網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的發(fā)展研究與展望

郭長江

（燕山大學里仁學院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

隨著我國電動汽車相關技術的發(fā)展，電動汽車用戶設備與電力設備的功能逐漸齊全，但電力專網(wǎng)缺乏智能化管理機制，且不同通信供應商的設備難以實現(xiàn)互相轉換，使得電力專網(wǎng)無法滿足電動汽車用戶的通信需求。隨著網(wǎng)絡功能虛擬化技術的不斷發(fā)展，移動網(wǎng)絡逐漸被應用于云平臺上，通信運營商通過提供演進型分組核心網(wǎng)絡服務，再搭配上網(wǎng)絡切片技術，就可滿足電動汽車用戶和用電設備的通信需求［1］。網(wǎng)絡切片技術是一種彈性化和定制化組網(wǎng)方式，電動汽車充換電運營商可利用移動通信來構建網(wǎng)絡切片，根據(jù)用戶的不同需求對網(wǎng)絡資源進行優(yōu)化分配，提高網(wǎng)絡資源利用效率和電力專網(wǎng)安全性。研究網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的發(fā)展與應用，可以促進網(wǎng)絡切片技術在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的應用。

1 網(wǎng)絡切片技術概述

1.1 網(wǎng)絡切片概念架構

網(wǎng)絡切片技術是近些年移動通信行業(yè)中備受關注的關鍵技術，中國移動等網(wǎng)絡運營商對網(wǎng)絡切片技術的概念、架構和用例進行全面深入的研究。網(wǎng)絡切片的概念架構分為三層，即服務實例層、網(wǎng)絡切片實例層和資源層［2］。網(wǎng)絡切片概念架構中的任意實例都是一個獨立結構，在其運行時，應該由與之對應的范例或藍圖生成。服務實例層是網(wǎng)絡切片概念架構用戶終端的集合，可為用戶提供不同的網(wǎng)絡需求，包括網(wǎng)絡運營商的通信服務和第三方提供給專屬用戶的專屬服務。網(wǎng)絡切片實例層是由網(wǎng)絡運營商提供的網(wǎng)絡切片集合，網(wǎng)絡運營商可為不同用戶需求提供網(wǎng)絡切片實例化服務。網(wǎng)絡運營商可根據(jù)網(wǎng)絡切片藍圖來提供服務，且網(wǎng)絡切片實例化服務可共享給多個用戶。一個網(wǎng)絡切片實例由多個子網(wǎng)絡切片實例組成，且可由多個網(wǎng)絡切片同時使用［3］。子網(wǎng)絡切片實例可生成子網(wǎng)絡切片藍圖，且這些藍圖中都有一系列能應用到邏輯資源上的網(wǎng)絡功能。資源層是網(wǎng)絡基礎設施、網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡功能的集合，要聯(lián)合網(wǎng)絡切片實例層中各類實例（網(wǎng)絡切片實例及其子網(wǎng)絡切片實例）來進行網(wǎng)絡資源的優(yōu)化分配，為用戶提供切片化網(wǎng)絡服務。

1.2 網(wǎng)絡切片典型用例

中國移動公司對未來移動通信網(wǎng)絡用例的定義多是來自應用類型和通信性能指標，且大多具有對稱性和互補性，如將對時延敏感的實時通信與對時延不敏感的視頻業(yè)務進行配對、對移動性具有高要求的高速移動車輛業(yè)務和對移動性沒有高要求的低速移動用戶業(yè)務配對等。雖然未來通信網(wǎng)絡發(fā)展呈多樣性，但未來移動通信網(wǎng)絡可根據(jù)網(wǎng)絡切片的用例場景和需求，分為增強型移動寬帶通信應用場景、高可靠低延時通信應用場景和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信應用場景。

增強型移動寬帶應用場景對網(wǎng)絡服務要求較高，要提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度和網(wǎng)絡覆蓋范圍，可讓用戶在網(wǎng)絡覆蓋范圍內享受6.25 MB/s 以上的網(wǎng)速，為偏遠地區(qū)的高質量通信需求提供了可能性，用戶即便是在人煙稀少的偏遠地區(qū)也可通過移動寬帶服務進行視頻通話、大文件傳輸?shù)刃枰哔|量網(wǎng)速支持的活動［4］。

高可靠低延時通信應用場景可為用戶提供超低丟包率的可靠通信服務與時延低于1 ms 的低延時通信服務，基于此，網(wǎng)絡切片可應用于車輛自動駕駛、自然災害應急處理和公共安全監(jiān)管等場景中。為更好地服務這些應用場景，通信服務業(yè)務大多具有較高的通信優(yōu)先級，能提供延時小的通信服務，業(yè)務數(shù)據(jù)也可進行高效處理。由于該類應用場景大多關系到用戶的生命安全，因此對通信網(wǎng)絡的可靠性有很高的要求。

大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信應用場景的特點是低功耗、低成本、高密度設備支持和高覆蓋率，其主要應用場景是傳感器網(wǎng)絡、智能可穿戴設備及智慧城市建設等領域。雖然這種應用場景對用戶設備的通信功能和接入密度具有很高的要求，但對網(wǎng)絡通信服務的網(wǎng)絡時延和移動性沒有要求。很多物聯(lián)網(wǎng)通信設備都是低速移動和固定設備，對網(wǎng)絡移動性和時延沒有要求，且很多物聯(lián)網(wǎng)都應用于非時延敏感場景中，可忽略網(wǎng)絡時延［5］。

2 網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的發(fā)展研究與展望

2.1 網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的發(fā)展研究

網(wǎng)絡切片最早是由下一代移動網(wǎng)絡（NGMN）引入的新概念，想要開發(fā)特定的網(wǎng)絡功能和接入技術來滿足特定用戶的特定通信服務需求，由規(guī)范統(tǒng)一的物理資源商來實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的邏輯化和孤立化。2016 年，第三代合作伙伴計劃（3GPP）成立了專門的科研小組來對網(wǎng)絡切片技術進行專項研究，研究結果顯示，網(wǎng)絡運營商可采用網(wǎng)絡切片技術來為用戶提供專門的通信網(wǎng)絡業(yè)務，滿足不同用戶的不同網(wǎng)絡需求。Taleb 等總結了網(wǎng)絡切片概念結構的設計原則、方法和路徑，認為網(wǎng)絡切片要自動化部署，且要做到各個功能的邏輯孤立，這樣才能為用戶提供定制化、彈性化和開放式的網(wǎng)絡服務，但這樣的網(wǎng)絡服務需要一定的技術支持。首先，為確保物力資源上網(wǎng)絡切片的邏輯孤立，要利用VMware Workstations player、Kernel-based Virtual Machine 等虛擬機技術支持來實現(xiàn)底層硬件資源的信息共享。其次，要想提高網(wǎng)絡切片的定制化、彈性化和開放化功能，就要充分利用SDN 技術和NFV技術來控制虛擬化網(wǎng)絡。SDN 技術通過控制虛擬化網(wǎng)絡可使網(wǎng)絡切片更加穩(wěn)定和便捷，提高網(wǎng)絡服務的自適應性和擴展性。NFV 可通過特定硬件的網(wǎng)絡功能部署來實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的虛擬化，進而實現(xiàn)整個接入和傳輸網(wǎng)絡功能的虛擬化。最后，為提高網(wǎng)絡切片自動化和靈活化，要通過人工智能技術來優(yōu)化網(wǎng)絡切片方式和網(wǎng)絡資源調度，從而滿足不同用戶的不同網(wǎng)絡應用需求。

要想真正實現(xiàn)接入網(wǎng)的虛擬化，就要接入網(wǎng)內基站的軟件化，通過接入基站軟件化來為網(wǎng)絡切片提供底層資源和開放式的API，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的動態(tài)化管理。要想實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡切片管理，需要接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供網(wǎng)絡切片所需的全部功能，利用NFV 技術，核心網(wǎng)可滿足網(wǎng)絡切片的大部分網(wǎng)絡需求，并實現(xiàn)虛擬平臺向虛擬核心網(wǎng)的部署。Taleb 等還研究出一種將EPC 作為網(wǎng)絡服務的一部分的解決方案，即通過將虛擬EPC 應用到云端，就可為廣大用戶提供可靠穩(wěn)定的核心網(wǎng)服務。Ksentini 等通過使用eDECOR 來實現(xiàn)核心網(wǎng)在網(wǎng)絡切片上的應用，也可通過網(wǎng)絡切片來修改核心網(wǎng)中的數(shù)據(jù)參數(shù)。Mahmood 等通過模塊化的網(wǎng)絡功能設計來為網(wǎng)絡切片提供控制平臺。Afolabi 等基于EPC 編輯器、SDN 控制器和NFV 編輯器，提出虛擬化的網(wǎng)絡切片概念結構，確保網(wǎng)絡切片能根據(jù)不同用戶的不同需求提供定制化的網(wǎng)絡功能。

根據(jù)不同用戶的不同需求來對網(wǎng)絡切片資源進行優(yōu)化組合和高精度流量預測，能確保網(wǎng)絡切片資源的優(yōu)化分配，降低由網(wǎng)絡切片資源分配不均而帶來的經(jīng)濟損失。為準確預測用戶通信需求，很多專家學者對整個問題進行深入研究。Zhang等主要對中國移動網(wǎng)絡的用戶通信需求進行深入全面的調研，用深度學習理論和技術來解決用戶通信需求的預測問題，并認為移動通信網(wǎng)絡中的深度學習技術能幫助網(wǎng)絡運營商準確預測用戶的通信需求。Wang 等利用機器學習理論來解決用戶網(wǎng)絡需求預測問題，并利用大數(shù)據(jù)分析法對loT（物聯(lián)網(wǎng)）的混合性、時空相關性和大規(guī)模連續(xù)性等特點進行分析。Sivanathan 等通過試驗采集到大量物聯(lián)網(wǎng)流量數(shù)據(jù)，并將其歸納為攝像頭等智能設備的流量特征，基于該特征研發(fā)出一種基于網(wǎng)絡流量的對物聯(lián)網(wǎng)設備進行分類的計算機學習算法。Khan 等根據(jù)智能電網(wǎng)在應用過程中的流量特點來開發(fā)監(jiān)控設備，并實現(xiàn)對電動汽車電池狀態(tài)等動態(tài)顯示和上報功能。Ali 等對物聯(lián)網(wǎng)用戶網(wǎng)絡需求預測方法進行改善，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)流量特點，將其分為周期型和事件驅動型這兩種流量預測類型。事件驅動型流量預測能很好地解決由同一個事件多個設備隨機接入而引發(fā)的沖突問題，且可控制一個事件接入設備的數(shù)量或接入時間，確保這些接入設備能有序進行。在電動汽車充換電應用場景中，利用流量預測法可對物聯(lián)網(wǎng)中的流量進行優(yōu)化配置，并能準確預測電動汽車的行駛狀態(tài)及所消耗的流量。

在電動汽車充換電的應用場景中，為確保電動汽車運行的穩(wěn)定性，要對其使用的網(wǎng)絡流量進行準確預測。目前，國內外對移動網(wǎng)絡流量預測的研究比較多。Hess 等對移動網(wǎng)絡中人類運動模型進行深入研究，并以此來研究電動汽車在移動過程中的狀態(tài)變化，為電動汽車移動模型的構建提供了重要信息和思路。Yayeh 等通過深度學習理論，來對移動自組網(wǎng)絡中電動汽車移動過程的網(wǎng)絡流量進行預測，通過隨機路點模型來模擬電動汽車的移動規(guī)律，并提供Matlab 仿真證實該系統(tǒng)能成功預測出電動汽車的運動軌跡與具體位置。Ansari 基于專用短程通信和全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)對電動汽車行駛過程中準確位置的預測，并根據(jù)位置預測結果對電動汽車所消耗的流量進行預測，根據(jù)預測結果對移動網(wǎng)絡進行優(yōu)化配置，從而提高網(wǎng)絡服務質量。Mao 等基于移動網(wǎng)絡流量預測電動汽車自組網(wǎng)路由協(xié)議及駕駛員的行車意圖，能準確預測車輛的具體位置和行駛狀態(tài)，并通過電動汽車自組網(wǎng)來實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)信息的傳輸和車輛行駛狀態(tài)的監(jiān)控。

Tang 等利用人工智能技術來準確預測電動汽車的行駛路線和軌跡，并完成對SDN集中路由的優(yōu)化，然后隨機評估了隨機城市交通流量模型，結果顯示這種檢測方法能有效降低網(wǎng)絡系統(tǒng)中流量傳輸?shù)臅r延，從而提高不同車輛速率的魯棒性。Huang 等研究出一種能通過命名車輛數(shù)據(jù)法來預測電動汽車上各類設備的網(wǎng)絡流量，在相似移動模式的車輛間建立相似的通信網(wǎng)絡，從而降低車輛移動對網(wǎng)絡流量速度的影響。Guo 等通過對邊緣節(jié)點移動緩存數(shù)據(jù)包的預測來提高車輛網(wǎng)絡服務質量，并且設計馬爾科夫深度學習模型，對車輛的行駛軌跡進行準確預測。由此可見，在電動汽車物聯(lián)網(wǎng)的應用場景中，通過車輛移動預測來選擇路由決策和緩存策略，但難以利用移動網(wǎng)絡流量預測為網(wǎng)絡切片的資源優(yōu)化配置提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的發(fā)展展望

國內外對網(wǎng)絡切片資源優(yōu)化配置的研究也比較多。近年來，比較流行的是基于規(guī)劃虛擬化網(wǎng)絡功能來優(yōu)化資源配置的自動規(guī)劃算法，這種算法能優(yōu)化網(wǎng)絡性能和網(wǎng)絡切片的操作時間。近年來，有學者基于評估數(shù)據(jù)中心構建虛擬化移動管理實體性能模型，利用該模型就可實現(xiàn)網(wǎng)絡用戶和虛擬化移動管理實體間的聯(lián)系，并滿足用戶對移動網(wǎng)絡的特殊需求。有學者采用vEPC-ORA 法來優(yōu)化虛擬化核心網(wǎng)服務器的控制界面和數(shù)據(jù)顯示界面，從而實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，并滿足物聯(lián)網(wǎng)用戶的智能設備通信需求。有學者利用虛擬核心網(wǎng)實體多維度資源優(yōu)化配置的啟發(fā)式算法來預測核心網(wǎng)的響應速度與響應時間。目前，網(wǎng)絡切片資源優(yōu)化配置問題法大多采用啟發(fā)式算法進行建模解決，但較少將移動預測和網(wǎng)絡流量預測法應用于資源優(yōu)化配置領域。

國內外對智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡切片技術不斷進行研發(fā)。Hassedbo 等研究5G 技術在智能電網(wǎng)中的應用，提出5G 技術與融合光纖結合的電網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構。Jeong 等對智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集及不同網(wǎng)絡用戶的不同網(wǎng)絡需求進行分析研究，研究成果顯示網(wǎng)絡切片能夠滿足不同網(wǎng)絡用戶的不同用網(wǎng)需求。Mendis 等深入研究能源分布式電網(wǎng)網(wǎng)絡切片的具體應用，并設計一個可擴展的網(wǎng)絡通信架構來滿足不同網(wǎng)絡用戶的不同網(wǎng)絡需求。Claudia 等為證實V2X 服務能服務網(wǎng)絡切片的觀點，設計出核心網(wǎng)和接入網(wǎng)的解決方案，結果證明該方案具有一定可行性。Tao等利用電動汽車移動的特點設計出一個基于foud 的云計算與霧計算混合的模型，該模型能準確預測車輛的行駛軌跡和網(wǎng)絡流量。Zhang等針對自動駕駛電動汽車充換電時可能發(fā)生個人數(shù)據(jù)信息泄露的問題，設計了ePPCP安全架構，可為電動汽車提供可靠的網(wǎng)絡切片服務。目前，國內外關于智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡切片中的應用研究大多集中在網(wǎng)絡架構、業(yè)務需求和安全性等方面，對智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)融合場景中的網(wǎng)絡切片和資源優(yōu)化配置問題缺乏關注與研究，預測今后學術界關于網(wǎng)絡切片的研究會向智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的融合應用場景中的網(wǎng)絡架構和行車安全方向發(fā)展。

3 結語

基于網(wǎng)絡切片技術的電動汽車充換電網(wǎng)絡具有彈性化和定制化優(yōu)點，能實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡服務，能滿足不同網(wǎng)絡用戶的不同網(wǎng)絡需求。通過構建充電設備和電動汽車間的虛擬化網(wǎng)絡切片，可以實現(xiàn)對車輛行駛軌跡和網(wǎng)絡流量的監(jiān)控，也能實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的優(yōu)化配置。目前，國內外學者對網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的應用研究大多停留在啟發(fā)式算法建模及智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡架構、業(yè)務需求和行車安全等方面。今后，網(wǎng)絡切片技術在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的應用會向移動預測、網(wǎng)絡流量預測及智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)融合場景中的網(wǎng)絡架構、業(yè)務需求和行車安全的方向發(fā)展。通過對網(wǎng)絡切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡中的應用與發(fā)展研究，讓更多人了解網(wǎng)絡切片的優(yōu)勢和發(fā)展前景，促進網(wǎng)絡切片技術在電動汽車充換電網(wǎng)絡領域的發(fā)展。