網(wǎng)絡切片及其在新型分布式能源系統(tǒng)中的應用

王道誼周文安

(1.中信通信項目管理有限責任公司,北京 朝陽100020;2.北京郵電大學計算機學院,北京 海淀100876)

0 引言

當前,去中心化浪潮席卷全球,人們生產(chǎn)、生活方式正在發(fā)生巨大變革。社會生產(chǎn)資源組織方式從集中方式向集中方式和分布方式相結合的集成方式轉(zhuǎn)變。

新型分布式能源技術的廣泛應用使電力系統(tǒng)成為去中心化浪潮的弄潮者。傳統(tǒng)的分布式發(fā)電起源于1882年,其標志為愛迪生建造的第一個用于給附近用電設備供電的電廠。概括來講,發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展可以分為如下三個階段:

(1)1880到1910年為傳統(tǒng)分布式發(fā)電階段,通過在用戶附件建設小型電廠向用戶供電。

(2)1910到2000年為第二階段,通過裝機容量達到千兆瓦級的大型電廠以集中方式供電。

(3)2000年至今為第三階段,新型分布式發(fā)電出現(xiàn)使發(fā)電方式向集成方式轉(zhuǎn)變。通用電氣(GE)預測,到2020年新增電力容量的42%來自分布式發(fā)電。

除了新型分布式發(fā)電技術進步以及電力輸送網(wǎng)絡建設投資大、建設周期長、無法滿足快速增長的用電需求外,數(shù)字化浪潮是推動新型分布式發(fā)電的主要驅(qū)動力之一。

數(shù)字化浪潮使信息技術中的硬件、軟件、通信技術廣泛滲透到商業(yè)、社交網(wǎng)絡,成為去中心化的加速器。嵌入在分布式能源系統(tǒng)中的數(shù)字控制系統(tǒng)使遠程操作和降低成本成為可能?；ヂ?lián)網(wǎng)和工業(yè)場站的結合使孤立的分散能源系統(tǒng)變成可以遠程控制、協(xié)同工作的虛擬電廠。更進一步,結合云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動泛在連接等技術,未來互聯(lián)網(wǎng)化的分布能源系統(tǒng)還能夠提供決策支持,能夠更高效地支撐系統(tǒng)運行、能源交易和用戶服務。

虛擬電廠(virtual power plant,VPP)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術和分布發(fā)電技術相結合典型系統(tǒng),是利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)統(tǒng)一控制下協(xié)同工作的一組分布式發(fā)電系統(tǒng)。集中控制可以使分布式個體發(fā)電單元有能力在用電高峰期間接入電網(wǎng)。VPP可以作為大型電廠的補充,并能夠靈活、快速地應對電力使用方面的波動[1]。

數(shù)字化浪潮會把分布式能源推向另一個高潮,將對發(fā)電、電力輸送、分配、儲能和用電等各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生重大影響。同時,電力系統(tǒng)數(shù)字化對信息技術和通信技術的需求也向多元化發(fā)展。本文重點介紹網(wǎng)絡切片(Network Slicing)技術及其在新型分布式能源系統(tǒng)中的應用。

1 使用網(wǎng)絡切片的必要性

1.1 信息技術與通信技術融合滿足多元化需求

新型分布式能源系統(tǒng)對信息技術(IT)和通信技術(CT)的需求呈多元化趨勢。僅從智能制造角度看,電力系統(tǒng)中的場站需求涉及發(fā)電自動化、過程控制、人機接口、物流與倉儲管理、遠程訪問監(jiān)控和維護等。就時延特性而言,頻率控制和分布式電壓控制時延要求為幾十ms,分布式故障自動倒換隔離要求的時延指標為幾ms,而精確負載控制需要達到毫秒級時延[2]。就帶寬要求而言,基于增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)技術的人機交互需要百Mbps級帶寬,而很多自動控制類應用所需的帶寬只有kbps級。綜合考慮集中發(fā)電系統(tǒng)、虛擬發(fā)電系統(tǒng)、電力輸送分配存儲和客戶服務等多種應用場景,需求會更加復雜,其中信息系統(tǒng)和通信系統(tǒng)安全隔離方面的要求會更加重要。

僅僅從通信技術入手無法滿足上述多元化實際需要,要把通信技術和信息技術融合考慮。網(wǎng)絡切片技術將終端、網(wǎng)絡和服務器系統(tǒng)協(xié)同調(diào)配,兼顧信息處理能力和通信能力,在物理網(wǎng)絡之上構建多個邏輯網(wǎng)絡切片,在滿足不同場景需要的同時降低數(shù)字化成本,提高系統(tǒng)的效率和靈活性。

1.2 行業(yè)自主發(fā)展的需要

利用QoS (quality of service)技術,如DiffServ(differentiated services),在特定的網(wǎng)絡中可以區(qū)分管理不同類型的IP流量,如語音、視頻、文字等。利用VPN(virtual private network)技術,如IP隧道,在互聯(lián)網(wǎng)中把特定流量進行分離傳輸、交換,以確保該流量在傳輸過程中處于專用的通道內(nèi),可以防止信息泄露和信息入侵。利用SDN(software defined network)可以將控制面和用戶面分離,便于對網(wǎng)絡流量進行靈活性控制。利用NFV(network function virtualization)技術,可以把信息通信系統(tǒng)中的部分功能虛擬化,更容易應需求變化而快速調(diào)配資源。

上述功能和第五代蜂窩移動通信系統(tǒng)(5G)中的網(wǎng)絡切片雖有重疊,但網(wǎng)絡切片可以對用戶提供端到端的虛擬網(wǎng)絡。而現(xiàn)有的QoS的技術雖然能夠區(qū)分不同類型的業(yè)務流量,但無法區(qū)分不同用戶相同的業(yè)務流量,也不能對特定業(yè)務進行隔離保護。如生產(chǎn)控制類設備的數(shù)據(jù)具有很高的安全保護要求,此時不對業(yè)務進行隔離會帶來巨大的信息安全風險。

對于電力系統(tǒng)的行業(yè)用戶來講,長期租用一個切片,用于連接智能電網(wǎng)中的傳感器、計量器、控制器等,可以獨立優(yōu)化電力物聯(lián)網(wǎng)切片。根據(jù)自身的需要獨立使用網(wǎng)絡切片,通過與移動網(wǎng)絡深度融合,實現(xiàn)對云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動互聯(lián)等先進技術深度整合,是支撐集成發(fā)電模式創(chuàng)新發(fā)展的關鍵[3-4]。

1.3 共享數(shù)字經(jīng)濟基礎設施的需要

行業(yè)數(shù)字化為行業(yè)發(fā)展開拓無限發(fā)展機會的同時,也帶來巨大的挑戰(zhàn)。除了大規(guī)模資金投入外,還面臨專業(yè)人力資源隊伍缺乏等方面的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡切片使多個行業(yè)共享一張物理網(wǎng)絡成為可能,可以有效降低投資規(guī)模和對人力資源技術力量的要求。

2 網(wǎng)絡切片的構成

目前在IP網(wǎng)領域,IETF正在考慮更新MPLS/SDN等技術規(guī)范以支持網(wǎng)絡切片。在移動網(wǎng)領域,3GPP制定網(wǎng)絡切片的運營管理框架,以及網(wǎng)絡切片所需的終端和網(wǎng)絡實體間的信令和規(guī)程。

5G網(wǎng)絡切片包括無線接入網(wǎng)(RAN)功能實體(NF)和核心網(wǎng)(CN)功能實體兩個部分。從完整的行業(yè)應用角度看,網(wǎng)絡切片還涉及終端、承載傳輸網(wǎng)(TN)和應用服務器以及相應的管理系統(tǒng),如圖1所示,詳見參考文獻[5]。

圖1 端到端網(wǎng)絡切片的組成Fig.1 End-to-end network slicing

3 5G網(wǎng)絡切片

3.1 5G 網(wǎng)絡切片及其標識

5G網(wǎng)絡切片由RAN中的功能實體和CN中的功能實體組成,根據(jù)實際需要不同網(wǎng)絡切片可以共享部分功能實體。可以基于功能劃分網(wǎng)絡切片,如為e MBB(增強移動寬帶)、m MTC(大規(guī)模機器類連接)和u RLLC(超可靠低時延)應用分別設置不同的網(wǎng)絡切片;也可以基于不同的用戶組設置網(wǎng)絡切片,實現(xiàn)不同行業(yè)之間的隔離保護,如同樣是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)(MIo T)應用,可以為共享單車和遠程抄表設置不同的切片。5G網(wǎng)絡的一個網(wǎng)絡切片用SNSSAI(single network slice selection assistance information)進行標識。S-NSSAI包括SST(slice/service type)和SD(slice differentiator),其中SST長度為8 bit,用于指示期待的網(wǎng)絡切片能力和特征。SD長度為24 bit,用于把同類切片進一步劃分為不同切片。3GPP定義了3種標準的SST值,其中1對應e MBB;2對應URLLC,3對應MIo T?；诠δ芎陀脩艚M的網(wǎng)絡切片劃分如圖2所示。

3.2 切片選擇

5G網(wǎng)網(wǎng)絡切片經(jīng)創(chuàng)立后,生成一個網(wǎng)絡切片實例。網(wǎng)絡切片實例包括核心網(wǎng)控制面和用戶面,以及服務PLMN中的RAN或非3GPP接入網(wǎng)中的N3IWF。對于不同的用戶群,可以設置多個特性相同的網(wǎng)絡切片。網(wǎng)絡可以同時通過多個網(wǎng)絡切片為一個UE服務,但需保持AMF實例統(tǒng)一。UE網(wǎng)絡切片實例集合選擇在注冊過程中通過和NSSF(網(wǎng)絡切片選擇功能)交互完成。PDU會話只能屬于一個網(wǎng)絡切片,不同網(wǎng)絡切片不能共享PDU會話,但不同網(wǎng)絡切片中的PDU會話可以使用相同的DDN。

圖2 基于功能和用戶分組的切片劃分Fig.2 Network slicing for different function or user groups

終端在注冊和連接建立過程中,通過和RAN、AMF(接入管理功能)、UDM(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)交互,根據(jù)簽約切片(Subscribed-NSSAI)信息網(wǎng)絡配置切片信息和網(wǎng)絡允許切片信息(Allowed-NSSAI)選擇提供服務的網(wǎng)絡切片實例。終端附著過程中的切片選擇過程如圖3所示[6-7]。

3.3 RAN側(cè)網(wǎng)絡切片總體原則

(1)RAN感知網(wǎng)絡切片:NG-RAN支持為預先配置好的不同網(wǎng)絡切片提供不同的業(yè)務流處理方式,具體實現(xiàn)方式不做標準化要求。

(2)RAN部分網(wǎng)絡切片選擇:NG-RAN基于UE提供的NSSAI或5GC明確的一個或多個在PLMN中預先配置的網(wǎng)絡切片支持RAN部分網(wǎng)絡切片選擇。

(3)切片間網(wǎng)絡資源管理:NG-RAN支持SLA級切片間策略優(yōu)化,每個NG-RAN節(jié)點支持多個切片,在每一個支持的切片中,NG-RAN能夠為SLA提供最佳的RRM(無線資源管理)功能。

(4)支持QoS:NG-RAN在一個切片內(nèi)支持不同的QoS。

圖3 網(wǎng)絡切片選擇示例Fig.3 Example for procedure of network-slicing selection

(5)RAN的CN功能實體選擇:初始附著階段,UE可以提供NSSAI用于選擇AMF。在后續(xù)訪問中,NG-RAN利用UE提供5GC為之分配的Temp ID路由NAS消息到AMF。

(6)切片間資源隔離:NG-RAN支持切片間資源隔離。資源隔離可以通過RRM策略和保護機制實現(xiàn),應避免一個切片在共享資源方面影響到其它切片的SLA?？梢詾樘囟ㄇ衅峙渫耆毾碣Y源,具體機制和實現(xiàn)方式相關。

(7)接入控制:利用統(tǒng)一的接入控制,運營商自定義接入類型可以用來區(qū)分不同切片差異化處理機制。NG-RAN可以通過廣播控制消息來減少對擁塞切片的影響。

(8)切片可用性:可以只在部分網(wǎng)絡中提供切片功能。通過OAM配置NG-RAN支持的SNSSAI。NG-RAN和5GC負責處理對于網(wǎng)絡切片的服務請求,根據(jù)切片支持與否、有無資源和是否支持請求的業(yè)務等因素決定接收或拒絕網(wǎng)絡切片業(yè)務請求。

(9)支持終端同時關聯(lián)多個網(wǎng)絡切片:當UE同時關聯(lián)多個網(wǎng)絡切片時,僅維護一個信令連接用于同頻小區(qū)選擇,UE總是盡量駐留在最好小區(qū)。對于異頻小區(qū)重選,利用指定優(yōu)先級控制UE駐留的頻率。

(10)UE訪問網(wǎng)絡切片權力確定:5GC負責確定UE訪問網(wǎng)絡切片的權力。

3.4 核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡切片

根據(jù)不同應用要求,可以在不同層面進行網(wǎng)絡切片劃分,概括來講主要有:

(1)5G核心網(wǎng)層面。不同切片可以共享特定網(wǎng)絡功能NF,如AMF;也可以使用完全獨立的NF,如兩個切片各自的AMF、會話管理功能(SMF)和用戶面(UPF)等核心網(wǎng)NF完全獨立。

(2)虛擬網(wǎng)絡功能(VNF)層面。利用虛擬化技術可以基于一組主機設置多個虛擬網(wǎng)絡功能組。在實現(xiàn)網(wǎng)絡切片時,多個切片可以使用相同的虛擬網(wǎng)絡功能組部署5G核心網(wǎng)NF,也可以使用分離的虛擬網(wǎng)絡功能組。

(3)物理資源層。對于隔離要求高,把物理主機分成彼此物理隔離的主機組。要求物理隔離的切片使用獨立的物理主機組部署核心網(wǎng)NF。

4 承載網(wǎng)網(wǎng)絡切片

在4G時代,承載網(wǎng)主要有2種技術體制,一個是分組傳送網(wǎng)(PTN),另一種是IP承載網(wǎng)(IPRAN)。隨著5G對承載網(wǎng)服務質(zhì)量保證、網(wǎng)絡切片等能力要求的增加,PTN向切片分組網(wǎng)(SPN)演進,IPRAN向增強型IPRAN(eIPRAN)演進,技術路線和功能趨同。概括來講,承載網(wǎng)功能可以分為如下4層。

(1)業(yè)務層:提供L2/L3層VPN服務。

(2)隧道層:利用分段路由(SR)和多協(xié)議標簽交換(MPLS)或MPLS傳輸子集(MPLS-TP)在網(wǎng)絡中提供隧道服務。

(3)物理層:為支持物理隔離,降低節(jié)點處理時延,在IEEE802.3的物理層(PHY)和媒體訪問控制層之間(MAC)引入靈活以太網(wǎng)層(Flex E)。

(4)可選的光層:將光傳輸網(wǎng)(OTN)集成到承載網(wǎng)設備之中。

基于MPLS的線路仿真(偽線:PW)可以在IP網(wǎng)上提供2層VPN業(yè)務,基于MPLS的標簽交換路徑(LSP)可以提供3層VPN業(yè)務。SR技術基于IP源路由技術發(fā)展而來,可以基于指定的網(wǎng)絡分段(SID)控制路由選擇策略,也可以基于SID列表嚴格控制IP沿節(jié)點傳輸交換的路徑。結合SR技術,可以進一步提高L2/L3層VPN的可管理性。SR和MPLS 的結合可以提供承載網(wǎng)邏輯隔離傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡切片。

為提供物理隔離的網(wǎng)絡切片,并將節(jié)點處理時延降低到微秒級,面向5G的承載網(wǎng)在PHY和MAC之間引入Flex E[8]。以100 Gbps以太網(wǎng)為例,Flex E把PHY劃分成20個時隙,每個時隙對應1個64/66 bits數(shù)據(jù)塊。如圖4所示,每個時隙對應的帶寬為5 Gbps。顯然占用2個時隙可以提供1個10 Gbps數(shù)據(jù)通道,占用5個時隙可以提供1個25 Gbps數(shù)據(jù)通道。

圖4 通道化以太網(wǎng)示意Fig.4 Channelized ethernet

Flex E層具有類似時分復用(TDM)功能,可以通過時隙交換直接把一個端口中的數(shù)據(jù)通道交換到另一個端口中的指定數(shù)據(jù)通道。因為無需分組層路由交換處理,Flex E可以實現(xiàn)通道間的物理隔離,并顯著降低節(jié)點處理時延。

從上述分析不難看出,面向5G的承載網(wǎng)可以提供通道化的網(wǎng)絡切片,也可以提供邏輯網(wǎng)絡切片。

5 網(wǎng)絡切片在新型分布式能源系統(tǒng)中的應用

5.1 切片部署

新型分布式能源系統(tǒng)對IT技術和CT技術的多元化需要決定網(wǎng)絡切片也要因應用場景不同而采取不同的部署方式。

(1)u RLLC類業(yè)務

在新型分布式發(fā)電系統(tǒng)中,分布式電壓控制、精確控制、故障隔離倒換之類的業(yè)務需要低時延高可靠ICT系統(tǒng)來提供保障。因此在控制器連接端,需要將UPF下沉到邊緣,可以采用通道化承載切片連接UPF和1個或多個5G基站的集中單元(CU),并在UPF附近部署移動邊緣計算(MEC)節(jié)點。在服務器側(cè),MEC節(jié)點通過專網(wǎng)連接區(qū)域中心控制系統(tǒng)。MEC節(jié)點負責提供實時決策、控制,中心控制節(jié)點負責大數(shù)據(jù)分析、控制模型優(yōu)化,并對MEC中的控制模型進行更新。

(2)eMBB類業(yè)務

在新型分布式發(fā)電系統(tǒng)中,e MBB類業(yè)務包括輸電線路無人機視頻巡檢、場站機器人射頻巡檢、視頻人機交互和一般的視頻監(jiān)控業(yè)務等。對于視頻流量大的應用,可以通過局域5G切片把上傳視頻內(nèi)容引入MEC進行預處理,之后把處理結果上傳到控制系統(tǒng)。對于移動性、連續(xù)性要求強的應用,需要在設置網(wǎng)絡切片是考慮使用獨立AMF/SMF。

(3)MIo T類業(yè)務

MIo T類業(yè)務一般覆蓋面廣、時延要求低、帶寬需求較小,因此可以采用與其他系統(tǒng)共用方式設置網(wǎng)絡切片所需的諸網(wǎng)絡功能,承載方面使用邏輯隔離方式,這樣可以降低使用成本和切片部署難度。

5.2 網(wǎng)絡切片管理

除了從運營商處獲得5G網(wǎng)絡切片(非自建情況下)獨立優(yōu)化管理能力外,網(wǎng)絡切片管理還應該考慮本行業(yè)的終端和服務器系統(tǒng)。切片管理框架如圖5所示,詳細定義可參閱文獻[9-10]。

如圖5所示,網(wǎng)絡切片管理由以下幾層構成:

(1)業(yè)務管理層。通信業(yè)務管理功能(CSMF)負責將業(yè)務需求轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡需求。

(2)切片管理層。網(wǎng)絡切片管理功能(NSMF)負責管理和編排網(wǎng)絡切片實例(NSI)。對于電力系統(tǒng)而言,處理要管理租用運營商的網(wǎng)路切片以外,還需要管理自身專網(wǎng)系統(tǒng)中的網(wǎng)路切片。

(3)切片子網(wǎng)管理層。網(wǎng)路切片子網(wǎng)管理功能(NSSMF)負責管理和編排切片子網(wǎng)實例(NSSI)。對于5G網(wǎng)絡運營商而言,切片子網(wǎng)一般按CN,RAN等子域劃分。對于電力系統(tǒng)而言,還需要考慮服務器系統(tǒng)和自身的專網(wǎng)系統(tǒng)。

切片管理與編排功能(MANO)之間的關系由TS 28.800給出。NSSMF調(diào)用MANO完成虛擬資源管理的操作。MANO直接管理VNF和物理網(wǎng)絡功能(PNF)支撐網(wǎng)絡功能虛擬化所需操作,包括設計、準備、配置、激活、監(jiān)控、報告、修改、去激活、終止等網(wǎng)絡切片生命周期全部操作。

圖5 網(wǎng)絡切片管理框架Fig.5 Framework of network-slicing management

6 結論

文章首先探討了在網(wǎng)絡切片技術分布式能源系統(tǒng)中應用的必要性,進而在分析5G的網(wǎng)絡切片技術的基礎上,給出了在采用5G網(wǎng)絡支持新型分布式能源系統(tǒng)的時候如何實施切片的部署和切片的管理。