5G切片在電力物聯網中的研究和實踐

楊冰 劉文釗 宋伊敏

【摘 要】隨著5G時代的到來，出現不同應用場景和差異化的業(yè)務需求，因而產生了不同的網絡切片。通過實施“互聯網+”戰(zhàn)略，全面提升電網信息化、智能化水平，實現智能設備狀態(tài)監(jiān)測和信息收集，激發(fā)電力運行新型的作業(yè)方式和用電服務模式。

【關鍵詞】5G切片；網絡切片；智能電網

1我國網絡切片技術的發(fā)展

如今，中國作為世界第二大經濟體，不僅促進了中國國際地位的提升，而且在各個行業(yè)都有了更大的發(fā)言權?！?G跟隨，4G并跑，5G引領”，說明中國在整個通信行業(yè)角色和地位的變化，而中國通信行業(yè)的研究為5G標準的形成貢獻了重要的理論依據和技術支持。在獨立組網標準形成過程中，中國移動在3GPP擔任了下一代網絡架構研究、5G系統(tǒng)架構標準的項目負責人工作。在全球相關行業(yè)的支持下，牽頭完成了5G新核心網5GC從研究到標準化的艱巨工作。標準化中，中國移動主導提出了基于服務的5G網絡架構（SBA），是5G獨立組網的基礎架構，且還牽頭推動了網絡切片架構、用戶數據融合架構等工作，并在功能軟件化、C/U分離、邊緣計算方面發(fā)揮了重要的推動作用。網絡切片技術已經被通信行業(yè)廣泛認為是5G的重要創(chuàng)新技術，全球多個運營商、設備商均致力于研發(fā)端到端網絡切片技術，包括接入網、傳輸網和核心網，拓展基于5G網絡切片技術的創(chuàng)新應用，如智能制造、智能電網。此外，能源、工業(yè)、汽車、媒體娛樂等多個垂直行業(yè)也逐漸提出對5G網絡切片的性能、隔離性等需求，積極參加到3GPP、IMT-20205G推進組等通信行業(yè)組織中，參與網絡切片的標準制定和產業(yè)推進。但從標準發(fā)展來看，5G網絡切片的一階段標準已于2018年6月完成，傳輸網支持網絡切片的標準預計在2018年年底完成。在IMT-2020（5G）推進組5G技術第二階段測試中，對基于NFV平臺的切片功能進行了系列測試。第三階段測試將更側重于系統(tǒng)驗證，對網絡切片開展面向5G新業(yè)務的進一步測試驗證。2018年6月14日，3GPP全會批準了第五代移動通信技術標準（5GNR）獨立組網功能凍結。獨立組網標準凍結讓5G確定了全新的網絡架構和核心網，將讓網絡向IT化、互聯網化、極簡化、服務化轉變。其中，在服務化上，5G從通用化服務轉到個性化、定制化服務，代表性技術是網絡切片和邊緣計算。網絡切片提供定制化、邏輯隔離、專用的端到端虛擬移動網絡（包括接入網、核心網），是5G面向垂直行業(yè)實現服務可保障的基本技術形式。邊緣計算將網絡的功能應用靠近用戶部署，使得極致的低時延、本地特色應用成為可能，是5G滿足如智能工廠等垂直行業(yè)業(yè)務需求的重要基礎。

2網絡切片的資源管理方法

網絡切片管理在5G中至關重要。運用虛擬化技術，可以對網絡切片資源的生命周期進行管理。

2.1設計階段

設計階段又包括切片設計和商業(yè)設計。切片設計過程中，設計人員按照特定業(yè)務需求選擇相應的特性，如利用功能、時延、安全性等標準，設計切片模板?？梢葬槍Σ煌瑯I(yè)務客戶的獨特服務需求進行量身定制，實現切片的按需設計。商業(yè)設計是指網絡切片模板的生成過程。首先，網絡切片管理功能提供方為網絡切片需求方提供切片編輯工具和標準化模板。模板中主要包括結構和配置的描述，還包括如何進行實例化和控制網絡切片實例?；诖?，設計人員選擇相應的功能組件，以滿足需求方所需業(yè)務的要求，生成內部的網絡拓撲，并確定各部分之間的交互協(xié)議。此外，要結合承載的業(yè)務特點設定相應的安全性和可靠性要求，并考慮業(yè)務體驗，以保證為其劃分的資源規(guī)模能達到性能指標。

2.2編排階段

在購買網絡切片模板后進入到編排階段。這個階段中，切片管理器解析模板配置，為其之后創(chuàng)建切片獲取所需的邏輯資源。同時，對這些資源進行邏輯隔離，以保證其與其他網絡切片對應的資源彼此獨立。編排過程是一個自動化過程，一個切片模板可進行多次編排，即可以生成多個網絡切片實例。

2.3運營階段

運營階段，網絡切片運營方可以通過切片管理器提供的接口進行動態(tài)管理。通過該接口，對資源、性能等進行監(jiān)控，及時進行維護、升級和調整。此外，可以根據所需的特定要求對網絡切片進行二次開發(fā)。

35G網絡切片電力智能化研究

建立大容量、高速、實時和安全穩(wěn)定的通信系統(tǒng)是建設智能電網的基礎，能源戰(zhàn)略計劃的總體目標是在實現能源互聯網的基礎上提高電力系統(tǒng)的能源效率。5G具有靈活的無線空口連接能力和優(yōu)秀的容災能力，尤其是在山地和水域等復雜的地貌環(huán)境中，5G相比于光纖和短距離無線通信等技術在工程建設上更具高效性、快捷性。5G網絡切片優(yōu)秀的整體組合性能可以滿足未來智能電網的多樣化需求，適用于構建安全、可靠、高效和環(huán)保的現代化電網。通過對電力行業(yè)訴求的分析，確定采用以下3種5G切片使能電力智能化服務：一是電力控制切片，可實現毫秒級低時延，保證配電控制數據和命令的可靠傳輸；二是電力監(jiān)測切片，可實現海量電表數據的采集和無人機等智能設備巡檢數據的上傳；三是電力通信切片，可滿足電力行業(yè)專網的安全通話需求。通過對這3種典型網絡切片的研究，可以探索5G網絡切片在垂直行業(yè)的應用落地，5G電力行業(yè)網絡切片。在網絡切片的具體實現方面，最重要的特性是按需定制，并實現端到端的隔離和安全。單用戶可以接入一個網絡切片，也可以同時接入多個網絡切片。網絡切片實現切片間的物理隔離，從而使一個切片的故障、擁塞，不會影響另一個網絡切片的工作。網絡切片架構有兩種部署方式，一種方式是控制面共享網絡切片，AMF、NSSF、UDM共享部署，SMF、UDM專用部署，PCF可以共享部署，也可以專用部署；另一種方式是獨立切片部署，AMF、NSSF、UDM、PCF、SMF、UPF可部署為獨立網絡切片。網絡切片的選擇有以下4種方式，一是默認切片選擇，UE未攜帶切片標識，AN選擇默認核心網切片；二是基于切片標識選擇，UE攜帶切片標識，AN通過切片標識選擇切片；三是基于用戶簽約選擇，UDM存儲切片簽約，NSSF通過UE簽約選擇切片；四是基于重定向選擇，AMF&NSSF發(fā)現UE不屬于該切片，向另一個AMF發(fā)送重定向消息，進行網絡切片的選擇。

4對5G切片在電力物聯網的實踐和探索

以智能配電網站所的智能綜合管控場景為例，直觀展示了5G網絡切片如何從端到端SLA保障、業(yè)務隔離性和運營獨立性等多角度滿足智能電網的行業(yè)需求，從而全面提升智能配電網站所的管理效率。核心網基于服務化架構（SBA）將網絡功能模塊化，實現定制化網絡切片的快速上線，并基于轉控分離（CUPS）及多接入邊緣計算（MEC）技術為智能電網的配電自動化、精準負荷控制、用電信息采集和分布式能源等不同業(yè)務場景提供超高帶寬、超高可靠性、超低時延等網絡質量可保障的虛擬專用網絡，為打造“切片即服務”的創(chuàng)新型商業(yè)模式提供網絡技術支撐。同時依托于切片管理器，可以實現電力行業(yè)租戶對所租用切片網絡資源的可見可管，有效降低TCO，促進智能電網的創(chuàng)新能力。正是基于這樣的端到端智能電網切片，電網的綜合管控系統(tǒng)通過實時監(jiān)控、遠程遙控、現場可視化等技術，進一步提升了配電網的科學管控、科學生產及快速排障效率。

5結束語

對于運營商，5G網絡切片將幫助運營商打造敏捷靈活的網絡，將業(yè)務延伸到垂直市場，對于垂直領域行業(yè)，通過與運營商的業(yè)務合作，無需建設移動專網，即可更方便、快捷地使用5G網絡，并得到按需的業(yè)務保障，提升其快速開展個性化業(yè)務的能力，盡快拓展業(yè)務市場。

參考文獻：

[1]王華.未來5G網絡切片技術關鍵問題分析與探究[J].通信電源技術，2019，36（01）：188-189.

（作者單位：國網山東省電力公司淄博供電公司）