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摘要：電力行業的多樣性業務需求給通信網絡帶來了新的挑戰，原有的網絡架構對滿足各種場景的設計模式實現有困難，因此需要一種新的網絡架構來滿足電力業務的需求。基于上述問題，提出了電力的端到端切片解決方案，從接入網、傳輸網和核心網3個方面制定隔離方案，使不同的專用網絡得到安全保障，5g網絡可充分利用其高帶寬、低時延和大規模連接的特點，實現電力行業多種多樣的業務需求，滿足專網的安全性、隔離性需求，對電力行業的智能化發展有一定的指導性。

關鍵詞：5G；網絡切片；電力行業；端到端切片

在過去的十年里，人們的生活發生了翻天覆地的變化，展望未來的十年，物聯網、工業4.0、超寬帶、網絡能力開放等技術將把人們帶入全連接世界。那時，寬帶將隨處可見，人和人之間、物和物之間、人和物之間多種多樣的通信需求將得到滿足。不同行業對網絡的需求是多元化的，無人駕駛和工業自動化控制行業需要極低時延和超高可靠性，電力行業需要大量超份額連接和頻繁傳送小型數據包的業務支持。在工業領域，端到端等待時間要求在5~1000ms以內，其中運動控制需要實時傳輸，娛樂信息服務需要高質量的固定和移動寬帶連接。垂直行業用戶也希望能獨占頻譜來保證網絡服務質量的高穩定性和可預測性。垂直行業要求5G網絡擁有更靈活的連接支持，來滿足不同的業務場景和環境差異。5G網絡切片可創建定制化的專業網絡通道，并根據不同的業務需求和業務場景提供差異化的專用跑道，使運營商更便捷、更有效地滿足垂直行業用戶的多樣化需求。

1網絡切片的概念

網絡切片的簡單解釋就是根據使用場景將一個物理網絡劃分為多個邏輯網絡，不同的場景使用不同的邏輯網絡[1]。網絡切片可以完善網絡資源配置，使成本效益達到最大，滿足多樣化的需求[2]。5G網絡切片示意圖如圖1所示。5G網絡切片是能提供特定網絡功能的端到端邏輯專用網絡[3]。網絡切片實例是網絡功能和所需物理/虛擬資源的集合，由接入網、承載網和核心網子切片組成，通過網絡切片管理功能實現端到端切片的管理[4]。網絡切片的優點如下：1）資源得到共享、成本實現降低、效率大大提高。在物理設備方面，多個網絡切片可同時在同一個x86架構基礎設備上運行，網絡建設成本大幅減少，物理基礎設備利用率增高。2）邏輯隔離，安全可靠。由于每個切片都是邏輯隔離的，因此每個切片都有自己單獨的生命周期，每個網絡切片可實現獨立的創建和刪除操作。3）按需定制，彈性伸縮。網絡切片的云計算本地架構可為不同的業務提供服務，因此可根據不同的業務場景定制基礎設施和服務資源。云監控方法可以實現對網絡切片資源利用率的實時監控，提高了可擴展性和可靠性，同時彈性適應通信網絡的潮汐效應。4）端到端，可滿足不同的業務需求。網絡切片的性能由業務需求決定，采用端到端網絡切片部署模式，通過對接入網、傳輸網和核心網的細分，充分滿足5G業務的多樣化需求[5]。

2網絡切片端到端框架

5G端到端網絡切片框架包括網絡切片管理域和網絡切片業務域兩部分[6]。5G端到端網絡切片框架如圖2所示。5G端到端網絡切片管理域由如下網絡功能組成：1）通信服務管理功能（CSMF）；2）網絡切片管理功能（NSMF）；3）網絡切片子網管理功能（NSSMF），具體包括接入網切片子網管理功能（AN-NSSMF）、承載網切片子網管理功能（TN-NSSMF）和核心網切片子網管理功能（CN-NSSMF）[7]。5G端到端網絡切片業務域主要包含如下子域：1）終端用戶（UE）；2）無線接入網（(R)AN）；3）承載網（TN）；4）核心網（CN）；5）數據網絡（DN），如運營商服務、因特網接入或第三方服務。

3應用

3.15G網絡切片使電網智能化

電力行業多樣性的業務需求對通信網絡提出了新的挑戰。第一，電力部門視頻檢測、高級計量檢測和分布式配電自動化等多樣性業務需求要求網絡擁有足夠的靈活性。第二，電力業務需要確保網絡隔離的安全性。最后，電力部門差動化保護服務要求超低時延，因此對網絡能力有了更高的要求。原有的網絡架構對滿足各種場景的設計模式實現有困難，因此需要一種新的網絡架構來滿足電力業務的需求。5G網絡可充分利用其高帶寬、低時延和大規模連接的特點，實現電力行業多種多樣的業務需求。網絡切片的應用，可以為電力部門量身定制專網服務，更好地滿足業務的安全性、可靠性和便捷性需求，實現差異化的服務保障，提高電力部門對自身業務的自主控制能力。5G網絡切片使電網智能化，電力行業接下來的發展方向包括清潔友好的發電、安全有效的輸變電、便捷可靠的配電、多元互動的用電、智能能源和能源互聯網[8-9]。眾所周知，5G網絡有三大特性：高帶寬、低時延和超高連接，這些特性能夠為各種典型的智能電網業務提供更好的服務。其中，高帶寬特性可滿足智能電網中的大型視頻應用程序，例如變電站智能巡檢、移動站點運營操作控制、緊急站點綜合自治網絡應用程序、傳輸線無人機巡檢等的業務需求。低時延特性可滿足智能分布式配電自動化和需求邊響應服務的能耗承載的業務需求[10]。超高連接特性可滿足高級計量檢測和分布式能源業務的需求。5G網絡切片可細致劃分為多個子切片，電力部門可根據業務需求和電力網絡的運作狀況，為各部門配置差異化的網絡子切片，并構建安全隔離的網絡實例[11]。根據電力行業的使用和安全隔離要求，對電力業務進行了劃分和分類，重點業務要求通信隔離和無干擾。4G網絡中的所有業務都運行在同一個網絡上，很難滿足端到端隔離的業務要求。5G網絡開創的網絡切片技術，可以實現與“專用網”同等級別的安全和隔離[12]。運營商可按照電力部門的詳細業務需求提供相應的網絡切片，在每個不同的虛擬機中對應不同切片的核心網網元功能，以達到邏輯隔離的目的，保證不同切片之間的服務不會相互干擾。運營商網絡可以通過開放平臺系統實現終端和網絡信息的開放與資源共享，從而使電力行業網絡切片二次運行成為可能。電力部門通過運營商的容量開放平臺獲得終端的網絡切片狀態信息，并對網絡切片狀態進行監控和管理，包括對業務切片具體屬性、切片資源對應視圖和切片負載運行狀態的監控。與此同時，網絡切片還將進行監控和管理，包括按照電力部門的業務需要調整切片的功能、業務屬性和資源分配的功能，調整不同電力部門之間的隔離程度（如物理隔離、邏輯隔離），并賦予電力部門管理切片本身的權利。

3.25G網絡切片在電力行業的發展現狀

2019年，國家電網有限公司召開座談會，明確提出建設“三型兩網、世界一流”戰略目標，就是打造樞紐型、平臺型、共享型企業，建設運營好強智能電網、泛在電力物聯網，建設世界一流能源互聯網企業[13-14]。強智能電網和泛在電力物聯網的發展與建設，對通信網絡的標準和多樣性要求很高。國家電網有限公司的通信業務需求分為基本業務需求和擴展業務需求。其中，基本業務需求又分為準確的負荷控制、電能信息采集、配電自動化、電源分布式、電動汽車充電樁等，擴展業務需求分為電能質量檢測、配電監控、智能營業廳、智能家居、應急通信、開啟和關閉環境監控、視頻監控、倉庫管理、移動運營業務等。國家電網有限公司對業務隔離的要求很高，將電網業務劃分為生產控制區和信息管理區，這兩個區的操作都需要從無線網到核心網進行全程隔離。網絡切片技術的首要特點是將一個5G物理網絡根據服務、場景和需求分割成多個虛擬端到端網絡，以實現不同的業務需求和隔離的安全性。在垂直行業中，電力行業第一個開始進行切片試驗。2019年6月，南方電網、中國移動和華為在深圳聯合驗證了首個SA端到端切片，驗證了電力各區的業務以及電力與公眾業務的安全隔離。接入網、承載網和核心網在公眾業務流量超額的情況下，電力業務依然能夠安全可靠運行，奠定了5G+智能電網創新應用的基礎，促進了智能電網的商業用途[15]。SA端到端切片示意圖如圖3所示。

3.35G網絡切片在電力行業的解決方案

在研究了電力行業的業務需求和對網絡切片的定義的基礎上，提出了電力的端到端切片解決方案。為了實現電力業務的安全隔離要求，5G網絡將充分利用網絡切片技術便捷靈活、高強度的安全隔離優勢，針對不同的分區業務提出不同的安全策略，給予不同的專用網絡安全保障服務[16]。電力行業的網絡切片隔離方案主要包括電力行業和其他行業的通信業務與個體用戶之間的隔離和電力行業自身不同分區之間的隔離兩個維度[17]。以下從接入網、承載網和核心網3個方面來制定不同的隔離方案。1）接入網無線接入網應支持網絡切片的選擇[18]。5G無線接入網在進行網絡切片選擇時，基于無線資源控制張俁俁5G網絡切片在電力行業的應用（RadioResourceControl，RRC）信息中的TempID和網絡切片選擇輔助信息（NetworkSliceSelectionAssistanceInformation，NSSAI）來選取接入和移動性管理功能（AccessandMobilityManagementFunction，AMF）。當無線接入網與AMF創建連接時，獲得AMF支持的切片，根據預先定義的切片配置集合進行無線網絡資源的調度，選擇要發送到相應核心網切片的業務，使網絡切片路由和資源隔離得到保障。針對電力業務中可能存在的緊急保障類需求，通過優先級驗收和負荷控制技術來保障高優先級的電力業務，以避免其余切片中的業務使電力業務的性能發生改變。如果需要，運營商可以為電力業務配置特定的搶占策略，以搶占其他優先級較低的切片資源。2）承載網承載網根據不同的安全性和可靠性要求，采用硬隔離和軟隔離的隔離策略，來滿足不同電力業務的隔離要求。硬隔離指物理管道隔離，適用于具有時延和可靠性要求的uRLLC網絡切片，如智能分布式自動配電、電力負荷的需求側響應服務等。通過各分段的端到端硬管道隔離，不同的調度策略確保了各分段的SLA。軟隔離指邏輯管道隔離，適用于具有時延和抖動需求的mMTC和eMBB場景，如大視頻應用、高級計量等，通過傳輸硬件設施分割的多個邏輯虛擬傳輸子網、VLAN和QoS調度軟隔離，被用來支持各種業務，實現不同業務之間的隔離。3）核心網5G核心網服務架構基于全新的SBA架構，網絡功能被解耦為服務化組件，可以根據電力業務的需求，在相同的硬件資源池里虛擬出電力業務專屬的邏輯核心網元，為每個獨立切片提供完備的核心網控制面和用戶面功能，構成不同的專有網絡為用戶服務。每個切片的核心網網元可分為共享網元和獨立網元，其中多個切片可以共享核心網網元，如UDM、AUSF、PCF、NSSF和NRF等，每個切片又可獨立部署AMF、SMF和UPF等核心網網元。

4結論

5G網絡擁有三大特性：高帶寬、低時延和超高連接，這些特性能夠為各種典型的智能電網業務提供更好的服務。文中提出了電力的端到端切片解決方案，從接入網、承載網和核心網3個方面制定隔離方案，保證專網隔離的安全性。相信隨著電網切片工作的進一步推動，網絡切片標準的進一步完善以及業內各大同行的持續努力，未來5G網絡在電力行業的發展一定會更加充分，更加突出。

作者：張俁俁 單位：武漢郵電科學研究院