5G切片技术及在智能电网的应用研究

王坦

【摘要】第五代移动通信技术（5th-Generation， 5G）建设迎来爆发，当前5G最迫切要解决的是如何与行业深度融合，从而实现业务创新。要完成融合创新需要政策、技术、产业等多方面合力推动，5G可以发挥网络切片的技术优势，而智能电网发展迫切需要构建安全可信、接入灵活、实时互动的泛在全接入网络，从而实现智能电网业务的接入、承载、安全及端到端的自主可控。本文聚焦5G切片技术、以及智能电网的核心场景分析，重点阐述切片与智能电网场景结合的应用研究。

【关键词】5G;切片;智能电网;解决方案

1. 前言

5G之前的移动通信重点瞄准个人用户，重点解决带宽提升、互联网宽带等问题。时至今日，连接流量红利已逐步消失。5G需要新的业务创新点，而业界均把创新点指向垂直行业应用及业务融合创新。移动通信也日益开放面向各行各业，共同创造更大价值。

2. 5G技术背景及优势

相比4G，5G可以提供更多的业务场景，真正实现万物智能互联。5G主要采取了更大的频谱宽度（100MHz），引入高阶调制、大规模天线技术等手段，可以提供更强的网络承载能力。5G引入了SDN、NFV等技术，相关网络功能可以对外开放，更好支撑行业对公网业务的运维管理。同时利用5G的切片技术，可以为每个行业虚拟出一个“无线专网”，进行更高强度的安全隔离，可以定制化的分配资源，同时具有更高的安全性、可靠性、灵活性。

3. 5G切片技术

网络切片（Network Slice，NS）是指运营商在一个硬件基础设施之上切分出多个端到端的逻辑网络，每个网络都包含逻辑上隔离的接入网、传输网、核心网，每个逻辑网络可以对应不同的服务请求。根据时延、带宽等不同特性，灵活应对不同网络场景，适配各类服务的不同需求。

网络切片是基于云计算、SDN、服务化架构等技术群而实现的，它并不是一种独立的技术。通过上层统一的编排可以让网络拥有管理、协同的能力，从而实现基于一个通用的物理网络基础架构平台，同时能够支持多个逻辑网络的功能。5G网络切片管理总体架构如下图所示：

切片管理架构从上到下包含三层：通信服务管理功能（CSMF）、网络切片管理功能（NSMF）、网络切片子网管理功能（NSSMF）。

5G网络切片可以充分利用SDN、NFV的云化基础设施，实现网络资源对业务需求的差异化灵活匹配，是信息通信行业与其他行业连接的利器，除了应用于eMBB、mMTC、uRLLC三大5G应用场景，还具备可定制、可测量、可交付、可计费的特性。运营商同时可以进一步将切片相关能力开放，打造网络切片即服务的商业模式，更好满足行业客户需求，而行业客户也无需自建专网，即可方便、快捷的使用5G网络，快速实现转型。

4. 5G智能电网应用场景

我国的智能电网强调配电侧和用户侧的智能化提升，注重发输变系统的智能化建设。围绕发输变配用的各环节，未来的发展趋势包括：清潔友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电、多样互动的用电、智慧能源及能源互联网。

智能电网无线通信的应用场景可以分为控制、采集两大类。其中控制类包含分布式配电自动化、精确负荷控制、分布式能源调控等，采集类包括低压集抄、智能电网两大视频类应用。

5. 网络切片在智能电网的解决方案

基于电力行业的需求及网络切片的理念，面向电力的端到端切片解决方案如下图所示：

（1） 电力行业网络切片隔离方案：

主要包括两大维度，电力及其他行业及个人用户通信业务之间的隔离，以及电力自身不同分区之间的隔离。可以从接入网、传输网、核心网三个层面定制不同的隔离方案。

1） 接入网隔离方案：可划分我3部分：空口/射频、基带处理、高层协议栈;

在空口频谱资源使用上，电力业务与运营商其他业务共享频谱资源，采用想听的上下行配比。所有业务在时域和频域都可进行动态按需调整。uRLLC和eMBB可以共享频段，通过不同的物理层参数、调制编码方案、调度方案等达成差异化时延、可靠性的目标。

高层协议栈功能具备灵活的隔离架构，它既可以共享，又可以对电力不同区域或类的业务按需调整。

为优先保障电力业务中优先级较高类业务，确有需要时，运营商可以为电力配置特定的抢占策略，避免其他业务影响。

2） 传输网隔离方案：无线接入网（RAN）与核心网（CN）之间的回传网络连接可以用运营商网络，从而达成更好的终端到终端（E2E）切片配合效果。硬隔离基于TDM时隙交叉实现，软隔离基于WLAN和QoS实现，支持灵活的业务区分。

3） 核心网隔离方案：3GPP标准已明确，核心网在逻辑功能上严格隔离，区分切片，每个切片有专门功能，每个切片都只能访问本切片的会话数据。

（2） 电力业务网络切片可靠性保障方案

传输为电力业务切片提供硬管道，保护业务传输不受其他业务影响，运营商的核心网和回传部分的传输通道可采用备份机制，支持主备用通道间无损迁移。通过部署实时监控技术，对网络中多项指标联合分析，检测不同类别的异常场景，进行故障隔离、快速恢复。另外还可以在基础覆盖能力上按需增强。如可以多频段交叠组网，保证通信。

（3） 电力业务网络切片能力开放方案

电力业务网络切片由公网运营商，向电网企业提供定制的可选菜单。运营商针对电力的业务订购，转换成网络语言进行切片部署，且部署过程是透明的，运营商可把切片实时状态开发给电网企业，电网企业可根据切片运行状态及不同分区的业务需求，为各单位提供高强度安全隔离、定制化分配资源，差异化切片服务，从而形成行业切片运行闭环管理。围绕电力业务网络切片定制、部署、运营三环节，运营商逆向电力行业用户开放的切片管理能力包括切片定制设计、切片规划与部署、切片运行监控等。

6. 结论

5G网络切片主要面向电力生产控制，有严格的安全隔离要求，且现有无线公网解决不了的问题。主要为配网差动保护、配网自动化三遥、用电负荷需求侧响应（精准负控）、高级计量等，为满足不同业务的承载需求，运营商需对5G基站接入层、传输网、核心网资源进行端到端持续优化，提供网络切片定制、规划、部署服务。5G智能电网解决方案，可以逐步完善5G网络建设规划，并为其他行业推广提供宝贵经验，未来发展空间无限。

参考文献：

[1][2]吴英娜余永聪佟巍.5G核心网关键技术网络切片研究[J].网络安全技术与应用，2019（11）：83-84;

[3]刘彩霞胡鑫鑫.5G网络切片技术综述[J].无线电通信技术，2019（6）569-575;

[4]韩治张晋.5G网络切片在智能电网的应用研究[J].电信技术，2019（8）：5-8;