基于網(wǎng)絡(luò)切片的配用電通信網(wǎng)研究

張馴，朱小琴，王維洲，韓旭杉，袁暉，李志茹

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院, 甘肅蘭州，730070；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州，730046）

0 引言

智能電電力業(yè)務(wù)種類越來(lái)越多，分布式能源和儲(chǔ)能設(shè)施并網(wǎng)、不同用戶用電信息的采集與雙向互動(dòng)、電力調(diào)度控制信息的傳輸?shù)龋紝?duì)配用電通信系統(tǒng)的自動(dòng)化水平提出很高的要求[1]。配用電通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)其智能化的關(guān)鍵，通信的網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力、靈活的資源調(diào)度能力對(duì)保證配用電信息傳輸?shù)陌踩院蛯?shí)時(shí)性至關(guān)重要[2]。當(dāng)前的配用電通信網(wǎng)絡(luò)采用硬件和軟件緊耦合的技術(shù)，設(shè)備之間互通性差，資源利用率低，對(duì)種類日益繁多的業(yè)務(wù)QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）保障難度大，且各種硬件設(shè)備升級(jí)換代費(fèi)用價(jià)格高昂。

網(wǎng)絡(luò)切片（Networking Slice，NS）是5G 網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)[3][4]，能夠滿足ITU為5G 定義的eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量大連接）、URLLC（低時(shí)延高可靠）三大應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）與 SDN（Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)在同一硬件資源平臺(tái)上虛擬出多個(gè)邏輯獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。在硬件資源的虛擬化和SDN 控制器對(duì)全網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度的條件下，針對(duì)不同業(yè)務(wù)按需分配網(wǎng)絡(luò)功能和資源，能夠靈活滿足業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延等要求，實(shí)現(xiàn)為差異化的業(yè)務(wù)提供定制化服務(wù)的功能，使能垂直行業(yè)[5]。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的配用電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和體系架構(gòu)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出使用5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)構(gòu)建智能配用電通信網(wǎng)的必要性；并基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)構(gòu)建配用電通信網(wǎng)絡(luò)，滿足配用電領(lǐng)域?qū)νㄐ拍芰Σ粩嘣鲩L(zhǎng)的需求；最后探討切片的定制管理和控制器集群組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 配用電通信網(wǎng)現(xiàn)狀

在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展下，配用電終端種類和數(shù)量急劇增加，據(jù)信息海量化，業(yè)務(wù)種類多樣化，不同業(yè)務(wù)傳輸、處理需求各不相同，具有不同的帶寬、時(shí)延、安全性、可靠性等指標(biāo)要求。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)架構(gòu)

目前配用電通信網(wǎng)主要采用光纖技術(shù)和無(wú)線技術(shù)結(jié)合的方式[6]，采用三層結(jié)構(gòu)：接入層、匯聚層和骨干層。由于通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)種類多，通信環(huán)境各異，通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)、電力載波通信、xPON、無(wú)線公網(wǎng)等多種通信技術(shù)，雖然能夠滿足當(dāng)前的配用電通信體系業(yè)務(wù)需求，但極大地增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和管理維護(hù)難度。需針對(duì)不同業(yè)務(wù)的通信需求建設(shè)不同的通信專網(wǎng)，而且軟硬件緊耦合的通信設(shè)備價(jià)格高昂。

2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是一種虛擬化網(wǎng)絡(luò)[7]，在共享物理網(wǎng)絡(luò)上提供某些網(wǎng)絡(luò)分片，由于其在5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的廣闊前景和核心地位，受到各個(gè)運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備廠商和互聯(lián)網(wǎng)公司的擁護(hù)。SDN 和NFV 是其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[8]， 這兩個(gè)密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)推向虛擬化和基于軟件的自動(dòng)化。SDN和NFV 允許通過(guò)網(wǎng)絡(luò)劃分實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活性，允許在物理網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，共享物理基礎(chǔ)設(shè)施，為業(yè)務(wù)按需提供特定服務(wù)。其技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

NFV 運(yùn)用虛擬化技術(shù)，將物理資源抽象為虛擬資源池，供上層應(yīng)用使用，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的解耦和網(wǎng)元的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。SDN 主要思想是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，SDN 控制器掌握全局的網(wǎng)絡(luò)視圖和資源情況，通過(guò)南向接口管控轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的行為動(dòng)作，通過(guò)北向接口為業(yè)務(wù)提供不同的應(yīng)用，通過(guò)東西向接口實(shí)現(xiàn)控制器和管理平臺(tái)的互操作[9]。利用這兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，當(dāng)業(yè)務(wù)請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，首先識(shí)別業(yè)務(wù)需要的帶寬、時(shí)延等業(yè)務(wù)需求，然后為業(yè)務(wù)分配不同的切片模板，控制器根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)度相應(yīng)的虛擬化資源，實(shí)例化網(wǎng)絡(luò)切片，形成對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化邏輯網(wǎng)絡(luò)鏈路，達(dá)到資源的最優(yōu)化利用、業(yè)務(wù)QoS 的完全保障和不同業(yè)務(wù)間的隔離性要求。

作為5G網(wǎng)絡(luò)的理想架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)切片具有以下的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

（1）強(qiáng)大的資源共享能力：相較于傳統(tǒng)軟硬件緊耦合的存儲(chǔ)、計(jì)算、路由等設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)切片在通用硬件資源平臺(tái)構(gòu)建網(wǎng)元功能供控制器調(diào)度使用，各個(gè)網(wǎng)元設(shè)備互通性極強(qiáng)，功能升級(jí)只需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件配置，無(wú)需專門為某種業(yè)務(wù)搭建物理網(wǎng)絡(luò)。

（2）靈活的資源調(diào)度能力：控制器能夠分析全局的資源使用情況，為業(yè)務(wù)確定最優(yōu)化的通信鏈路，靈活調(diào)度網(wǎng)絡(luò)虛擬資源。

（3）可靠的業(yè)務(wù)隔離能力：網(wǎng)絡(luò)切片提高了業(yè)務(wù)間的隔離程度，為不同業(yè)務(wù)的安全提供保障。不同業(yè)務(wù)切片能夠保障業(yè)務(wù)的QoS，不會(huì)相互影響。

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)切片的配用電通信網(wǎng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)切片的這些特點(diǎn)能夠很好地滿足配用電通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)的測(cè)量、管理業(yè)務(wù)，保障配用電業(yè)務(wù)信息傳輸?shù)目煽啃浴?shí)時(shí)性和多樣性，降低配用電通信的建設(shè)、升級(jí)費(fèi)用，極大地減輕人力資源的使用。

3 基于網(wǎng)絡(luò)切片的配用電通信網(wǎng)

本文基于網(wǎng)絡(luò)切片的集中控制和靈活編排特性構(gòu)建配用電通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，見(jiàn)圖2。

配用電接入終端包括配電子站監(jiān)控終端、用電采集終端、分布式電源終端等。由于接入終端數(shù)據(jù)傳輸有不同QoS 要求，需構(gòu)建從接入網(wǎng)到核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片。

NFV-MANO（Network Functions Virtualization Management and Orchestration，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的管理與編排）負(fù)責(zé)對(duì)虛擬網(wǎng)元和虛擬資源的管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片請(qǐng)求通過(guò)控制器調(diào)用資源實(shí)例化，同時(shí)也負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)切片編排、監(jiān)管和生命周期的管理。主要由編排器、VIM（Virtualized Infrastructure Managers，虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理）和VNFM（Virtualized Network Functions Management，虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理）組成。

管理應(yīng)用層通過(guò)SDN 控制器提供的北向接口定制各種應(yīng)用功能，負(fù)責(zé)全局的管控，調(diào)用相應(yīng)的功能軟件，與MANO 配合管理網(wǎng)絡(luò)切片。包括配電自動(dòng)化平臺(tái)、用電信息采集平臺(tái)、分布式電源管理平臺(tái)、營(yíng)銷管理平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)管理控制的可視化操作。

控制器集群為多個(gè)SDN 控制器協(xié)調(diào)配合控制鏈路資源的分配與網(wǎng)絡(luò)全局視圖的掌控。控制器通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編排管理網(wǎng)絡(luò)，由于單個(gè)控制器處理能力有限，也為了避免單個(gè)控制器出現(xiàn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，每個(gè)管理域需要多個(gè)控制器協(xié)調(diào)控制，它們之間通過(guò)東西向接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。根據(jù)業(yè)務(wù)要求，控制器能夠?yàn)閿?shù)據(jù)選擇最優(yōu)的傳輸路徑，同時(shí)能夠控制虛擬層網(wǎng)元為數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的處理。

虛擬化資源層通過(guò)虛擬機(jī)在通用的硬件平臺(tái)虛擬化出虛擬資源池，通過(guò)SDN 控制器和NFVMANO 的控制、編排供應(yīng)用層調(diào)用，可按需編排網(wǎng)絡(luò)切片所需的各種網(wǎng)元功能，對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、加密等處理。

硬件資源層為專用的數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等，包括接入網(wǎng)網(wǎng)元和核心網(wǎng)網(wǎng)元，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能的基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)經(jīng)虛擬網(wǎng)元進(jìn)行處理后，利用如現(xiàn)有的OpenFlow 交換機(jī)，根據(jù)控制器下發(fā)的流表進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，設(shè)備的功能升級(jí)只需要升級(jí)相應(yīng)的軟件即可。

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）配用電網(wǎng)絡(luò)切片的定制與管理：為了提高業(yè)務(wù)需求響應(yīng)速度和降低網(wǎng)絡(luò)切片編排復(fù)雜度，需預(yù)先編排網(wǎng)絡(luò)切片模板。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中流量類別，設(shè)計(jì)能滿足大多數(shù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的切片模板，當(dāng)具體業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)后，對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行識(shí)別分類，匹配預(yù)先設(shè)計(jì)的最佳模板，再調(diào)用相應(yīng)的資源作為切片實(shí)例化的補(bǔ)充，很好地滿足配用電通信業(yè)務(wù)的QoS。

網(wǎng)絡(luò)切片的管理為全生命周期，從模板定制到實(shí)例化，再到切片的釋放，每一個(gè)階段需要管理編排系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)實(shí)例化切片，能夠?qū)η衅Y源靈活調(diào)度，確保網(wǎng)絡(luò)資源的合理、高效利用，以及通信網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）控制器集群的組網(wǎng)方式：控制器集群的組網(wǎng)方式是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的關(guān)鍵，集群中的一個(gè)或多個(gè)控制器出現(xiàn)故障后，能夠及時(shí)排除故障并恢復(fù)控制是實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)可靠配用電通信網(wǎng)的保障，合理的組網(wǎng)方式是實(shí)現(xiàn)控制器協(xié)調(diào)工作的重點(diǎn)，也是未來(lái)面臨的考驗(yàn)。

（3）與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的融合：實(shí)際實(shí)施基于網(wǎng)絡(luò)切片的配用電通信網(wǎng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，存在兩者并存工作的階段。X 新型網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，共同完成業(yè)務(wù)的處理是研究的關(guān)鍵點(diǎn)，需要采取較為全面的策略進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文分析了配用電通信網(wǎng)現(xiàn)狀和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)及其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)切片的配用電通信網(wǎng)架構(gòu)，并詳細(xì)分析了架構(gòu)內(nèi)容，以及未來(lái)面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用于配用電通信網(wǎng)是一個(gè)非常豐富的研究領(lǐng)域。如何創(chuàng)造精細(xì)化的網(wǎng)絡(luò)切片，管理編排切片資源，以及如何與其他網(wǎng)絡(luò)互連，是值得深入研究的問(wèn)題，我們需要更多的研究工作來(lái)解決這些難題。