5G网络切片技术在国家电网中的应用探讨

本文刊发于《移动通信》2019年第6期

5G网络切片技术在国家电网中的应用探讨

梁雪梅

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

【摘 要】首先介绍了网络切片的概念和端到端切片生命周期管理架构，然后分析了电力行业被选作首个垂直行业实施切片试验的原因，探讨了几种典型业务场景的具体需求和相应的切片部署架构，最后对网络切片的标准化进展、后续需研究的技术重点进行了阐述。研究表明，以国家电网为代表，5G网络切片技术可以使能垂直行业。

【关键词】网络切片；端到端切片生命周期管理架构；业务隔离；比特+瓦特

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.06.009

文章编号：1006-1010(2019)06-0047-05

引用格式：梁雪梅. 5G网络切片技术在国家电网中的应用探讨[J]. 移动通信, 2019,43(6): 47-51.

1 引言

ITU为5G定义了三大主要应用场景：一是增强型移动宽带（eMBB），其具有大带宽、广覆盖的特点，用户体验速率可达到100Mb/s~1Gb/s，可以实现超高清视频、虚拟现实、增强现实和高速移动环境的极致体验；二是大规模机器类型通信（mMTC），具有低功耗、大连接的特点，能支持每平方公里100万的连接，实现高密度的人与物、物与物之间的信息交互，助力物联网新变革；三是超可靠和低时延通信（uRLLC），具有低时延、高可靠的特点，5G毫秒级的接入时延堪称无人驾驶、工业自动控制、手术机器人的神助手。图1为5G应用场景示意图。

可以说，任何一个场景都可以看作是这三大主要应用场景的加权之和，实现了这三大主要应用场景的通信需求，就可以实现任何一个场景的通信需求。

2 网络切片的概念

作为5G移动通信的关键技术之一，网络切片一直倍受关注。基于虚拟化技术，将一张5G物理网络在逻辑上切割成多张虚拟的端到端网络。每张虚拟网络之间，包括网络内的核心网、承载网、无线网，都是相互隔离的，都是逻辑独立的，任何一张虚拟网络发生故障时都不会影响到其它虚拟网络。

5G的“网络切片”技术根据应用、场景、需求进行网络资源的管理编排，进行网络功能的裁剪定制，为客户自动化提供“量身定制”的“专属”虚拟网络，可以满足差异化SLA（Service Level Agreement，服务等级协议）服务的QoS需求，可以保证不同垂直行业、不同客户、不同场景、不同业务之间的安全隔离，实现NaaS（Network as a Service，网络即服务）。

3 5G端到端切片生命周期管理架构

根据3GPP规范，5G端到端切片生命周期管理架构如图2所示：

5G端到端切片生命周期管理架构包括的关键网元功能如下：

（1）CSMF（Communication Service Management Function，通信服务管理功能）。切片设计的入口，承接各种业务应用需求（如速率、时延、容量、覆盖率、QoS、安全性等），转化成端到端网络切片需求，下发到NSMF进行网络切片设计。

（2）NSMF（Network Slice Management Function，网络切片管理功能）。负责NSI（Network Slice Instance，网络切片实例）的管理，接收CSMF对网络切片的需求后，产生一个切片实例，将它转化成对网络子切片的需求，下发到NSSMF。在网络切片生命周期管理过程中，需要协同核心网、承载网和无线网等多个子网时，由NSMF进行协同。NSMF除了负责网络切片模板设计、网络切片实例的创建、激活、修改、停用、终止以外，还负责对网络切片的运营管理，包括故障管理、性能管理、配置管理、策略管理、自动重配置、自动优化、协同管理等。

（3）NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，网络子切片管理功能）。负责NSSI（Network Slice Subnet Instance，网络子切片实例）的管理，接收NSMF对网络子切片的需求，将它转换为对网络功能的需求。

NSSMF包括CN-NSSMF（Core Network-Network Slice Subnet Management Function，核心网子切片管理功能）、TN-NSSMF（Transport Network-Network Slice Subnet Management Function，承载网子切片管理功能）和AN-NSSMF（Access Network-Network Slice Subnet Management Function，无线网子切片管理功能）。

CN-NSSMF主要负责5G核心网子切片实例的管理和编排，承接NSMF对子切片的管理和编排要求，调用核心网的MANO（Management & Orchestration，管理编排器）和EMS（Element Management System，网元管理系统）进行子切片的管理编排和参数配置。CN-NSSMF的功能包括子切片模板设计、子切片实例的创建/修改/终止、容量管理、故障管理、性能管理、配置管理、自动优化、协同管理等。

TN-NSSMF主要负责5G承载网子切片实例的管理和编排，承接NSMF对子切片的管理和编排要求，调用承载网的SDNO（SDN Orchestrator，SDN编排器）/SDNC（SDN Controller，SDN控制器）和EMS进行子切片的管理编排和参数配置。TN-NSSMF的功能包括：子切片模板设计、子切片实例的创建/修改/终止、资源管理、故障管理、性能管理、配置管理、自动优化、协同管理等。

关于AN-NSSMF，对于能够虚拟化部署的网元（如CU等），可以按MANO模式进行编排管理。但是由于基站和空口如何进行切片尚未形成定论，AN-NSSMF如何进行管理还在讨论之中。

总之，CSMF、NSMF和NSSMF三者之间协同合作，实现端到端网络切片的设计和实例化部署。

4 网络切片在国家电网公司的典型应用

4.1 电力行业被选作首个垂直行业实施切片试验的原因

5G的网络切片技术可以使能垂直行业。通过对垂直行业的调研交流发现，国家电网公司在通信网络的业务隔离、超低时延、超高可靠性、安全性和大连接等方面具有强烈的需求，而5G的网络切片刚好有对应的能力进行匹配，可以实现“比特+瓦特”的完美结合。

2019年初，国家电网公司提出新的战略目标：打造“三型”（枢纽型、平台型、共享型）企业，建设运营好“两网”（坚强智能电网、泛在电力物联网），建设世界一流能源互联网企业，全面形成共建共治共享的能源互联网生态圈。图3为国家电网公司战略示意图。

坚强智能电网和泛在电力物联网的建设对通信提出了多元化、高标准的需求。国家电网公司的通信业务需求主要包括基本业务需求和扩展业务需求。基本业务需求包括配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电站/桩等业务，扩展业务需求包括输配变机器巡检、输变电状态监测、电能质量监测、配电所综合监测、智能营业厅、智能家居、电力应急通信、开闭所环境监测、视频监控、仓储管理、移动IMS语音、移动作业等业务。

国家电网公司对业务隔离要求非常高，电网业务分为生产控制大区和管理信息大区。生产控制大区的业务和管理信息大区的业务要求从无线网到核心网全程进行隔离。

网络切片技术的典型特征就是将一张5G物理网络按照业务、场景、需求切割成多张虚拟的端到端网络，匹配不同业务需求，实现安全隔离。

因此，电力行业被选作首个垂直行业开始实施切片试验。

4.2 典型业务场景的具体需求和相应的切片部署架构

坚强智能电网和泛在电力物联网的各类业务对通信网络的各项指标要求大相径庭，选择几种典型业务分析如下：

（1）精准负荷控制业务是精准切除可中断负荷的重要技术保障。根据不同控制要求，分为毫秒级控制系统和秒级/分钟级控制系统。毫秒级控制系统的总体时延要求是毫秒级，其中协控中心站经控制中心站、控制主站至子站的通道传输时延、子站到控制终端的通道传输时延的要求都是毫秒级。毫秒级精准负荷控制通信业务对通信时延要求很高，对可靠性和业务隔离要求也很高，业务优先级也比较高，但对带宽要求和终端量级要求不高。

（2）配电自动化业务可实现对配电网运行的自动化监视、控制和快速故障隔离，具备配电SCADA、配电地理信息系统、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制、调度员仿真调度、电网分析应用及与相关应用系统互联等功能，为配电管理系统提供实时数据支撑。配电自动化业务通过快速故障处理5g网络切片，提高供电安全性和可靠性，通过优化运行方式，提升电网运营效率。智能分布式配电自动化业务对通信时延要求很高，是毫秒级的，对可靠性和业务隔离要求也很高，业务优先级也很高，但对带宽要求和终端量级要求不高。

（3）用电信息采集业务通过对配电变压器和终端用户的用电数据的采集和分析，实现用电监控、电能质量监测、线损分析、负荷管理，最终实现自动抄表、错峰用电、阶梯定价、计量异常监测、负荷预测和节约用电成本等。用电信息采集业务对终端量级要求很高（海量接入），但对通信时延、带宽要求不高。

电网业务的多元化需要一个功能可以按需编排、业务可以相互隔离、超低时延、超大连接的网络。5G网络切片可以满足电网业务的多元化需求。

根据以上分析，精准负荷控制业务需要选择的切片类型是uRLLC，配电自动化业务需要选择的切片类型也是uRLLC，用电信息采集业务需要选择的切片类型是mMTC。

作为5G的另一项关键技术，边缘计算是将网络、计算、存储、应用等核心能力下沉到网络边缘，在靠近用户的位置上，提供IT服务、环境和云计算能力，满足低时延、高带宽的业务需求，让超级计算机无处不在。图4为边缘计算示意图。

在边缘计算中，应用也需要分布式下沉，比如控制主站和控制子站的业务逻辑。

结合边缘计算，精准负荷控制、配电自动化、用电信息采集等三种典型业务的网络切片部署架构和技术解决方案如图5所示。

4.3 电网切片实施进展

（1）2017年，中国电信、国家电网和华为三家联合发起5G电网切片联创项目，并于2018年1月发布了业界首个《5G网络切片使能智能电网》产业报告。

（2）2018年6月，在上海世界移动大会MWC上，中国电信、国家电网和华为联合演示业界首个基于5G网络切片的智能电网业务。体现了eMBB切片特征的智能配电房动力环境监控业务场景，采用华为公司的5G核心网、基站、切片管理器和江苏电力公司的电力终端、业务软件系统，从端到端QoS保障、业务隔离和独立运营等视角展示了智能配电房管控效率的全面提升，标志着“5G网络切片使能智能电网”进入新阶段。

（3）2019年3月，中国电信、国家电网和华为在江苏电力公司联合部署试验环境，开始对精准负荷控制、配电自动化、用电信息采集、分布式电源等典型场景，从QoS/SLA保障、业务隔离、运维管理、可靠性、安全性等多个维度着手进行切片试验，并于2019年4月8日成功完成了全球第一个基于SA网络的真实电网环境的毫秒级精准负荷控制切片测试。

5 网络切片的标准化进展

3GPP的5G标准包括R15版本和R16版本，uRLLC和mMTC主要在R16中定义，R15已经冻结，R16计划在2020年3月冻结，真正能满足uRLLC和mMTC的切片标准也需要到R16冻结时才能具备。

5G切片的标准在不断完善中。R15 SA2已经定义了切片的标识/类型/选择/订购、如何支持漫游、如何与EPS互通、如何在PLMN中配置等内容；SA3定义了切片的安全；SA5定义了切片的管理。但切片的格式、信息模型、切片管理流程、切片管理架构中三个网元功能（CSMF、NSMF、NSSMF）之间的接口在R15中都未定义，相关标准有待完善。

在R16中，除了完善上述标准之外，还有增强切片相关的功能。比如在SA2中，切片增强是一个研究课题，包含HR Mode切片互操作、切片可用性、切片与LBO的互操作、PLMN间切片的选择等。

6 结束语

从全生命周期管理到端到端QoS/SLA保障，从各种业务的相互安全隔离到按需定制自动运维，5G网络切片技术具有独特的优越性。但是，切片标准尚未冻结，试点工作刚刚开始，需要进一步量化网络切片的技术指标、隔离要求和架构设计，需要针对垂直行业运维人员和运营商运维人员定制不同的运维界面。秉承“且行且完善”的原则，随着电网切片试验的深入推进，随着网络切片标准的逐步冻结，业界产业链上下游共同努力，相信一定可以打造出“比特+瓦特”的美好明天。

★原文发表于《移动通信》2019年第6期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.06.009

文章编号：1006-1010(2019)06-0047-05

引用格式：梁雪梅. 5G网络切片技术在国家电网中的应用探讨[J]. 移动通信, 2019,43(6): 47-51.

作者简介

梁雪梅（orcid.org/0000-0003-2776-0010）：研究员级高级工程师，毕业于南京邮电大学，现任职于中通服咨询设计研究院有限公司，主要研究方向为核心网规划设计、5G关键技术、国家电网通信网发展。

关于

（编辑：云计算网_宿迁站长网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!