5G切片在电力物联网中的研究和实践
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【摘 要】随着5G时代的到来，出现不同应用场景和差异化的业务需求，因而产生了不同的网络切片。通过实施“互联网+”战略，全面提升电网信息化、智能化水平，实现智能设备状态监测和信息收集，激发电力运行新型的作业方式和用电服务模式。
【关键词】5G切片；网络切片；智能电网
1我国网络切片技术的发展
如今，中国作为世界第二大经济体，不仅促进了中国国际地位的提升，而且在各个行业都有了更大的发言权。“3G跟随，4G并跑，5G引领”，说明中国在整个通信行业角色和地位的变化，而中国通信行业的研究为5G标准的形成贡献了重要的理论依据和技术支持。在独立组网标准形成过程中，中国移动在3GPP担任了下一代网络架构研究、5G系统架构标准的项目负责人工作。在全球相关行业的支持下，牵头完成了5G新核心网5GC从研究到标准化的艰巨工作。标准化中，中国移动主导提出了基于服务的5G网络架构（SBA），是5G独立组网的基础架构，且还牵头推动了网络切片架构、用户数据融合架构等工作，并在功能软件化、C/U分离、边缘计算方面发挥了重要的推动作用。网络切片技术已经被通信行业广泛认为是5G的重要创新技术，全球多个运营商、设备商均致力于研发端到端网络切片技术，包括接入网、传输网和核心网，拓展基于5G网络切片技术的创新应用，如智能制造、智能电网。此外，能源、工业、汽车、媒体娱乐等多个垂直行业也逐渐提出对5G网络切片的性能、隔离性等需求，积极参加到3GPP、IMT-20205G推进组等通信行业组织中，参与网络切片的标准制定和产业推进。但从标准发展来看，5G网络切片的一阶段标准已于2018年6月完成，传输网支持网络切片的标准预计在2018年年底完成。在IMT-2020（5G）推进组5G技术第二阶段测试中，对基于NFV平台的切片功能进行了系列测试。第三阶段测试将更侧重于系统验证，对网络切片开展面向5G新业务的进一步测试验证。2018年6月14日，3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准（5GNR）独立组網功能冻结。独立组网标准冻结让5G确定了全新的网络架构和核心网，将让网络向IT化、互联网化、极简化、服务化转变。其中，在服务化上，5G从通用化服务转到个性化、定制化服务，代表性技术是网络切片和边缘计算。网络切片提供定制化、逻辑隔离、专用的端到端虚拟移动网络（包括接入网、核心网），是5G面向垂直行业实现服务可保障的基本技术形式。边缘计算将网络的功能应用靠近用户部署，使得极致的低时延、本地特色应用成为可能，是5G满足如智能工厂等垂直行业业务需求的重要基础。
2网络切片的资源管理方法
网络切片管理在5G中至关重要。运用虚拟化技术，可以对网络切片资源的生命周期进行管理。
2.1设计阶段
设计阶段又包括切片设计和商业设计。切片设计过程中，设计人员按照特定业务需求选择相应的特性，如利用功能、时延、安全性等标准，设计切片模板。可以针对不同业务客户的独特服务需求进行量身定制，实现切片的按需设计。商业设计是指网络切片模板的生成过程。首先，网络切片管理功能提供方为网络切片需求方提供切片编辑工具和标准化模板。模板中主要包括结构和配置的描述，还包括如何进行实例化和控制网络切片实例。基于此，设计人员选择相应的功能组件，以满足需求方所需业务的要求，生成内部的网络拓扑，并确定各部分之间的交互协议。此外，要结合承载的业务特点设定相应的安全性和可靠性要求，并考虑业务体验，以保证为其划分的资源规模能达到性能指标。
2.2编排阶段
在购买网络切片模板后进入到编排阶段。这个阶段中，切片管理器解析模板配置，为其之后创建切片获取所需的逻辑资源。同时，对这些资源进行逻辑隔离，以保证其与其他网络切片对应的资源彼此独立。编排过程是一个自动化过程，一个切片模板可进行多次编排，即可以生成多个网络切片实例。
2.3运营阶段
运营阶段，网络切片运营方可以通过切片管理器提供的接口进行动态管理。通过该接口，对资源、性能等进行监控，及时进行维护、升级和调整。此外，可以根据所需的特定要求对网络切片进行二次开发。
35G网络切片电力智能化研究
建立大容量、高速、实时和安全稳定的通信系统是建设智能电网的基础，能源战略计划的总体目标是在实现能源互联网的基础上提高电力系统的能源效率。5G具有灵活的无线空口连接能力和优秀的容灾能力，尤其是在山地和水域等复杂的地貌环境中，5G相比于光纤和短距离无线通信等技术在工程建设上更具高效性、快捷性。5G网络切片优秀的整体组合性能可以满足未来智能电网的多样化需求，适用于构建安全、可靠、高效和环保的现代化电网。通过对电力行业诉求的分析，确定采用以下3种5G切片使能电力智能化服务：一是电力控制切片，可实现毫秒级低时延，保证配电控制数据和命令的可靠传输；二是电力监测切片，可实现海量电表数据的采集和无人机等智能设备巡检数据的上传；三是电力通信切片，可满足电力行业专网的安全通话需求。通过对这3种典型网络切片的研究，可以探索5G网络切片在垂直行业的应用落地，5G电力行业网络切片。在网络切片的具体实现方面，最重要的特性是按需定制，并实现端到端的隔离和安全。单用户可以接入一个网络切片，也可以同时接入多个网络切片。网络切片实现切片间的物理隔离，从而使一个切片的故障、拥塞，不会影响另一个网络切片的工作。网络切片架构有两种部署方式，一种方式是控制面共享网络切片，AMF、NSSF、UDM共享部署，SMF、UDM专用部署，PCF可以共享部署，也可以专用部署；另一种方式是独立切片部署，AMF、NSSF、UDM、PCF、SMF、UPF可部署为独立网络切片。网络切片的选择有以下4种方式，一是默认切片选择，UE未携带切片标识，AN选择默认核心网切片；二是基于切片标识选择，UE携带切片标识，AN通过切片标识选择切片；三是基于用户签约选择，UDM存储切片签约，NSSF通过UE签约选择切片；四是基于重定向选择，AMF&NSSF发现UE不属于该切片，向另一个AMF发送重定向消息，进行网络切片的选择。
4对5G切片在电力物联网的实践和探索
以智能配电网站所的智能综合管控场景为例，直观展示了5G网络切片如何从端到端SLA保障、业务隔离性和运营独立性等多角度满足智能电网的行业需求，从而全面提升智能配电网站所的管理效率。核心网基于服务化架构（SBA）将网络功能模块化，实现定制化网络切片的快速上线，并基于转控分离（CUPS）及多接入边缘计算（MEC）技术为智能电网的配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集和分布式能源等不同业务场景提供超高带宽、超高可靠性、超低时延等网络质量可保障的虚拟专用网络，为打造“切片即服务”的创新型商业模式提供网络技术支撑。同时依托于切片管理器，可以实现电力行业租户对所租用切片网络资源的可见可管，有效降低TCO，促进智能电网的创新能力。正是基于这样的端到端智能电网切片，电网的综合管控系统通过实时监控、远程遥控、现场可视化等技术，进一步提升了配电网的科学管控、科学生产及快速排障效率。
5结束语
对于运营商，5G网络切片将帮助运营商打造敏捷灵活的网络，将业务延伸到垂直市场，对于垂直领域行业，通过与运营商的业务合作，无需建设移动专网，即可更方便、快捷地使用5G网络，并得到按需的业务保障，提升其快速开展个性化业务的能力，尽快拓展业务市场。
参考文献：
[1]王华.未来5G网络切片技术关键问题分析与探究[J].通信电源技术，2019，36（01）：188-189.
（作者单位：国网山东省电力公司淄博供电公司）
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