基于5G切片技術的智能電網應用研究

王太峰 顏 軍

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

2015年7月，國家發改委、國家能源局聯合發布了《關于促進智能電網發展的指導意見》，明確指出智能電網是能源互聯網的重要基礎，發展智能電網是保障能源安全、推動經濟可持續發展的重要基礎。

近年來，國家電網公司積極建設智能電網，通過實施“互聯網+”戰略，全面提升電網信息化、智能化水平。以電網為代表的垂直行業將在5G時代完成數字化轉型，網絡切片正是在這種背景下產生的。網絡切片是按需定制的端到端邏輯網絡，基于同客戶簽訂的SLA（服務等級協議），為不同垂直行業、不同業務提供相互隔離、功能可定制的網絡服務。

如果說電力是工業化的血液，那么網絡連接就是工業化的神經，電網與5G網絡的深度結合將為智能化工業革命提供堅實的基礎。

1 智能電網與網絡切片介紹

1.1 智能電網業務類型

電網業務類型通常可分為控制類業務、采集類業務和移動應用類業務三類。

（1）控制類業務：主要有配電自動化、精準負荷控制、配電網差動保護等，涉及電網安全穩定運行，具有典型的高可靠、低時延特征。

（2）采集類業務：主要有用電信息采集、電動汽車充電樁等，涉及海量終端，分布廣泛，具有典型的廣覆蓋、大連接特征。

（3）移動應用類業務：主要有機器人巡檢、無人機巡檢、電力應急通信、移動作業等，具有典型的大帶寬、移動性特征。

1.2 網絡切片概念

5G作為新基建的關鍵基礎設施，不僅服務于個人用戶，還需要滿足眾多垂直行業的需求。不同行業的業務對于網絡的帶寬、時延、連接能力、移動性、安全性、可靠性，甚至是計費方式的需求是不同的。如果每種業務需求都獨立新建一張網絡來滿足，建網成本巨大，嚴重制約業務的發展；而使用同一張網絡承載所有業務，不同需求很難同時滿足，業務隔離也存在隱患。

為了解決差異化SLA與建網成本之間的矛盾，網絡切片成了理想選擇。網絡切片利用SDN/NFV技術將單個物理網絡劃分為多個虛擬網絡，每個切片代表一個獨立的、虛擬化的從無線接入網到承載網、核心網的端到端網絡，各切片之間相互絕緣，以滿足多種業務場景對網絡的不同需求。

1.3 智能電網切片需求

電力行業對于切片的需求可以劃分為三個不同的層次。

（1）對QoS/SLA的保障需求

這是垂直行業對切片最基本的需求，電力行業對網絡切片的基本需求是在網絡負荷處于高峰期也能保證電力業務百分之百按照預先設置的QoS/SLA運作。

（2）業務隔離需求

電網對業務隔離要求非常高，對不同業務劃分了I/II區（生產控制類）和III/IV區（管理信息類），橫向要求雙向物理隔離。

（3）獨立運維管理需求

獨立運維管理是垂直行業典型的差異化需求。電網從運營商購買切片資源，希望對切片資源做到可視化的透明管理，實現端到端業務質量KPI實時監控和運維管理。

1.4 電力業務網絡切片分類

5G網絡切片分為eMBB切片、uRLLC切片、mMTC切片三大類，三類切片適合承載的電力業務如下：

（1）eMBB切片：承載大視頻業務，如視頻監控、機器人巡檢、無人機巡檢等，實現差異化大帶寬保障。

（2）uRLLC切片：承載高可靠、低時延業務，如精準負荷控制、電力差動保護、智能分布式配電自動化等控制類業務。

（3）mMTC切片：承載海量連接業務，如用電信息采集、分布式電源等。

2 智能電網5G切片方案

2.1 總體架構

智能電網網絡切片總體架構如圖1所示。

圖1 智能電網網絡切片總體架構圖

其中，CSMF（通信服務管理功能）是切片的入口，完成電力業務的需求訂購，并傳遞到NSMF（網絡切片管理功能）進行切片設計。

NSMF負責端到端的切片管理與設計，根據從CSMF接收的電力業務需求選擇合適切片，并將切片的SLA需求分解為切片子網的SLA需求，向NSSMF（網絡子切片管理功能）下發網絡切片子網部署請求。

NSSMF負責子切片管理，包括無線接入網子切片管理功能（AN-NSSMF）、承載網子切片管理功能（TN-NSSMF）和核心網子切片管理功能（CN-NSSMF）。

5G網絡切片通過CSMF、NSMF和NSSMF的協同，完成端到端切片網絡的部署。

2.2 電力切片隔離方案

2.2.1 接入網隔離方案

接入網切片主要是“切”空口的協議棧、時頻資源和頻率。

（1）協議棧切分

5G基站基帶解耦為CU和DU，CU集中承載非實時業務，包含L3的RRC層和L2的PDCP層。DU負責對實時業務的處理，包含RLC層、MAC層和PHY-H。CU/DU架構為網絡切片提供良好的靈活性，可以根據實際需求進行靈活地定制部署。

mMTC場景：對時延和帶寬都無要求，CU可以集中云化部署，獲取集中化處理的優勢。

eMBB場景：對帶寬要求高，對時延要求差異比較大，CU部署的位置根據時延要求來靈活確定。

uRLLC場景：對時延要求很苛刻，一般采用CU/DU共部署且下沉到邊緣的方式，降低傳輸時延，同時在協議棧上支持靈活定制裁減。

（2）時頻資源切分

①靜態時頻資源預留（硬切片）

硬切片指的是時頻資源以固定的方式分配給每個特定的切片，用戶可利用這些靜態的時頻資源接入切片網絡，時頻資源硬切片方式如圖2所示。硬切片的資源利用率不高，但切片隔離性能大大強于軟切片。

圖2 時頻資源硬切片方式

②動態時頻資源共享（軟切片）

軟切片將時頻資源分為獨立預留資源和動態共享資源，時頻資源軟切片方式如圖3所示。uRLLC業務可預先分配一些獨立預留資源，mMTC業務分配動態共享資源。切片調度服務根據切片實時到達情況按需分配時頻資源。軟切對空口資源分配較為靈活，頻譜資源利用率高，但時域上TTI不統一，算法較為復雜。

圖3 時頻資源軟切片方式

（3）頻率資源切分

無線空口在頻率資源富裕的情況下，可以采用頻率資源切片的方式。例如電信和聯通共享3.5G頻段的200MHz帶寬，每家各占用100MHz頻寬分別承載各自業務，從頻率上進行完全分隔。這種方式隔離效果最好，但利用率最低。

2.2.2 承載網隔離方案

根據對安全和可靠性的不同訴求，承載網隔離方案分為硬隔離和軟隔離。

（1）硬隔離：L1或光層的物理剛性管道隔離，獨享網絡帶寬資源。例如基于L1的FlexE技術、基于光層的FlexO技術等。通常應用于配電自動化、精準負荷控制等有時延和可靠性要求的uRLLC切片。

（2）軟隔離：L2或以上的邏輯管道隔離，共享網絡帶寬資源。例如基于MPLS-TP、IP/MPLS等隧道/偽線技術，基于分段路由SR、VxLAN等隧道技術，、基于VPN、VLAN等虛擬化技術，基于QoS調度等。一般應用于用電信息采集、大視頻應用等mMTC和eMBB切片場景。

實際應用中，可以采用混合硬切片+軟切片的方案，硬切片保證業務的隔離安全，軟切片支持業務的帶寬復用。

2.2.3 核心網隔離方案

基于SBA架構的5G核心網將網絡功能解耦為服務化組件，每個組件都有專用的功能，天然具有一定的隔離能力。核心網隔離方案也分為硬隔離和軟隔離。

（1）硬隔離：核心網物理網元電力專用。

（2）軟隔離：電力與運營商其他業務共享硬件服務器、區分虛擬機，每個獨立切片包含完整的核心網控制面和用戶面功能。

5G核心網基于NFV和容器技術，通過物理資源的隔離、虛擬機層面的資源隔離、虛容器隔離等不同手段實現切片間資源的靈活獨享或動態共享。

2.3 智能電網切片方案

智能電網的切片方案有兩種：基于運營商公網切片方案和自建5G專網方案。

2.3.1 公網切片方案

公網切片方案需要關注兩個方面的隔離：電力與其他行業之間的隔離，電力自身不同業務之間的隔離。

公網切片方案又可以分為軟切片方案和硬切片方案。

（1）軟切片方案

普通業務一般采用軟切片方案，公網軟切片方案如圖4所示。通常的建設模式為：運營商統一建設端到端5G網絡，電力企業租用運營商公網的一張或多張切片，按照差異化SLA進行定價收費，端到端網絡資源共享。

圖4 公網軟切片方案

電力I/II區切片承載生產控制類業務，電力III/IV區切片承載采集類等業務。電力終端通過5G CPE接入5G無線網，經承載網再到核心網，配置端到端切片。5G核心網出口交換機配置路由互通，連接配電自動化中心站、電力監控云等。

接入網切片：動態分配時頻資源或者基于5QI進行調度優先級設置，這種方式不適用于電力的uRLLC切片。

傳輸網切片：配置不同的隧道/偽線通道，根據不同切片標識映射到不同VLAN。

核心網切片：不同的切片分配獨占的AMF/UPF/SMF，共享硬件設備。

（2）硬切片方案

電力部分VIP業務和特需業務適合采用硬切片方案，硬切片方案如圖5所示。

圖5 公網硬切片方案

接入網切片：可采用時域/頻域/區域的隔離方式，分配靜態時頻資源或獨立的頻點，共享AAU/DU/CU等硬件資源。

傳輸網切片：配置L1或L0的硬切片（FlexE、FlexO等）。

核心網切片：分配獨占的UPF等網元設備以達到完全隔離。對于不同的切片來說，uRLLC切片所有網元都不共享；eMBB切片共享部分控制面網元，媒體面和其他控制面網元不共享；mMTC切片可以完全共享控制面網元，所有的媒體面網元不共享。

（3）公網切片方案建議

若電網企業選擇租用運營商5G公網來做電力切片，為保證切片的端到端部署滿足電力業務要求，給出如下建議：

①uRLLC切片應采用端到端硬切片方案

無線網采用獨立的時頻資源、獨立的基帶板，CU/DU設備在基站側部署；具備條件的情況下，基站宜采用專門覆蓋電力業務區域的微站或獨立扇區，盡可能減少公眾用戶接入。

承載網采用電力專用的傳輸設備或共用傳輸設備采用L1/L0的硬隔離，且雙路由接入均滿足硬隔離。

核心網采用專用的邊緣設備（UPF/MEC等），控制面網元盡可能多得采用專用設備部署。

②mMTC切片采用軟切片方案

無線側采用動態分配時頻資源。承載網采用VPN、VLAN、隧道等軟切片方案。核心網共用運營商硬件設備采用軟切片，UPF等網元集中部署。

③eMBB切片宜優先采用硬切片方案或硬切片+軟切片混合的方案

無線側可采用動態分配時頻資源或預留靜態時頻資源。承載網采用VPN、VLAN、隧道等軟切片方案或FlexE/FlexO等硬切片方案。核心網共用運營商硬件設備，UPF/MEC等網元根據業務指標需求部署在合適的位置。

2.3.2 專網方案

電網企業基于安全方面的考慮，更傾向于專網方案。電力業務終端連接5G通信終端或內嵌5G通信模塊，經無線接入網、回傳網接入5G核心網，再經由核心網接入到電力業務系統中。其中，無線接入網可以與運營商共建共享，電網利用自身場站桿塔資源和電價優勢與運營商共建共享建設基站，電網業務走雙傳輸路徑雙掛核心網確保安全。生產大區和管理大區采用不同的核心網。

專網方案的業務隔離如下：

（1）I/II區和III/IV區之間的業務隔離（硬隔離）

I/II區對時延、安全性、可靠性等要求高于III/IV區，兩者之間采用硬隔離：不同的終端、不同的時頻資源或頻點；不同的基帶板、不同的RRU；不同的傳輸端口或傳輸板卡；不同的核心網；不同的安全接入保護區等。

（2）I/II區內部的業務隔離（軟隔離+硬隔離）

I/II區內部的業務之間一般以軟隔離為主，部分業務之間采用硬隔離。硬隔離采用不同的時頻資源+不同的基帶板+不同的傳輸端口或板卡。軟隔離采用不同的時頻資源+不同的VLAN（或隧道、QoS等）+相同的硬件。

（3）III/IV區內部的業務隔離（軟隔離）

III/IV區內部的業務之間一般采用軟隔離方案：不同的時頻資源或QoS調度+不同的QoS（或隧道、VLAN等）+相同的硬件設備。

2.3.3 公網切片與專網的比較

（1）公網切片優缺點

①公網切片的優勢

對垂直行業：按需定制的端到端切片網絡，具有成本低、運維便利、可靠性保障等優勢；

對運營商：提升頻譜利用率，拓展業務，更好地實現5G引領。

②公網切片存在的問題

標準成熟度方面，uRLLC和mMTC切片標準仍在制定過程中；網絡繁忙時，大量公眾用戶與行業用戶同時接入導致接入擁塞，存在專網客戶無法接入的風險；公網切片的安全性、可靠性、時延等可能無法完全滿足專網要求。

網絡架構演進方面，切片技術需要5G網絡演進到SA模式，面臨技術、網絡演進復雜度等挑戰。

商業模式和運營方面，垂直行業存在需求碎片化、模糊化等特點，目前沒有成熟的商業模式、運營模式可借鑒。

（2）專網優缺點

①專網的優勢

當前無線專網主要基于Tetra/DMR/PDT/LTE等技術，未來將向5G方向演進，賦能專網更高價值。

寬帶集群專網產業聯盟（B-TrunC）將開展對NSA組網+雙連接研究，4G提供覆蓋，5G做熱點增強。同時，研究采用LTE與5G的頻譜共享，以及免授權NR-U技術。研究新的靈活的空口參數配置、編碼方式以及關鍵技術，滿足重點行業更低時延和高可靠性要求。實現更加靈活智能的網絡架構，用戶面能力進一步分布下沉，增強邊緣計算和網絡能力開放等5G關鍵特性，加強高帶寬數據業務的分發和處理能力，以及行業用戶定制化服務水平，提升整體業務性能。

②專網存在的問題

專網的發展技術上滯后于公網。

5G專網最大的不確定性在于頻率分配，短期內5G行業頻率不明朗。

專網需求分散，產業鏈集聚要求高，專網專用設備及終端價格高，5G專網建設成本會更高。

比較現實的方案是公專網優勢結合、互為補充。利用公網覆蓋優勢為普通行業用戶提供一般性的普遍接入和服務，通過專網為特需行業用戶提供特定高可靠和高安全性的定制化服務。

3 智能電網切片小結

3.1 智能電網切片商業模式

（1）租賃公網模式。運營商統一建設端到端的5G切片網絡，電力等垂直行業根據業務需求租用其中的切片，運營商提供管道和增值服務。

（2）自建專網模式。電力企業在拿到5G頻譜的前提下，出資自建獨立專用的5G專網。

（3）公網、專網結合的模式。電力企業從成本考慮，選擇租用最復雜、投入最大、維護最困難的運營商無線接入網。同時，為了滿足電力企業對于網絡切片資源的可視化、可管理、可控制的訴求，考慮自建獨立的核心網和管理面，形成混合組網的切片組網架構。

3.2 智能電網切片存在的問題

網絡切片目前還處在實驗階段，還沒有規模性的商用，在網絡切片的實際部署中還存在很多的問題需要解決。

（1）多業務并發。當覆蓋區域內同時存在大量不同類型的切片請求，例如大連接的采集類業務、高帶寬的視頻業務、低時延的控制類業務同時存在，對網元的部署帶來了很大的挑戰。

（2）多切片接入能力。未來某些多功能的電力終端可能需要同時接入多個切片網絡（例如同時需要語音切片和控制類切片等），如何多切片協同運行是關鍵問題。

（3）漫游能力。某些移動類終端（例如無人機巡檢）在邊界區域大范圍移動時會發生漫游，遇到跨切片切換的情況，甚至是異廠家之間的切片切換，如何確保業務的可靠性是需要解決的問題。

（4）成熟商用時間。mMTC標準尚未制定，承載網切片需要IETF推進，網絡功能虛擬化需要較長的過渡期，完整的SA網絡還需要相當長的時間才能成熟，這些都限制了網絡切片的規模商用。

3.3 智能電網切片發展階段規劃

端到端網絡切片解決方案不是一蹴而就的，而是會逐步成熟。基于5G網絡切片的業務安全隔離能力、SLA/QoS保障能力、切片運維運營能力，5G網絡切片的整體產業節奏可以分為3個階段，如表1所示。

表1 5G網絡切片整體產業節奏

4 結束語

5G網絡切片通過SDN/NFV技術和切片隔離方案，實現業務需求和網絡資源的靈活匹配，滿足5G時代不同垂直行業特定的功能要求。對于運營商，網絡切片能幫助運營商基于公網基礎設施定制不同需求的行業子網，拓展不同的行業應用。對于垂直行業，通過租賃運營商的網絡切片，無需自建專網，可以更方便、快速地開展5G業務，并得到按需的業務保障，有利于行業客戶快速拓展業務市場。

未來在自動駕駛、工業控制、智慧城市等方面，都可以通過網絡切片技術滿足各行業差異化的需求，形成運營商與垂直行業合作多贏的局面，一起共創智能的數字化社會。