5G切片技術(shù)的電力移動終端接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的研究

周智勛

（云南云電同方科技有限公司，昆明 650217）

0 前言

從2G時代以來，移動終端設(shè)備接入電力企業(yè)內(nèi)網(wǎng)逐步成為需求點(diǎn)，隨著3G和4G的快速發(fā)展，移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度提升了很多，使得圖像、語音和視頻的傳輸成為了可能，并且用戶體驗也變得越來越好，隨著5G[1]的發(fā)展和普及，大量移動終端設(shè)備，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)變成了可能。5G具有三大特性：

1）eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶），提供超高速的寬帶業(yè)務(wù)；

2）超高可靠超低時延通信（uRLLC），數(shù)據(jù)通信低延時，實時性非常強(qiáng)；

3）mMTC（海量機(jī)器類通信），支持海量設(shè)備的連接，為萬物互聯(lián)提供了基礎(chǔ)保障。這為移動終端設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)提供了很多場景和需求。

1 電力移動終端設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)現(xiàn)狀

在“十二五”期間（2011-2015），云南電網(wǎng)建設(shè)了遠(yuǎn)程移動安全接入平臺，該平臺主要解決了在運(yùn)營商（移動、電信、聯(lián)通）2.5G和3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，電力移動終端設(shè)備安全的接入電力內(nèi)網(wǎng)。平臺支持的操作系統(tǒng)包括蘋果iOS、谷歌Android和微軟Windows Phone。在運(yùn)營商的核心網(wǎng)和電網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)之間鋪設(shè)APN物理專線，終端設(shè)備利用APN的入網(wǎng)許可驗證，可以安全的從外網(wǎng)區(qū)直達(dá)電網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)區(qū)，結(jié)合APN防火墻和安全策略路由器，終端設(shè)備中的企業(yè)應(yīng)用可以安全的訪問到各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的邏輯部署架構(gòu)如圖1所示。

在“十三五”期間（2016-2020），隨著4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和快速普及，日益完善的通信網(wǎng)絡(luò)為移動應(yīng)用發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。云南電網(wǎng)基于“十二五”期間的移動安全接入平臺，進(jìn)行全面升級改造。在4G網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，可接受的時間內(nèi)，可以傳送更多的數(shù)據(jù)，使得電力移動終端設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的速度和效率更高?；跀?shù)字證書安全認(rèn)證體系（PKI/CA），集成4A系統(tǒng)和VPN系統(tǒng)，對多種網(wǎng)絡(luò)接入方式進(jìn)行整合，構(gòu)建移動智能接入平臺。相較于APN專線通道，VPN系統(tǒng)使得用戶使用移動終端設(shè)備過程中，體驗更好，更流暢。移動智能接入平臺的邏輯部署架構(gòu)如圖2所示。

圖1 遠(yuǎn)程移動安全接入平臺邏輯部署架構(gòu)圖

圖2 移動智能接入平臺的邏輯部署架構(gòu)

在2.5G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，電力移動終端設(shè)備可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、圖片、小視頻和文檔等為主，無法傳送高清實時視頻數(shù)據(jù)流。終端設(shè)備按需建立連接通道，數(shù)據(jù)傳輸完畢之后，立即釋放出網(wǎng)絡(luò)資源，以避免造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，影響其他用戶的正常使用，無法做到數(shù)據(jù)的實時響應(yīng)。此外，由于網(wǎng)絡(luò)通道的受限，無法滿足海量電力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的同時集中接入。

2 5G發(fā)展和特點(diǎn)

關(guān)于5G，在維基百科中是這樣解釋的：5G是第五代移動通信技術(shù)（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems，簡稱5G）是最新一代移動通信技術(shù)，為4G（LTE-A、 WiMAX-A）系統(tǒng)后的延伸。5G的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。

5G具有三大特性[2]：

1）eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶），提供超高速的寬帶業(yè)務(wù)；

2）超高可靠超低時延通信（uRLLC），數(shù)據(jù)通信低延時，實時性非常強(qiáng)；

3）mMTC（海量機(jī)器類通信），支持海量設(shè)備的連接，為萬物互聯(lián)提供了基礎(chǔ)保障。

3 5G切片技術(shù)介紹

在5G技術(shù)中，隨著云計算和虛擬化技術(shù)的成熟，使得網(wǎng)絡(luò)切片[3]模式成為了可能。5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片是指將網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資源進(jìn)行靈活切分，按實際場景和需求組網(wǎng)，基于5G網(wǎng)絡(luò)切分出多個具有不同特點(diǎn)且互相隔離的邏輯子網(wǎng)，每個端到端網(wǎng)絡(luò)切片均由無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，這些子網(wǎng)能滿足不同場景的需求。

網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)勢在于其能讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商自己選擇每個切片所需的特性[4]，例如低延遲、高吞吐量、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡(luò)效率，這些特性有助于提高產(chǎn)品和服務(wù)方面的效率，提升客戶體驗。不僅如此，運(yùn)營商無需考慮網(wǎng)絡(luò)其余部分的影響就可進(jìn)行切片更改和添加，既節(jié)省了時間又降低了成本支出，也就是說，網(wǎng)絡(luò)切片可以帶來更好的成本效益。如下圖3，是網(wǎng)絡(luò)切片示意圖。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

無線網(wǎng)的切分[5]：在5G環(huán)境中，業(yè)務(wù)需求和實際場景逐漸多樣化，無線網(wǎng)也需要具有靈活部署的特性，根據(jù)服務(wù)等級協(xié)議需求的不同，進(jìn)行靈活的無線網(wǎng)子切片的定制。無線網(wǎng)主要對協(xié)議棧和時頻資源進(jìn)行切分。其中，協(xié)議棧切分，主要是根據(jù)實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分，在無線側(cè)基站的被BBU拆分為CU（集中單元）和DU（分布單元），CU用于集中處理非實時業(yè)務(wù)，而DU則主要負(fù)責(zé)對實時業(yè)務(wù)的處理，可以把延時性不相關(guān)的業(yè)務(wù)放到CU，跟延時性相關(guān)的業(yè)務(wù)放到DU。CU集中/DU分布的架構(gòu)可以為網(wǎng)絡(luò)切片提供良好的靈活性，可根據(jù)實際需求進(jìn)行靈活的定制部署。

傳輸網(wǎng)的切分[6]：5G時代追求萬物互聯(lián)，要滿足各種不同垂直行業(yè)的差異化需求，因此傳輸網(wǎng)切片網(wǎng)絡(luò)的不同業(yè)務(wù)之間需要互相隔離且能夠獨(dú)立運(yùn)維，需要給不同需求的業(yè)務(wù)分配不同的傳輸網(wǎng)切片，每個傳輸網(wǎng)切片就像一個獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)。

傳輸網(wǎng)切片運(yùn)用虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)的鏈路、節(jié)點(diǎn)、端口等拓?fù)滟Y源虛擬化，在傳輸硬件設(shè)施中切分出多個邏輯的虛擬傳輸子網(wǎng)，在物理網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建虛擬子網(wǎng)層。虛擬網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立的管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，各虛擬網(wǎng)絡(luò)之上可獨(dú)立支持各種業(yè)務(wù)，以此實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的隔離。

核心網(wǎng)的切分：作為直接承接業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層級，核心網(wǎng)需要具備可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景靈活調(diào)配和部署網(wǎng)絡(luò)功能的能力，而傳統(tǒng)基于專用硬件的核心網(wǎng)已經(jīng)無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片在靈活性和SLA方面的需求，因此5G核心網(wǎng)要突破4G核心網(wǎng)中網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元只能集中式部署的限制。

5G核心網(wǎng)通過模塊化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合，基于全新的服務(wù)化架構(gòu)（SBA架構(gòu)），將網(wǎng)絡(luò)功能解耦為服務(wù)化組件，組件之間使用輕量級開放接口通信?？刂泼?、網(wǎng)元之間都會走服務(wù)化架構(gòu)接口，不再走傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化接口。每種服務(wù)均可獨(dú)立擴(kuò)容演進(jìn)并按需部署，這種結(jié)構(gòu)高內(nèi)聚、低耦合，使核心網(wǎng)靈活、開放、易拓展，從而可以滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片按需定制和動態(tài)部署的要求。

核心網(wǎng)切片中把網(wǎng)元[7]功能打散，讓不同的網(wǎng)元來承擔(dān)不同的功能，這樣網(wǎng)絡(luò)切片功能就可以靈活地定制，根據(jù)不同需求進(jìn)行功能裁剪選擇，對于某些業(yè)務(wù)就可以刪減掉一些不需要的網(wǎng)元功能。

可以根據(jù)5G的特性（高帶寬、海量連接、低延時），將5G應(yīng)用場景分為三類：移動帶寬、海量物聯(lián)網(wǎng)、任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)。

在5G的三大應(yīng)用場景中，增強(qiáng)移動帶寬是第一個正式商用的場景，其特點(diǎn)是速率高?；诖?，在4G時代的視頻業(yè)務(wù)將得到進(jìn)一步深化，迎來更大的發(fā)展。

表1 5G應(yīng)用場景劃分

利用5G切片解決多樣化的移動終端設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)[8]：針對移動應(yīng)用，電網(wǎng)公司主要涉及業(yè)務(wù)特征包括實時性高要求（移動作業(yè)、移動辦公、郵件收發(fā)、掌上財務(wù)、復(fù)電監(jiān)控等）、端到端數(shù)據(jù)長連接（充電樁、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）、高帶寬（現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控畫面實時回傳、無人機(jī)線巡視頻回傳）。電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要保證絕對安全的前提下，進(jìn)行移動終端設(shè)備接入內(nèi)網(wǎng)。結(jié)合5G的特性，由網(wǎng)絡(luò)切片提供網(wǎng)絡(luò)隔離，能適度地滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全性、可靠性和靈活性需求，可為電網(wǎng)行業(yè)虛擬出多個不同類型的“無線專網(wǎng)”（海量連接、高帶寬、低延時等），進(jìn)行更高強(qiáng)度的安全隔離[9]，定制化分配資源，相比于以往的移動通信技術(shù)，5G更適配智能電網(wǎng)發(fā)展需求。

另外，基于業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，結(jié)合5G切片技術(shù)，可以做到業(yè)務(wù)級別的5G切片隔離。例如，營銷業(yè)務(wù)需要處理的流程長，則分配支持長連接的切片通道，而調(diào)度對實時性要求高，則可以分配低延時高可靠性的網(wǎng)絡(luò)切片，針對現(xiàn)場作業(yè)，需要視頻實時回傳的場景，則可以分配高容量高帶寬的網(wǎng)絡(luò)切片。

圖4 移動網(wǎng)絡(luò)切片的分布架構(gòu)

圖4展示了不同業(yè)務(wù)場景，使用不同的切片。無人機(jī)現(xiàn)場巡檢可以通過增強(qiáng)移動帶寬網(wǎng)絡(luò)切片，將實時視頻數(shù)據(jù)回傳到電網(wǎng)IDC區(qū)。電力物聯(lián)網(wǎng)[9]設(shè)備則利用海量物聯(lián)網(wǎng)特性，劃分切片，將大量的設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。充電樁由于涉及實時性要求高，則通過劃分高可靠低延時特性網(wǎng)絡(luò)切片接入使用，這非常適合充電樁用電信息和繳費(fèi)信息的處理。此外，結(jié)合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)3G和4G，支持移動辦公，每個切片和網(wǎng)絡(luò)通道，都通過安全接入?yún)^(qū)，認(rèn)證通過后，可方便自由的通往企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。以此，結(jié)合了5G的三大特性劃分的切片，以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)3G和4G的全面覆蓋，完美的解決移動終端設(shè)備接入企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)安全[10]的傳輸。

4 結(jié)束語

5G將對移動終端設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)帶來重大變革，由之前的為不同垂直應(yīng)用提供服務(wù)的專用物理網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)變?yōu)?“網(wǎng)絡(luò)工廠”，可通過軟件定制網(wǎng)絡(luò)切片，為不同移動終端設(shè)備和場景提供可保障的服務(wù)質(zhì)量，在同一套物理基礎(chǔ)設(shè)備（無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)）上基于不同的業(yè)務(wù)需求生成邏輯隔離的獨(dú)立運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)切片。5G將打造新的移動互聯(lián)網(wǎng)，并為移動終端設(shè)備接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)提供了很多想象空間，也會對現(xiàn)狀作出一些顛覆性的改變。