5G网络切片在智能电网的应用

　　摘要：电力行业的多样性业务需求给通信网络带来了新的挑战，原有的网络架构对满足各种场景的设计模式实现有困难，因此需要一种新的网络架构来满足电力业务的需求。基于上述问题，提出了电力的端到端切片解决方案，从接入网、传输网和核心网3个方面制定隔离方案，使不同的专用网络得到安全保障，5G网络可充分利用其高带宽、低时延和大规模连接的特点，实现电力行业多种多样的业务需求，满足专网的安全性、隔离性需求，对电力行业的智能化发展有一定的指导性。

　　关键词：5G；网络切片；电力行业；端到端切片

　　在过去的十年里，人们的生活发生了翻天覆地的变化，展望未来的十年，物联网、工业4.0、超宽带、网络能力开放等技术将把人们带入全连接世界。那时，宽带将随处可见，人和人之间、物和物之间、人和物之间多种多样的通信需求将得到满足。不同行业对网络的需求是多元化的，无人驾驶和工业自动化控制行业需要极低时延和超高可靠性，电力行业需要大量超份额连接和频繁传送小型数据包的业务支持。在工业领域，端到端等待时间要求在5~1000ms以内，其中运动控制需要实时传输，娱乐信息服务需要高质量的固定和移动宽带连接。垂直行业用户也希望能独占频谱来保证网络服务质量的高稳定性和可预测性。垂直行业要求5G网络拥有更灵活的连接支持，来满足不同的业务场景和环境差异。5G网络切片可创建定制化的专业网络通道，并根据不同的业务需求和业务场景提供差异化的专用跑道，使运营商更便捷、更有效地满足垂直行业用户的多样化需求。

　　1网络切片的概念

　　网络切片的简单解释就是根据使用场景将一个物理网络划分为多个逻辑网络，不同的场景使用不同的逻辑网络[1]。网络切片可以完善网络资源配置，使成本效益达到最大，满足多样化的需求[2]。5G网络切片示意图如图1所示。5G网络切片是能提供特定网络功能的端到端逻辑专用网络[3]。网络切片实例是网络功能和所需物理/虚拟资源的集合，由接入网、承载网和核心网子切片组成，通过网络切片管理功能实现端到端切片的管理[4]。网络切片的优点如下：1）资源得到共享、成本实现降低、效率大大提高。在物理设备方面，多个网络切片可同时在同一个x86架构基础设备上运行，网络建设成本大幅减少，物理基础设备利用率增高。2）逻辑隔离，安全可靠。由于每个切片都是逻辑隔离的，因此每个切片都有自己单独的生命周期，每个网络切片可实现独立的创建和删除操作。3）按需定制，弹性伸缩。网络切片的云计算本地架构可为不同的业务提供服务，因此可根据不同的业务场景定制基础设施和服务资源。云监控方法可以实现对网络切片资源利用率的实时监控，提高了可扩展性和可靠性，同时弹性适应通信网络的潮汐效应。4）端到端，可满足不同的业务需求。网络切片的性能由业务需求决定，采用端到端网络切片部署模式，通过对接入网、传输网和核心网的细分，充分满足5G业务的多样化需求[5]。

　　2网络切片端到端框架

　　5G端到端网络切片框架包括网络切片管理域和网络切片业务域两部分[6]。5G端到端网络切片框架如图2所示。5G端到端网络切片管理域由如下网络功能组成：1）通信服务管理功能（CSMF）；2）网络切片管理功能（NSMF）；3）网络切片子网管理功能（NSSMF），具体包括接入网切片子网管理功能（AN-NSSMF）、承载网切片子网管理功能（TN-NSSMF）和核心网切片子网管理功能（CN-NSSMF）[7]。5G端到端网络切片业务域主要包含如下子域：1）终端用户（UE）；2）无线接入网（(R)AN）；3）承载网（TN）；4）核心网（CN）；5）数据网络（DN），如运营商服务、因特网接入或第三方服务。

　　3应用

　　3.15G网络切片使电网智能化

　　电力行业多样性的业务需求对通信网络提出了新的挑战。第一，电力部门视频检测、高级计量检测和分布式配电自动化等多样性业务需求要求网络拥有足够的灵活性。第二，电力业务需要确保网络隔离的安全性。最后，电力部门差动化保护服务要求超低时延，因此对网络能力有了更高的要求。原有的网络架构对满足各种场景的设计模式实现有困难，因此需要一种新的网络架构来满足电力业务的需求。5G网络可充分利用其高带宽、低时延和大规模连接的特点，实现电力行业多种多样的业务需求。网络切片的应用，可以为电力部门量身定制专网服务，更好地满足业务的安全性、可靠性和便捷性需求，实现差异化的服务保障，提高电力部门对自身业务的自主控制能力。5G网络切片使电网智能化，电力行业接下来的发展方向包括清洁友好的发电、安全有效的输变电、便捷可靠的配电、多元互动的用电、智能能源和能源互联网[8-9]。众所周知，5G网络有三大特性：高带宽、低时延和超高连接，这些特性能够为各种典型的智能电网业务提供更好的服务。其中，高带宽特性可满足智能电网中的大型视频应用程序，例如变电站智能巡检、移动站点运营操作控制、紧急站点综合自治网络应用程序、传输线无人机巡检等的业务需求。低时延特性可满足智能分布式配电自动化和需求边响应服务的能耗承载的业务需求[10]。超高连接特性可满足高级计量检测和分布式能源业务的需求。5G网络切片可细致划分为多个子切片，电力部门可根据业务需求和电力网络的运作状况，为各部门配置差异化的网络子切片，并构建安全隔离的网络实例[11]。根据电力行业的使用和安全隔离要求，对电力业务进行了划分和分类，重点业务要求通信隔离和无干扰。4G网络中的所有业务都运行在同一个网络上，很难满足端到端隔离的业务要求。5G网络开创的网络切片技术，可以实现与“专用网”同等级别的安全和隔离[12]。运营商可按照电力部门的详细业务需求提供相应的网络切片，在每个不同的虚拟机中对应不同切片的核心网网元功能，以达到逻辑隔离的目的，保证不同切片之间的服务不会相互干扰。运营商网络可以通过开放平台系统实现终端和网络信息的开放与资源共享，从而使电力行业网络切片二次运行成为可能。电力部门通过运营商的容量开放平台获得终端的网络切片状态信息，并对网络切片状态进行监控和管理，包括对业务切片具体属性、切片资源对应视图和切片负载运行状态的监控。与此同时，网络切片还将进行监控和管理，包括按照电力部门的业务需要调整切片的功能、业务属性和资源分配的功能，调整不同电力部门之间的隔离程度（如物理隔离、逻辑隔离），并赋予电力部门管理切片本身的权利。

　　3.25G网络切片在电力行业的发展现状

　　2019年，国家电网有限公司召开座谈会，明确提出建设“三型两网、世界一流”战略目标，就是打造枢纽型、平台型、共享型企业，建设运营好强智能电网、泛在电力物联网，建设世界一流能源互联网企业[13-14]。强智能电网和泛在电力物联网的发展与建设，对通信网络的标准和多样性要求很高。国家电网有限公司的通信业务需求分为基本业务需求和扩展业务需求。其中，基本业务需求又分为准确的负荷控制、电能信息采集、配电自动化、电源分布式、电动汽车充电桩等，扩展业务需求分为电能质量检测、配电监控、智能营业厅、智能家居、应急通信、开启和关闭环境监控、视频监控、仓库管理、移动运营业务等。国家电网有限公司对业务隔离的要求很高，将电网业务划分为生产控制区和信息管理区，这两个区的操作都需要从无线网到核心网进行全程隔离。网络切片技术的首要特点是将一个5G物理网络根据服务、场景和需求分割成多个虚拟端到端网络，以实现不同的业务需求和隔离的安全性。在垂直行业中，电力行业第一个开始进行切片试验。2019年6月，南方电网、中国移动和华为在深圳联合验证了首个SA端到端切片，验证了电力各区的业务以及电力与公众业务的安全隔离。接入网、承载网和核心网在公众业务流量超额的情况下，电力业务依然能够安全可靠运行，奠定了5G+智能电网创新应用的基础，促进了智能电网的商业用途[15]。SA端到端切片示意图如图3所示。

　　3.35G网络切片在电力行业的解决方案

　　在研究了电力行业的业务需求和对网络切片的定义的基础上，提出了电力的端到端切片解决方案。为了实现电力业务的安全隔离要求，5G网络将充分利用网络切片技术便捷灵活、高强度的安全隔离优势，针对不同的分区业务提出不同的安全策略，给予不同的专用网络安全保障服务[16]。电力行业的网络切片隔离方案主要包括电力行业和其他行业的通信业务与个体用户之间的隔离和电力行业自身不同分区之间的隔离两个维度[17]。以下从接入网、承载网和核心网3个方面来制定不同的隔离方案。1）接入网无线接入网应支持网络切片的选择[18]。5G无线接入网在进行网络切片选择时，基于无线资源控制张俣俣5G网络切片在电力行业的应用（RadioResourceControl，RRC）信息中的TempID和网络切片选择辅助信息（NetworkSliceSelectionAssistanceInformation，NSSAI）来选取接入和移动性管理功能（AccessandMobilityManagementFunction，AMF）。当无线接入网与AMF创建连接时，获得AMF支持的切片，根据预先定义的切片配置集合进行无线网络资源的调度，选择要发送到相应核心网切片的业务，使网络切片路由和资源隔离得到保障。针对电力业务中可能存在的紧急保障类需求，通过优先级验收和负荷控制技术来保障高优先级的电力业务，以避免其余切片中的业务使电力业务的性能发生改变。如果需要，运营商可以为电力业务配置特定的抢占策略，以抢占其他优先级较低的切片资源。2）承载网承载网根据不同的安全性和可靠性要求，采用硬隔离和软隔离的隔离策略，来满足不同电力业务的隔离要求。硬隔离指物理管道隔离，适用于具有时延和可靠性要求的uRLLC网络切片，如智能分布式自动配电、电力负荷的需求侧响应服务等。通过各分段的端到端硬管道隔离，不同的调度策略确保了各分段的SLA。软隔离指逻辑管道隔离，适用于具有时延和抖动需求的mMTC和eMBB场景，如大视频应用、高级计量等，通过传输硬件设施分割的多个逻辑虚拟传输子网、VLAN和QoS调度软隔离，被用来支持各种业务，实现不同业务之间的隔离。3）核心网5G核心网服务架构基于全新的SBA架构，网络功能被解耦为服务化组件，可以根据电力业务的需求，在相同的硬件资源池里虚拟出电力业务专属的逻辑核心网元，为每个独立切片提供完备的核心网控制面和用户面功能，构成不同的专有网络为用户服务。每个切片的核心网网元可分为共享网元和独立网元，其中多个切片可以共享核心网网元，如UDM、AUSF、PCF、NSSF和NRF等，每个切片又可独立部署AMF、SMF和UPF等核心网网元。

　　4结论

　　5G网络拥有三大特性：高带宽、低时延和超高连接，这些特性能够为各种典型的智能电网业务提供更好的服务。文中提出了电力的端到端切片解决方案，从接入网、承载网和核心网3个方面制定隔离方案，保证专网隔离的安全性。相信随着电网切片工作的进一步推动，网络切片标准的进一步完善以及业内各大同行的持续努力，未来5G网络在电力行业的发展一定会更加充分，更加突出。

　　作者：张俣俣 单位：武汉邮电科学研究院