]。

2網(wǎng)絡(luò)切片端到端框架

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片框架包括網(wǎng)絡(luò)切片管理域和網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域兩部分[6]。5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片框架如圖2所示。5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理域由如下網(wǎng)絡(luò)功能組成：1）通信服務(wù)管理功能（CSMF）；2）網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（NSMF）；3）網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能（NSSMF），具體包括接入網(wǎng)切片子網(wǎng)管理功能（AN-NSSMF）、承載網(wǎng)切片子網(wǎng)管理功能（TN-NSSMF）和核心網(wǎng)切片子網(wǎng)管理功能（CN-NSSMF）[7]。5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域主要包含如下子域：1）終端用戶（UE）；2）無線接入網(wǎng)（(R)AN）；3）承載網(wǎng)（TN）；4）核心網(wǎng)（CN）；5）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN），如運營商服務(wù)、因特網(wǎng)接入或第三方服務(wù)。

3應(yīng)用

3.15G網(wǎng)絡(luò)切片使電網(wǎng)智能化

電力行業(yè)多樣性的業(yè)務(wù)需求對通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。第一，電力部門視頻檢測、高級計量檢測和分布式配電自動化等多樣性業(yè)務(wù)需求要求網(wǎng)絡(luò)擁有足夠的靈活性。第二，電力業(yè)務(wù)需要確保網(wǎng)絡(luò)隔離的安全性。最后，電力部門差動化保護服務(wù)要求超低時延，因此對網(wǎng)絡(luò)能力有了更高的要求。原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對滿足各種場景的設(shè)計模式實現(xiàn)有困難，因此需要一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來滿足電力業(yè)務(wù)的需求。5G網(wǎng)絡(luò)可充分利用其高帶寬、低時延和大規(guī)模連接的特點，實現(xiàn)電力行業(yè)多種多樣的業(yè)務(wù)需求。網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用，可以為電力部門量身定制專網(wǎng)服務(wù)，更好地滿足業(yè)務(wù)的安全性、可靠性和便捷性需求，實現(xiàn)差異化的服務(wù)保障，提高電力部門對自身業(yè)務(wù)的自主控制能力。5G網(wǎng)絡(luò)切片使電網(wǎng)智能化，電力行業(yè)接下來的發(fā)展方向包括清潔友好的發(fā)電、安全有效的輸變電、便捷可靠的配電、多元互動的用電、智能能源和能源互聯(lián)網(wǎng)[8-9]。眾所周知，5G網(wǎng)絡(luò)有三大特性：高帶寬、低時延和超高連接，這些特性能夠為各種典型的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)。其中，高帶寬特性可滿足智能電網(wǎng)中的大型視頻應(yīng)用程序，例如變電站智能巡檢、移動站點運營操作控制、緊急站點綜合自治網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、傳輸線無人機巡檢等的業(yè)務(wù)需求。低時延特性可滿足智能分布式配電自動化和需求邊響應(yīng)服務(wù)的能耗承載的業(yè)務(wù)需求[10]。超高連接特性可滿足高級計量檢測和分布式能源業(yè)務(wù)的需求。5G網(wǎng)絡(luò)切片可細致劃分為多個子切片，電力部門可根據(jù)業(yè)務(wù)需求和電力網(wǎng)絡(luò)的運作狀況，為各部門配置差異化的網(wǎng)絡(luò)子切片，并構(gòu)建安全隔離的網(wǎng)絡(luò)實例[11]。根據(jù)電力行業(yè)的使用和安全隔離要求，對電力業(yè)務(wù)進行了劃分和分類，重點業(yè)務(wù)要求通信隔離和無干擾。4G網(wǎng)絡(luò)中的所有業(yè)務(wù)都運行在同一個網(wǎng)絡(luò)上，很難滿足端到端隔離的業(yè)務(wù)要求。5G網(wǎng)絡(luò)開創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以實現(xiàn)與“專用網(wǎng)”同等級別的安全和隔離[12]。運營商可按照電力部門的詳細業(yè)務(wù)需求提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片，在每個不同的虛擬機中對應(yīng)不同切片的核心網(wǎng)網(wǎng)元功能，以達到邏輯隔離的目的，保證不同切片之間的服務(wù)不會相互干擾。運營商網(wǎng)絡(luò)可以通過開放平臺系統(tǒng)實現(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)信息的開放與資源共享，從而使電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)切片二次運行成為可能。電力部門通過運營商的容量開放平臺獲得終端的網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)信息，并對網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)進行監(jiān)控和管理，包括對業(yè)務(wù)切片具體屬性、切片資源對應(yīng)視圖和切片負載運行狀態(tài)的監(jiān)控。與此同時，網(wǎng)絡(luò)切片還將進行監(jiān)控和管理，包括按照電力部門的業(yè)務(wù)需要調(diào)整切片的功能、業(yè)務(wù)屬性和資源分配的功能，調(diào)整不同電力部門之間的隔離程度（如物理隔離、邏輯隔離），并賦予電力部門管理切片本身的權(quán)利。

3.25G網(wǎng)絡(luò)切片在電力行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

2019年，國家電網(wǎng)有限公司召開座談會，明確提出建設(shè)“三型兩網(wǎng)、世界一流”戰(zhàn)略目標，就是打造樞紐型、平臺型、共享型企業(yè)，建設(shè)運營好強智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)[13-14]。強智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)，對通信網(wǎng)絡(luò)的標準和多樣性要求很高。國家電網(wǎng)有限公司的通信業(yè)務(wù)需求分為基本業(yè)務(wù)需求和擴展業(yè)務(wù)需求。其中，基本業(yè)務(wù)需求又分為準確的負荷控制、電能信息采集、配電自動化、電源分布式、電動汽車充電樁等，擴展業(yè)務(wù)需求分為電能質(zhì)量檢測、配電監(jiān)控、智能營業(yè)廳、智能家居、應(yīng)急通信、開啟和關(guān)閉環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、倉庫管理、移動運營業(yè)務(wù)等。國家電網(wǎng)有限公司對業(yè)務(wù)隔離的要求很高，將電網(wǎng)業(yè)務(wù)劃分為生產(chǎn)控制區(qū)和信息管理區(qū)，這兩個區(qū)的操作都需要從無線網(wǎng)到核心網(wǎng)進行全程隔離。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的首要特點是將一個5G物理網(wǎng)絡(luò)根據(jù)服務(wù)、場景和需求分割成多個虛擬端到端網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)需求和隔離的安全性。在垂直行業(yè)中，電力行業(yè)第一個開始進行切片試驗。2019年6月，南方電網(wǎng)、中國移動和華為在深圳聯(lián)合驗證了首個SA端到端切片，驗證了電力各區(qū)的業(yè)務(wù)以及電力與公眾業(yè)務(wù)的安全隔離。接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)在公眾業(yè)務(wù)流量超額的情況下，電力業(yè)務(wù)依然能夠安全可靠運行，奠定了5G+智能電網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用的基礎(chǔ)，促進了智能電網(wǎng)的商業(yè)用途[15]。SA端到端切片示意圖如圖3所示。

3.35G網(wǎng)絡(luò)切片在電力行業(yè)的解決方案

在研究了電力行業(yè)的業(yè)務(wù)需求和對網(wǎng)絡(luò)切片的定義的基礎(chǔ)上，提出了電力的端到端切片解決方案。為了實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)的安全隔離要求，5G網(wǎng)絡(luò)將充分利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)便捷靈活、高強度的安全隔離優(yōu)勢，針對不同的分區(qū)業(yè)務(wù)提出不同的安全策略，給予不同的專用網(wǎng)絡(luò)安全保障服務(wù)[16]。電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)切片隔離方案主要包括電力行業(yè)和其他行業(yè)的通信業(yè)務(wù)與個體用戶之間的隔離和電力行業(yè)自身不同分區(qū)之間的隔離兩個維度[17]。以下從接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)3個方面來制定不同的隔離方案。1）接入網(wǎng)無線接入網(wǎng)應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)切片的選擇[18]。5G無線接入網(wǎng)在進行網(wǎng)絡(luò)切片選擇時，基于無線資源控制張俁俁5G網(wǎng)絡(luò)切片在電力行業(yè)的應(yīng)用（RadioResourceControl，RRC）信息中的TempID和網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（NetworkSliceSelectionAssistanceInformation，NSSAI）來選取接入和移動性管理功能（AccessandMobilityManagementFunction，AMF）。當無線接入網(wǎng)與AMF創(chuàng)建連接時，獲得AMF支持的切片，根據(jù)預(yù)先定義的切片配置集合進行無線網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，選擇要發(fā)送到相應(yīng)核心網(wǎng)切片的業(yè)務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)切片路由和資源隔離得到保障。針對電力業(yè)務(wù)中可能存在的緊急保障類需求，通過優(yōu)先級驗收和負荷控制技術(shù)來保障高優(yōu)先級的電力業(yè)務(wù)，以避免其余切片中的業(yè)務(wù)使電力業(yè)務(wù)的性能發(fā)生改變。如果需要，運營商可以為電力業(yè)務(wù)配置特定的搶占策略，以搶占其他優(yōu)先級較低的切片資源。2）承載網(wǎng)承載網(wǎng)根據(jù)不同的安全性和可靠性要求，采用硬隔離和軟隔離的隔離策略，來滿足不同電力業(yè)務(wù)的隔離要求。硬隔離指物理管道隔離，適用于具有時延和可靠性要求的uRLLC網(wǎng)絡(luò)切片，如智能分布式自動配電、電力負荷的需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)等。通過各分段的端到端硬管道隔離，不同的調(diào)度策略確保了各分段的SLA。軟隔離指邏輯管道隔離，適用于具有時延和抖動需求的mMTC和eMBB場景，如大視頻應(yīng)用、高級計量等，通過傳輸硬件設(shè)施分割的多個邏輯虛擬傳輸子網(wǎng)、VLAN和QoS調(diào)度軟隔離，被用來支持各種業(yè)務(wù)，實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的隔離。3）核心網(wǎng)5G核心網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)基于全新的SBA架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能被解耦為服務(wù)化組件，可以根據(jù)電力業(yè)務(wù)的需求，在相同的硬件資源池里虛擬出電力業(yè)務(wù)專屬的邏輯核心網(wǎng)元，為每個獨立切片提供完備的核心網(wǎng)控制面和用戶面功能，構(gòu)成不同的專有網(wǎng)絡(luò)為用戶服務(wù)。每個切片的核心網(wǎng)網(wǎng)元可分為共享網(wǎng)元和獨立網(wǎng)元，其中多個切片可以共享核心網(wǎng)網(wǎng)元，如UDM、AUSF、PCF、NSSF和NRF等，每個切片又可獨立部署AMF、SMF和UPF等核心網(wǎng)網(wǎng)元。

4結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)擁有三大特性：高帶寬、低時延和超高連接，這些特性能夠為各種典型的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)。文中提出了電力的端到端切片解決方案，從接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)3個方面制定隔離方案，保證專網(wǎng)隔離的安全性。相信隨著電網(wǎng)切片工作的進一步推動，網(wǎng)絡(luò)切片標準的進一步完善以及業(yè)內(nèi)各大同行的持續(xù)努力，未來5G網(wǎng)絡(luò)在電力行業(yè)的發(fā)展一定會更加充分，更加突出。

作者：張俁俁 單位：武漢郵電科學(xué)研究院