基于5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的農(nóng)網(wǎng)智能監(jiān)控傳輸應(yīng)用

及翠婷,王佳君

(國網(wǎng)河北省電力有限公司信息通信分公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合發(fā)展,大容量、低時(shí)延、高速率、海量接入的業(yè)務(wù)特性,以及多元化集成信息的承載傳輸,成為電網(wǎng)智能化升級(jí)的高級(jí)需求,而5G 的到來則為實(shí)現(xiàn)以上需求帶來了可能。5G 的高速率可為海量數(shù)據(jù)的傳輸提供強(qiáng)有力支撐,低時(shí)延技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)的毫秒級(jí)精準(zhǔn)控制[1]。在5G 時(shí)代,電力和信息將更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,5G 網(wǎng)絡(luò)承載電力多元化業(yè)務(wù)的可行性也將被進(jìn)一步拓展。

農(nóng)網(wǎng)領(lǐng)域涉及千百種差異化場景,其承載的數(shù)據(jù)信息兼具海量、復(fù)雜特性,且涉及聲音、圖像、視頻等多元信息的融合傳輸,因此,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源、系統(tǒng)性能、用戶體驗(yàn)等需求各式各樣。如按傳統(tǒng)的思路構(gòu)建多個(gè)專網(wǎng)來傳輸,勢必造成基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)功能的巨大浪費(fèi);若基于傳統(tǒng)的單一網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為多個(gè)差異化業(yè)務(wù)提供服務(wù),又會(huì)導(dǎo)致一系列諸如體驗(yàn)效果差、管理能效低、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)維支持難等問題。因此提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的農(nóng)網(wǎng)多元信息傳輸?shù)那衅桨?實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配使用。

1 網(wǎng)絡(luò)切片需求分析

5G 網(wǎng)絡(luò)共定義了e MBB(Enhanced Mobile Broadband,增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶)、m MTC (Massive Machine Type Communications,大規(guī)模機(jī)器類型通信)、uRLLC(Ultra-reliable and Low-latency Communications,超可靠、低時(shí)延通信)三大基礎(chǔ)應(yīng)用場景,且在多媒體、智慧城市、人工智能等多種領(lǐng)域已有廣泛涉及和成熟應(yīng)用。電網(wǎng)場景的信息傳輸需求均可基于5G 網(wǎng)絡(luò)中的三大基礎(chǔ)場景的加權(quán)組合實(shí)現(xiàn)。為進(jìn)一步滿足電網(wǎng)多元化融合業(yè)務(wù)承載需求,需要更加實(shí)時(shí)、可靠、高效的通信網(wǎng)絡(luò)來堅(jiān)強(qiáng)支撐,5G 中的“網(wǎng)絡(luò)切片”技術(shù)具備十分靈活的差異化業(yè)務(wù)服務(wù)能力,且網(wǎng)絡(luò)資源全過程可見、全方位可控,能促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)營成本再降低,技術(shù)應(yīng)用再創(chuàng)新。

2 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)及分片技術(shù)

2.1 架構(gòu)原理

網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)見圖1。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層提供所需的資源和基礎(chǔ);網(wǎng)絡(luò)切片層基于基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)建,聚合所需的網(wǎng)絡(luò)功能以形成端到端的邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò),每張端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò)均由接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)3種子切片構(gòu)成,以便實(shí)現(xiàn)一張物理網(wǎng)絡(luò)資源的整體虛擬切割;切片管理層用于網(wǎng)絡(luò)切片從“準(zhǔn)備、試運(yùn)行、實(shí)施、下線”四階段全生命周期的管理。其中,“準(zhǔn)備階段”依據(jù)差異化業(yè)務(wù)定義通信場景需求、適配切片模板,并搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與用戶服務(wù)界面;“試運(yùn)行階段”根據(jù)確定的業(yè)務(wù)需求部署適配的切片,配置基本數(shù)據(jù)、路由信息等;“實(shí)施階段”意味著切片正式運(yùn)行,主要實(shí)現(xiàn)切片激活、切片優(yōu)化、切片容量調(diào)整等;“下線階段”主要負(fù)責(zé)切片的去激活、服務(wù)終止、資源回收等[2]。

2.2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)均可采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破。其中,核心網(wǎng)子切片主要基于SDN/NFV (Software Defined Network/Network Function Virtualization,軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)虛擬化)技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)功能與實(shí)體網(wǎng)元解綁,形成服務(wù)化組件;傳輸承載網(wǎng)是一個(gè)支持多業(yè)務(wù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò),對(duì)各子切片間的隔離程度要求甚高,一般通過基于時(shí)分復(fù)用機(jī)制的硬切分與基于頻分復(fù)用機(jī)制的軟切分方式實(shí)現(xiàn),以便最終產(chǎn)生能夠分別承載不同的切片業(yè)務(wù)的一系列物理隔離的獨(dú)立子信道[3]和多個(gè)相互獨(dú)立的邏輯通道;無線網(wǎng)子切片依據(jù)業(yè)務(wù)場景,通過靈活切分和部署CU(Centralized Unit,集中單元)/DU(Distribute Unit,分布單元)、SDN/NFV等技術(shù)而實(shí)現(xiàn),并采用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的分配方式劃分空中無線資源[4]。NSSAI(Network Slice Selection Assistance Information,網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息)作為網(wǎng)絡(luò)切片的唯一特定標(biāo)識(shí)參數(shù),可供終端精準(zhǔn)標(biāo)識(shí)出不同的切片類型。

3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在農(nóng)網(wǎng)智能監(jiān)控傳輸中的應(yīng)用

3.1 農(nóng)網(wǎng)智能監(jiān)控傳輸業(yè)務(wù)分析

為確保農(nóng)網(wǎng)安全穩(wěn)定精準(zhǔn)運(yùn)行,農(nóng)網(wǎng)系統(tǒng)中需采集并傳輸多元業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),重點(diǎn)包括表1所列的3類信息:監(jiān)測類、感知類、控制類,每一類數(shù)據(jù)均與某類適用場景相對(duì)應(yīng)。

表1 農(nóng)網(wǎng)智能監(jiān)控業(yè)務(wù)信息

隨著新農(nóng)村建設(shè)步伐的逐步加快,對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)可持續(xù)提供優(yōu)質(zhì)電能、24 h平穩(wěn)運(yùn)行功能提出了日益嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)在城網(wǎng)設(shè)備、線路、故障等視頻監(jiān)控大多以裸光纖或MSTP(Multi-Service Transfer Platform,多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái))為代表的專線網(wǎng)絡(luò)接入為主,無法覆蓋城市邊緣區(qū)域、鄉(xiāng)村、山區(qū)等不適宜搭建專線網(wǎng)絡(luò)的特殊地區(qū)[5]。農(nóng)網(wǎng)監(jiān)控涉及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、電能波動(dòng)擾動(dòng)監(jiān)測、突發(fā)事件監(jiān)測及預(yù)警等眾多場景,且網(wǎng)絡(luò)可能分布在山地、湖泊、樹林、雪原等偏遠(yuǎn)復(fù)雜地帶,因此對(duì)傳輸視頻的清晰度、流暢度、實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著視頻清晰度向標(biāo)清-高清-超高清標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn),監(jiān)控設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)網(wǎng)傳輸性能的要求也相應(yīng)逐級(jí)升高。

表2 4G/5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

表2對(duì)比分析的是4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)性能,4G網(wǎng)絡(luò)擁有50 Mb/s的用戶體驗(yàn)速率、50 ms的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲,若采用4G組網(wǎng)模式補(bǔ)盲農(nóng)村城鎮(zhèn)等邊遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)控措施,則無法保障傳輸?shù)囊曨l畫面實(shí)時(shí)可靠、清晰流暢。過渡到5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí),速率和時(shí)延均有較大的飛躍,因此,農(nóng)網(wǎng)視頻監(jiān)控可基于5G網(wǎng)絡(luò)所定義的3種基礎(chǔ)場景組合實(shí)現(xiàn),尤其是eMBB場景具有大帶寬、廣覆蓋特點(diǎn),用戶上行速率500 Mb/s、下行速率1 Gb/s,對(duì)于4K 或8K 的超高清視頻有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)傳輸承載能力,使實(shí)時(shí)監(jiān)測異常情況、處理緊急事件成為可能。

3.2 農(nóng)網(wǎng)傳輸原理架構(gòu)及切片傳輸方案

農(nóng)網(wǎng)智能實(shí)時(shí)監(jiān)控的關(guān)鍵主要依賴于圖像、視頻等大數(shù)據(jù)的分析處理,涉及人臉識(shí)別、場景識(shí)別、突發(fā)事件監(jiān)測及預(yù)警等,因此,對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性、有效性等要求極高。5G 網(wǎng)絡(luò)的核心切片技術(shù)可根據(jù)差異化場景業(yè)務(wù)需求,在現(xiàn)有通用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上能夠靈活設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu),從而提供相互隔離的專用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻全覆蓋、高可靠穩(wěn)定傳輸。

3.2.1 農(nóng)網(wǎng)監(jiān)控整體組網(wǎng)架構(gòu)

農(nóng)網(wǎng)監(jiān)控場景組網(wǎng)架構(gòu)見圖2,包含終端接入網(wǎng)、傳輸承載網(wǎng)、核心控制網(wǎng)等。

圖2 監(jiān)控場景組網(wǎng)架構(gòu)

圖2中的5G CPE(Customer Premise Equipment,客戶終端設(shè)備)是一種收發(fā)Wi-Fi(Wireless Fidelity,無線保真)信號(hào)的無線終端接入設(shè)備,主要接收5G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào),并以此建立一個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),具體可把運(yùn)營商信號(hào)變成Wi-Fi信號(hào),并進(jìn)行信號(hào)的二次中繼,以便延長Wi-Fi的覆蓋范圍,減少信號(hào)盲點(diǎn)區(qū)域,以便支持無人機(jī)、攝像頭、巡檢機(jī)器等更多的視頻圖像信息采集終端接入網(wǎng)絡(luò)。

5G小基站主要功能是提供無線覆蓋,即實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)與CPE之間的無線信號(hào)傳輸,其引入超密集組網(wǎng)架構(gòu),能數(shù)百倍的提升數(shù)據(jù)容量,且具有低功耗、低成本、可擴(kuò)展、易部署等多重優(yōu)點(diǎn),能夠有效解決農(nóng)網(wǎng)偏遠(yuǎn)地段監(jiān)控盲點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題。

EPC(Evolved Packet Core,分組核心網(wǎng))和5GC(5th-Generation Core,5G 核心)均為核心網(wǎng)絡(luò),作為承載網(wǎng)絡(luò)提供到外部網(wǎng)絡(luò)的接口,主要負(fù)責(zé)將基站發(fā)射的信號(hào)存儲(chǔ)至視頻云上,或通過專線形式送至電網(wǎng)監(jiān)控中心,從而完成用戶連接、用戶管理、業(yè)務(wù)承載等業(yè)務(wù)。

電網(wǎng)傳輸監(jiān)控中心由視頻應(yīng)用平臺(tái)、應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)、指揮平臺(tái)組成。其中,視頻應(yīng)用平臺(tái)負(fù)責(zé)接收播放視頻圖像;應(yīng)急指揮調(diào)度平臺(tái)負(fù)責(zé)依據(jù)監(jiān)測的異常情況處理緊急事件;指揮平臺(tái)通過發(fā)出特定控制指令協(xié)調(diào)各平臺(tái)有序平穩(wěn)安全運(yùn)行。

3.2.2 多元監(jiān)控信息傳輸機(jī)制

針對(duì)農(nóng)網(wǎng)專用通信網(wǎng)承載存在可靠性差、同步難、帶寬利用率低等傳輸問題,基于5G 網(wǎng)絡(luò)切片原理及關(guān)鍵技術(shù),提出一種優(yōu)化的多元監(jiān)控信息傳輸機(jī)制,其傳輸層切片子網(wǎng)流程,包含5大功能模塊,每一模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行特定功能,見圖3。

圖3 傳輸切片子網(wǎng)原理架構(gòu)示意

模塊功能詳述如下。

a.切片劃分。接收農(nóng)網(wǎng)監(jiān)測、感知、控制等多元化數(shù)據(jù)信息,進(jìn)行分類,邏輯上劃分成多個(gè)互相獨(dú)立的固定規(guī)模的小型數(shù)據(jù)塊,以便匹配合適的傳輸通道。

b.切片選擇。相當(dāng)于數(shù)據(jù)通道的總開關(guān),通過對(duì)協(xié)議棧的裁剪定制以及對(duì)時(shí)頻資源進(jìn)行軟切或硬切,為數(shù)據(jù)塊匹配最優(yōu)化的傳輸通道。

c.Slice(切片)N。傳輸數(shù)據(jù)的切片通道,用于承載所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊,每個(gè)Slice均帶有唯一不同ID(Identity Document,身份識(shí)別)碼,確保能被接收端唯一識(shí)別。

d.增減切片和伸縮切片在整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)資源調(diào)度和流量控制。其中,切片增減負(fù)責(zé)接收切片伸縮模塊反饋信息,若識(shí)別為“1”(網(wǎng)絡(luò)閾值告警信息),則啟動(dòng)切片新增功能,重新分配一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)切片使用;若識(shí)別為“0”(空閑切片提示信息),則需精準(zhǔn)定位空閑網(wǎng)絡(luò)切片位置,確認(rèn)此網(wǎng)絡(luò)切片生命周期結(jié)束,并執(zhí)行撤銷功能。切片伸縮主要在切片規(guī)定容量內(nèi)可根據(jù)農(nóng)網(wǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活擴(kuò)容、縮容和動(dòng)態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)流量均衡。切片伸縮與切片增減模塊需實(shí)時(shí)交互信息,一旦監(jiān)測到slice N 中的某一切片達(dá)到滿容或空閑時(shí),則即刻反饋告警或提示信息至“切片增減”模塊進(jìn)行切片的新增或刪除。

同時(shí),每個(gè)傳輸切片子網(wǎng)還可進(jìn)一步設(shè)計(jì)包括控制策略和終端接入機(jī)制等完整的網(wǎng)絡(luò)資源,能夠針對(duì)差異化業(yè)務(wù)場景,在速率、時(shí)延、安全、計(jì)費(fèi)、業(yè)務(wù)感知、鑒權(quán)認(rèn)證等方面的不同需求,靈活分配并有效調(diào)整傳輸網(wǎng)資源,以更低成本提供個(gè)性化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

4 應(yīng)用效果

在實(shí)驗(yàn)條件下,測得視頻傳輸指標(biāo)如下。

a.傳輸速率方面。采用網(wǎng)絡(luò)切片傳輸時(shí),視頻圖像傳速率穩(wěn)定保持在600 Mb/s以上,最高可達(dá)908 Mb/s,相比于專網(wǎng)平均傳輸速率的72.6 Mb/s,有著較為明顯的提高。

b.畫面質(zhì)量方面。壞幀、掉幀率下降至0.2%,畫面卡頓、圖像模糊、雪花屏等故障率降至1.3%,視頻更清晰、更流暢。

c.傳輸延時(shí)方面。視頻從攝像頭采集監(jiān)控器播放,全過程時(shí)間可控制在12 ms,幾乎感覺不到延時(shí)。

d.網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面。理論上可允許千億量級(jí)終端接入,是4G 網(wǎng)絡(luò)承載傳輸網(wǎng)所無法比擬的。

e.監(jiān)控范圍方面?？扇菁{信息采集終端數(shù)量的大幅增加及網(wǎng)絡(luò)的高頻傳輸,使得監(jiān)控覆蓋范圍可由4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的82%提高至98.8%,能夠大面積去除監(jiān)控盲區(qū),幾乎可以實(shí)現(xiàn)山區(qū)郊縣等偏遠(yuǎn)區(qū)域的全覆蓋。

綜上所述,在農(nóng)網(wǎng)智能監(jiān)控中應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)傳輸多元化視頻業(yè)務(wù),可以從網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、信息安全性、傳輸有效性三方面取得顯著效果,為實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)監(jiān)控視頻全覆蓋、高可靠穩(wěn)定傳輸提供了必要保障。

5 結(jié)束語

智能電網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的變革導(dǎo)致4G 網(wǎng)絡(luò)已無法滿足更高、更快、更安全的發(fā)展要求,5G 將以其大帶寬、低時(shí)延、海量接入的顯著特征和網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等創(chuàng)新技術(shù),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“業(yè)務(wù)個(gè)性化、傳輸多元化”通信需求的“量身定制”。農(nóng)網(wǎng)將借助5G 網(wǎng)絡(luò)的巨大優(yōu)勢,迅速進(jìn)入更快、更優(yōu)、更穩(wěn)定的全新智能時(shí)代[6],海量多元數(shù)據(jù)信息的融合傳輸也將大力推動(dòng)電網(wǎng)智能化發(fā)展,為新農(nóng)村建設(shè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。