基于5G切片技术的智能电网应用研究

王太峰 颜 军

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

2015年7月，国家发改委、国家能源局联合发布了《关于促进智能电网发展的指导意见》，明确指出智能电网是能源互联网的重要基础，发展智能电网是保障能源安全、推动经济可持续发展的重要基础。

近年来，国家电网公司积极建设智能电网，通过实施“互联网+”战略，全面提升电网信息化、智能化水平。以电网为代表的垂直行业将在5G时代完成数字化转型，网络切片正是在这种背景下产生的。网络切片是按需定制的端到端逻辑网络，基于同客户签订的SLA（服务等级协议），为不同垂直行业、不同业务提供相互隔离、功能可定制的网络服务。

如果说电力是工业化的血液，那么网络连接就是工业化的神经，电网与5G网络的深度结合将为智能化工业革命提供坚实的基础。

1 智能电网与网络切片介绍

1.1 智能电网业务类型

电网业务类型通常可分为控制类业务、采集类业务和移动应用类业务三类。

（1）控制类业务：主要有配电自动化、精准负荷控制、配电网差动保护等，涉及电网安全稳定运行，具有典型的高可靠、低时延特征。

（2）采集类业务：主要有用电信息采集、电动汽车充电桩等，涉及海量终端，分布广泛，具有典型的广覆盖、大连接特征。

（3）移动应用类业务：主要有机器人巡检、无人机巡检、电力应急通信、移动作业等，具有典型的大带宽、移动性特征。

1.2 网络切片概念

5G作为新基建的关键基础设施，不仅服务于个人用户，还需要满足众多垂直行业的需求。不同行业的业务对于网络的带宽、时延、连接能力、移动性、安全性、可靠性，甚至是计费方式的需求是不同的。如果每种业务需求都独立新建一张网络来满足，建网成本巨大，严重制约业务的发展；而使用同一张网络承载所有业务，不同需求很难同时满足，业务隔离也存在隐患。

为了解决差异化SLA与建网成本之间的矛盾，网络切片成了理想选择。网络切片利用SDN/NFV技术将单个物理网络划分为多个虚拟网络，每个切片代表一个独立的、虚拟化的从无线接入网到承载网、核心网的端到端网络，各切片之间相互绝缘，以满足多种业务场景对网络的不同需求。

1.3 智能电网切片需求

电力行业对于切片的需求可以划分为三个不同的层次。

（1）对QoS/SLA的保障需求

这是垂直行业对切片最基本的需求，电力行业对网络切片的基本需求是在网络负荷处于高峰期也能保证电力业务百分之百按照预先设置的QoS/SLA运作。

（2）业务隔离需求

电网对业务隔离要求非常高，对不同业务划分了I/II区（生产控制类）和III/IV区（管理信息类），横向要求双向物理隔离。

（3）独立运维管理需求

独立运维管理是垂直行业典型的差异化需求。电网从运营商购买切片资源，希望对切片资源做到可视化的透明管理，实现端到端业务质量KPI实时监控和运维管理。

1.4 电力业务网络切片分类

5G网络切片分为eMBB切片、uRLLC切片、mMTC切片三大类，三类切片适合承载的电力业务如下：

（1）eMBB切片：承载大视频业务，如视频监控、机器人巡检、无人机巡检等，实现差异化大带宽保障。

（2）uRLLC切片：承载高可靠、低时延业务，如精准负荷控制、电力差动保护、智能分布式配电自动化等控制类业务。

（3）mMTC切片：承载海量连接业务，如用电信息采集、分布式电源等。

2 智能电网5G切片方案

2.1 总体架构

智能电网网络切片总体架构如图1所示。

图1 智能电网网络切片总体架构图

其中，CSMF（通信服务管理功能）是切片的入口，完成电力业务的需求订购，并传递到NSMF（网络切片管理功能）进行切片设计。

NSMF负责端到端的切片管理与设计，根据从CSMF接收的电力业务需求选择合适切片，并将切片的SLA需求分解为切片子网的SLA需求，向NSSMF（网络子切片管理功能）下发网络切片子网部署请求。

NSSMF负责子切片管理，包括无线接入网子切片管理功能（AN-NSSMF）、承载网子切片管理功能（TN-NSSMF）和核心网子切片管理功能（CN-NSSMF）。

5G网络切片通过CSMF、NSMF和NSSMF的协同，完成端到端切片网络的部署。

2.2 电力切片隔离方案

2.2.1 接入网隔离方案

接入网切片主要是“切”空口的协议栈、时频资源和频率。

（1）协议栈切分

5G基站基带解耦为CU和DU，CU集中承载非实时业务，包含L3的RRC层和L2的PDCP层。DU负责对实时业务的处理，包含RLC层、MAC层和PHY-H。CU/DU架构为网络切片提供良好的灵活性，可以根据实际需求进行灵活地定制部署。

mMTC场景：对时延和带宽都无要求，CU可以集中云化部署，获取集中化处理的优势。

eMBB场景：对带宽要求高，对时延要求差异比较大，CU部署的位置根据时延要求来灵活确定。

uRLLC场景：对时延要求很苛刻，一般采用CU/DU共部署且下沉到边缘的方式，降低传输时延，同时在协议栈上支持灵活定制裁减。

（2）时频资源切分

①静态时频资源预留（硬切片）

硬切片指的是时频资源以固定的方式分配给每个特定的切片，用户可利用这些静态的时频资源接入切片网络，时频资源硬切片方式如图2所示。硬切片的资源利用率不高，但切片隔离性能大大强于软切片。

图2 时频资源硬切片方式

②动态时频资源共享（软切片）

软切片将时频资源分为独立预留资源和动态共享资源，时频资源软切片方式如图3所示。uRLLC业务可预先分配一些独立预留资源，mMTC业务分配动态共享资源。切片调度服务根据切片实时到达情况按需分配时频资源。软切对空口资源分配较为灵活，频谱资源利用率高，但时域上TTI不统一，算法较为复杂。

图3 时频资源软切片方式

（3）频率资源切分

无线空口在频率资源富裕的情况下，可以采用频率资源切片的方式。例如电信和联通共享3.5G频段的200MHz带宽，每家各占用100MHz频宽分别承载各自业务，从频率上进行完全分隔。这种方式隔离效果最好，但利用率最低。

2.2.2 承载网隔离方案

根据对安全和可靠性的不同诉求，承载网隔离方案分为硬隔离和软隔离。

（1）硬隔离：L1或光层的物理刚性管道隔离，独享网络带宽资源。例如基于L1的FlexE技术、基于光层的FlexO技术等。通常应用于配电自动化、精准负荷控制等有时延和可靠性要求的uRLLC切片。

（2）软隔离：L2或以上的逻辑管道隔离，共享网络带宽资源。例如基于MPLS-TP、IP/MPLS等隧道/伪线技术，基于分段路由SR、VxLAN等隧道技术，、基于VPN、VLAN等虚拟化技术，基于QoS调度等。一般应用于用电信息采集、大视频应用等mMTC和eMBB切片场景。

实际应用中，可以采用混合硬切片+软切片的方案，硬切片保证业务的隔离安全，软切片支持业务的带宽复用。

2.2.3 核心网隔离方案

基于SBA架构的5G核心网将网络功能解耦为服务化组件，每个组件都有专用的功能，天然具有一定的隔离能力。核心网隔离方案也分为硬隔离和软隔离。

（1）硬隔离：核心网物理网元电力专用。

（2）软隔离：电力与运营商其他业务共享硬件服务器、区分虚拟机，每个独立切片包含完整的核心网控制面和用户面功能。

5G核心网基于NFV和容器技术，通过物理资源的隔离、虚拟机层面的资源隔离、虚容器隔离等不同手段实现切片间资源的灵活独享或动态共享。

2.3 智能电网切片方案

智能电网的切片方案有两种：基于运营商公网切片方案和自建5G专网方案。

2.3.1 公网切片方案

公网切片方案需要关注两个方面的隔离：电力与其他行业之间的隔离，电力自身不同业务之间的隔离。

公网切片方案又可以分为软切片方案和硬切片方案。

（1）软切片方案

普通业务一般采用软切片方案，公网软切片方案如图4所示。通常的建设模式为：运营商统一建设端到端5G网络，电力企业租用运营商公网的一张或多张切片，按照差异化SLA进行定价收费，端到端网络资源共享。

图4 公网软切片方案

电力I/II区切片承载生产控制类业务，电力III/IV区切片承载采集类等业务。电力终端通过5G CPE接入5G无线网，经承载网再到核心网，配置端到端切片。5G核心网出口交换机配置路由互通，连接配电自动化中心站、电力监控云等。

接入网切片：动态分配时频资源或者基于5QI进行调度优先级设置，这种方式不适用于电力的uRLLC切片。

传输网切片：配置不同的隧道/伪线通道，根据不同切片标识映射到不同VLAN。

核心网切片：不同的切片分配独占的AMF/UPF/SMF，共享硬件设备。

（2）硬切片方案

电力部分VIP业务和特需业务适合采用硬切片方案，硬切片方案如图5所示。

图5 公网硬切片方案

接入网切片：可采用时域/频域/区域的隔离方式，分配静态时频资源或独立的频点，共享AAU/DU/CU等硬件资源。

传输网切片：配置L1或L0的硬切片（FlexE、FlexO等）。

核心网切片：分配独占的UPF等网元设备以达到完全隔离。对于不同的切片来说，uRLLC切片所有网元都不共享；eMBB切片共享部分控制面网元，媒体面和其他控制面网元不共享；mMTC切片可以完全共享控制面网元，所有的媒体面网元不共享。

（3）公网切片方案建议

若电网企业选择租用运营商5G公网来做电力切片，为保证切片的端到端部署满足电力业务要求，给出如下建议：

①uRLLC切片应采用端到端硬切片方案

无线网采用独立的时频资源、独立的基带板，CU/DU设备在基站侧部署；具备条件的情况下，基站宜采用专门覆盖电力业务区域的微站或独立扇区，尽可能减少公众用户接入。

承载网采用电力专用的传输设备或共用传输设备采用L1/L0的硬隔离，且双路由接入均满足硬隔离。

核心网采用专用的边缘设备（UPF/MEC等），控制面网元尽可能多得采用专用设备部署。

②mMTC切片采用软切片方案

无线侧采用动态分配时频资源。承载网采用VPN、VLAN、隧道等软切片方案。核心网共用运营商硬件设备采用软切片，UPF等网元集中部署。

③eMBB切片宜优先采用硬切片方案或硬切片+软切片混合的方案

无线侧可采用动态分配时频资源或预留静态时频资源。承载网采用VPN、VLAN、隧道等软切片方案或FlexE/FlexO等硬切片方案。核心网共用运营商硬件设备，UPF/MEC等网元根据业务指标需求部署在合适的位置。

2.3.2 专网方案

电网企业基于安全方面的考虑，更倾向于专网方案。电力业务终端连接5G通信终端或内嵌5G通信模块，经无线接入网、回传网接入5G核心网，再经由核心网接入到电力业务系统中。其中，无线接入网可以与运营商共建共享，电网利用自身场站杆塔资源和电价优势与运营商共建共享建设基站，电网业务走双传输路径双挂核心网确保安全。生产大区和管理大区采用不同的核心网。

专网方案的业务隔离如下：

（1）I/II区和III/IV区之间的业务隔离（硬隔离）

I/II区对时延、安全性、可靠性等要求高于III/IV区，两者之间采用硬隔离：不同的终端、不同的时频资源或频点；不同的基带板、不同的RRU；不同的传输端口或传输板卡；不同的核心网；不同的安全接入保护区等。

（2）I/II区内部的业务隔离（软隔离+硬隔离）

I/II区内部的业务之间一般以软隔离为主，部分业务之间采用硬隔离。硬隔离采用不同的时频资源+不同的基带板+不同的传输端口或板卡。软隔离采用不同的时频资源+不同的VLAN（或隧道、QoS等）+相同的硬件。

（3）III/IV区内部的业务隔离（软隔离）

III/IV区内部的业务之间一般采用软隔离方案：不同的时频资源或QoS调度+不同的QoS（或隧道、VLAN等）+相同的硬件设备。

2.3.3 公网切片与专网的比较

（1）公网切片优缺点

①公网切片的优势

对垂直行业：按需定制的端到端切片网络，具有成本低、运维便利、可靠性保障等优势；

对运营商：提升频谱利用率，拓展业务，更好地实现5G引领。

②公网切片存在的问题

标准成熟度方面，uRLLC和mMTC切片标准仍在制定过程中；网络繁忙时，大量公众用户与行业用户同时接入导致接入拥塞，存在专网客户无法接入的风险；公网切片的安全性、可靠性、时延等可能无法完全满足专网要求。

网络架构演进方面，切片技术需要5G网络演进到SA模式，面临技术、网络演进复杂度等挑战。

商业模式和运营方面，垂直行业存在需求碎片化、模糊化等特点，目前没有成熟的商业模式、运营模式可借鉴。

（2）专网优缺点

①专网的优势

当前无线专网主要基于Tetra/DMR/PDT/LTE等技术，未来将向5G方向演进，赋能专网更高价值。

宽带集群专网产业联盟（B-TrunC）将开展对NSA组网+双连接研究，4G提供覆盖，5G做热点增强。同时，研究采用LTE与5G的频谱共享，以及免授权NR-U技术。研究新的灵活的空口参数配置、编码方式以及关键技术，满足重点行业更低时延和高可靠性要求。实现更加灵活智能的网络架构，用户面能力进一步分布下沉，增强边缘计算和网络能力开放等5G关键特性，加强高带宽数据业务的分发和处理能力，以及行业用户定制化服务水平，提升整体业务性能。

②专网存在的问题

专网的发展技术上滞后于公网。

5G专网最大的不确定性在于频率分配，短期内5G行业频率不明朗。

专网需求分散，产业链集聚要求高，专网专用设备及终端价格高，5G专网建设成本会更高。

比较现实的方案是公专网优势结合、互为补充。利用公网覆盖优势为普通行业用户提供一般性的普遍接入和服务，通过专网为特需行业用户提供特定高可靠和高安全性的定制化服务。

3 智能电网切片小结

3.1 智能电网切片商业模式

（1）租赁公网模式。运营商统一建设端到端的5G切片网络，电力等垂直行业根据业务需求租用其中的切片，运营商提供管道和增值服务。

（2）自建专网模式。电力企业在拿到5G频谱的前提下，出资自建独立专用的5G专网。

（3）公网、专网结合的模式。电力企业从成本考虑，选择租用最复杂、投入最大、维护最困难的运营商无线接入网。同时，为了满足电力企业对于网络切片资源的可视化、可管理、可控制的诉求，考虑自建独立的核心网和管理面，形成混合组网的切片组网架构。

3.2 智能电网切片存在的问题

网络切片目前还处在实验阶段，还没有规模性的商用，在网络切片的实际部署中还存在很多的问题需要解决。

（1）多业务并发。当覆盖区域内同时存在大量不同类型的切片请求，例如大连接的采集类业务、高带宽的视频业务、低时延的控制类业务同时存在，对网元的部署带来了很大的挑战。

（2）多切片接入能力。未来某些多功能的电力终端可能需要同时接入多个切片网络（例如同时需要语音切片和控制类切片等），如何多切片协同运行是关键问题。

（3）漫游能力。某些移动类终端（例如无人机巡检）在边界区域大范围移动时会发生漫游，遇到跨切片切换的情况，甚至是异厂家之间的切片切换，如何确保业务的可靠性是需要解决的问题。

（4）成熟商用时间。mMTC标准尚未制定，承载网切片需要IETF推进，网络功能虚拟化需要较长的过渡期，完整的SA网络还需要相当长的时间才能成熟，这些都限制了网络切片的规模商用。

3.3 智能电网切片发展阶段规划

端到端网络切片解决方案不是一蹴而就的，而是会逐步成熟。基于5G网络切片的业务安全隔离能力、SLA/QoS保障能力、切片运维运营能力，5G网络切片的整体产业节奏可以分为3个阶段，如表1所示。

表1 5G网络切片整体产业节奏

4 结束语

5G网络切片通过SDN/NFV技术和切片隔离方案，实现业务需求和网络资源的灵活匹配，满足5G时代不同垂直行业特定的功能要求。对于运营商，网络切片能帮助运营商基于公网基础设施定制不同需求的行业子网，拓展不同的行业应用。对于垂直行业，通过租赁运营商的网络切片，无需自建专网，可以更方便、快速地开展5G业务，并得到按需的业务保障，有利于行业客户快速拓展业务市场。

未来在自动驾驶、工业控制、智慧城市等方面，都可以通过网络切片技术满足各行业差异化的需求，形成运营商与垂直行业合作多赢的局面，一起共创智能的数字化社会。