5G切片在電力物聯網中的研究和實踐

夏旭 朱雪田 梅承力 李維 方海鵬

【摘? 要】用比特使能瓦特，面對電力行業的新需求，中國電信、國家電網和華為依托于國家重大科技項目平臺進行了深入合作，共同開展5G切片在電力等行業典型案例的測試、驗證以及應用落地。重點基于智能電網的主要通信業務場景，逐一探討和分析不同業務場景下的業務特征和技術指標要求，總結了智能電網在發展過程中遇到的挑戰、5G網絡切片在智能電網中的潛在應用場景以及方案分析。

【關鍵詞】網絡切片;智能電網;超低時延;隔離;虛擬專網

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.011? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）01-0063-07

引用格式：夏旭，朱雪田，梅承力，等. 5G切片在電力物聯網中的研究和實踐[J]. 移動通信， 2019，43（1）： 63-69.

Research and Practice on 5G Slicing in Power Internet of Things

XIA Xu1， ZHU Xuetian1， MEI Chengli2， LI Wei3， FANG Haipeng4

（1. China Telecom Beijing Research Institute， Beijing 100032， China;

2. China Telecom Technology Innovation Center， Beijing 102200， China;

3. State Grid Nanjing Power Supply Company， Nanjing 210000， China;

4. Huawei Technologies Co.， Ltd.， Shenzhen 518129， China）

[Abstract]?With Bit driving Watt， in view of new requirements in power industry， China Telecom， State Grid and Huawei have cooperated intensively on the national major science and technology project platform to jointly perform the tests， verifications and applications of 5G slicing in the smart grid and other industries. This paper focuses on the main communication service scenarios of smart grid， case by case discusses and analyzes the service characteristics and technical indicator requirements in different service scenarios， and finally summarizes the challenges encountered in the development of smart grid， and the potential application scenarios and solutions of 5G slicing in smart grid.

[Key words]network slicing; smart grid; ultra-low latency; isolation; virtual private network

1? ?引言

4G改變生活，5G改變社會。5G網絡不僅能帶來更好的帶寬體驗，同時還肩負另一個重要的使命：使能垂直行業。5G時代豐富的垂直行業應用將給移動網絡帶來更加多樣化的需求，超高帶寬、超低時延以及超大規模連接將改變垂直行業核心業務的運營方式和作業模式，全面提升傳統垂直行業的運營效率和決策智能化水平等。網絡切片正是在這種背景下產生的。以敏捷和可定制的能力，為不同的應用打造一個“專屬”網絡。

近年來，國家電網公司積極建設堅強智能電網，提升電網本質安全水平，通過實施“互聯網+”戰略，全面提升電網信息化、智能化水平，充分利用現代信息通信技術、控制技術實現電網安全、清潔、協調和智能發展，為經濟社會發展提供可靠電力保障。隨著用電信息采集、配電自動化、分布式能源接入、電動汽車服務、用戶雙向互動等業務快速發展，各類電網設備、電力終端、用電客戶的通信需求爆發式增長，迫切需要適用于電力行業應用特點的實時、穩定、可靠、高效的新興通信技術及系統支撐，實現智能設備狀態監測和信息收集，激發電力運行新型的作業方式和用電服務模式。

2? ?5G切片在智能電網中的應用

2.1? 電力系統對5G切片業務需求

從電流走向視角來看，電網主要包括五大環節：發電、輸電、變電、配電及用電。通過與電力行業伙伴的充分需求調研、討論和分析，我們從中識別并篩選出了對于無線通信具有潛在需求、未來5G切片可能使能的、最具典型代表意義的四大業務要求：

（1）超高可靠超低時延需求：典型代表場景包括智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制、主動配電網差動保護等工業控制類下行業務，對應的切片類型為URLLC超高可靠性超低時延切片。

（2）海量物聯終端接入需求：典型代表場景包括低壓用電信息采集、智能汽車充電站/樁、分布式電源接入等信息采集類上行業務。對應的切片類型為mMTC海量機器通信接入切片。

（3）高清視頻回傳需求：典型代表場景包括輸變電線路狀態監控、無人機遠程巡檢、變電站機器人巡檢、AR遠程監護等需要高清視頻回傳的業務場景，對應的切片類型為eMBB增強帶寬切片。

（4）高清語音通信需求：典型代表場景包括調度電話、管理電話、遠程巡檢、應急通信等需要高安全、高可靠、高接通率和高清通話質量保障的專網語音通信場景，對應的切片類型為Voice語音切片。

2.2? 電力系統5G切片的技術實現

電力系統5G切片網絡功能如圖1所示。

為了支撐智能分布式配電自動化業務要求，使用5G技術為智能分布式FA（Feeder Automation）建立可獨立運維、質量可保證的切片網絡。

下面分別從智能分布式FA切片的創建、FA終端間的5G網絡通信、業務質量保證、安全、可靠性、管理能力開放七個方面描述相應的技術實現要點。

（1）智能分布式FA切片的創建

5G電力切片創建如圖2所示。

網絡切片生命周期管理主要包括設計、部署、運維、終止等幾個大的環節，要創建智能分布式FA網絡切片，首先要基本電力需求進行切片模板的設計，其次根據客戶訂單進行切片實例的部署。

智能分布式FA網絡切片設計：根據智能分布式FA的業務需求，包括容量、時延、帶寬、安全等級、可靠性等級等，通過網絡切片設計界面進行網絡功能和參數的靈活編排，設計滿足電力業務需求的uRLLC切片。其中核心網可以提供微服務級編排能力，接入網可以對L1物理層、L2協議層和L3 RRC層功能進行選擇和裁剪，傳輸網可以根據時延和隔離性要求，進行傳輸資源、路徑的選擇等。

智能分布式FA網絡切片部署：客戶從訂購界面訂購智能分布式FA切片，并選擇該切片需要具備的SLA能力，切片管理系統一鍵式完成智能分布式FA切片的資源部署、網絡功能加載以及相應的業務配置。

（2）基于5G的智能分布式FA終端間網絡通信

智能分布式FA通訊解決方案的核心思想是基于終端設備間的報文（組播）轉發，通過去中心化實現信息的快速交互，從而進行故障診斷和隔離，如圖3所示。

采用5G作為接入方式后，5G網絡需要支持基于GOOSE的組播報文轉發，主要需要解決以下新的需求。

1）電力終端設備組管理

靜態組方案：組成員由電力管理系統導入核心網控制面，核心網控制面基于導入的信息生成組成員轉發策略，下發到UPF，UPF基于組內成員轉發策略將組播報文在組內分發。

動態組方案：電力終端通過IGMP Join/Leave消息，實現動態組的加入和離開，核心網側支持IGMP Proxy，從而實現組成員的動態管理。

2）組播報文的E2E分發如圖4所示。

電力終端將GOOSE報文通過UDP組播方式向上發送，5G通訊終端支持組播報文識別和轉發，將報文封裝到對應承載。核心網支持組播報文的復制分發，將組播報文復制分發到組播組內成員。

（3）智能分布式FA超低時延業務質量保證

通過網絡切片的微服務級編排能力部署uRLLC切片，同時通過5G技術、MEC技術、永久在線、切片內消息的優先級保證、業務質量監控等技術共同保證智能分布式FA時延需求。

1）5G技術保障低時延

智能分布式FA業務對5G網絡的時延需求是5 ms～6ms（200～500字節大包），而LTE的端到端時延是50 ms～100 ms，無法滿足電力要求，所以需要使用5G新空口、傳輸時延優化以及CN側的時延優化手段。在5G RAN側，主要通過Shortened TTI、快速HARQ、新型幀結構等技術解決超低時延。在TN側，通過優化包交換的排隊技術降低排隊時延，采用靈活以太底層（1.5層）交叉方式實現確定性時延管道，在CN側通過按需調度等技術降低時延。

2）用戶面下沉部署

智能分布式FA通訊解決方案的核心思想是通過電力終端設備間的信息交互進行故障判斷和故障隔離，而且互相通信的終端一般處于一個手拉手環網網絡中，所以可以通過UPF的分布式本地部署方式，降低網絡處理時延。

3）永久在線

STU終端永久在線是基本的要求，因為通過心跳包或者業務包觸發RRC連接建立將無法滿足當次業務低時延業務需求。所以針對智能分布式FA切片，網絡側需要進行終端永久在線配置，保證RRC連接不被釋放。

4）消息優先級控制如圖5所示。

智能分布式FA業務流程共分為兩大類消息：

STU<->STU終端之間發送的消息：采用GOOSE OVER UDP/IP協議，組播，優先級最高，對于時延最敏感（毫秒級），其又可分為心跳消息和故障觸發的狀態組播消息，后者優先級最高，一旦觸發，則停止發送心跳消息。

STU<->控制中心（主站/子站）之間發送的消息：采用標準TCP/IP協議，優先級次之，對于時延不敏感（通信時延秒級），其又可分為統招（遙信、遙測）和遙控（人為指令下發）消息，后者優先級更高。

對于STU采用一個IP地址的場景，可以通過在一個PDU會話中創建不同優先級的QoS flow進行優先級區分。對每個STU配置兩個獨立IP的場景，可以通過創建兩個PDU會話，每個PDU會話內創建不同優先級的QoS flow進行優先級區分。

5）業務質量監控

在智能分布式FA切片系統中，系統可以實時進行業務運行信息監控，包括終端和網絡側運行測量信息。在業務質量不滿足要求的情況下，系統可以啟動閉環控制，如進行擴縮容、配置參數的調整、業務路徑的切換等措施保證業務質量。同時系統還會將業務運行信息發送給電力管理系統，電力管理系統可以根據收集到的業務數據進行業務建模，并進行潛在的價值點挖掘。

（4）網絡切片的安全性如圖6所示。

傳統的移動通信網絡安全機制包括終端接入認證鑒權、用戶面和信令面消息的加密完保、網絡域安全（IPSec）、邊界防火墻等。5G切片使得傳統移動通信網絡架構發生了巨大改變，也導致安全需求發生了變化。為了保證5G電力切片的安全，除了上述傳統安全機制，我們引入了保護等級更高、更靈活、更創新的解決方案。該方案主要包含五個部分：

1）電力切片安全隔離

不同切片之間的資源應該嚴格隔離，借助NFV、SDN等技術，可以在統一的計算平臺上實現5G網元的資源隔離，不同切片之間資源獨享且不可互相訪問。對于安全性要求高的電力切片，可以通過資源編排將電力切片中的網元部署在獨立的物理資源上，在物理資源上實現隔離。

通過5G核心網控制面密鑰推衍能力，可以為電力切片生成獨立的切片控制面密鑰，以實現資源隔離之上的切片信令隔離，進一步增強切片安全。

2）STU切片接入認證

STU網絡接入認證可以保證接入5G網絡的用戶是合法用戶，而STU切片認證可以保證接入切片的STU都是合法授權的切片用戶。切片接入認證由STU、運營商和電力切片租戶共同完成，保證電力切片租戶對切片資源使用的可控性。

3）切片管理接口安全

切片管理接口是電力管理系統和運營商切片管理器的交互接口，用于交互需求信息、切片運行信息等。該管理面接口如果被攻擊，將極大地影響電力切片的安全運行。為此，我們提出了調用切片管理服務的用戶的認證、切片管理服務集中式發現和授權、服務消息傳輸層加密完整性保護等一整套安全機制來保證該接口上消息傳輸的真實性、機密性、完整性和防重放等。

4）差異化的電力切片安全

電力通信要求更高的安全保護等級，所以電力切片提供可定制的安全能力，包括切片內設備的安全配置、加密完整性算法和密鑰長度，以及可編排的安全資源池，如抗DDoS能力、IDS等。電力管理系統向切片管理器發送安全需求，安全管理器將安全需求轉換為安全控制指令，為電力切片配置安全功能和策略，實現差異化的電力切片安全。

5）電力切片智能安全

當前各種新的網絡安全威脅層出不窮，絕大部分傳統的安全機制只能抵抗已知安全威脅。通過引入智能安全，可以發現未知的對電力切片的安全威脅。安全管理器收集切片中與安全相關的數據，借助于人工智能算法對數據進行分析，發現攻擊模式，發出威脅警報，并且可以自動生成安全控制策略以阻止攻擊。

（5）網絡切片的可靠性

自動化配電終端模塊通過標準空口雙鏈路技術或多卡多待方式實現STU到多基站的雙鏈路可靠性傳輸，確保消息的可靠轉發以及小區切換狀態下的零中斷。E2E雙鏈路方案如圖7所示：

STU通過空口雙鏈路或者多卡多待技術接入到不同的基站，實現空口鏈路的可靠性備份機制。傳輸網路徑反親和：基于SDN機制分別實現在Backhaul和Backbone選擇不同的傳輸鏈路，在確保時延符合預期的情況下，盡量選擇走不重疊的鏈路。核心網路徑反親和：在多個UPF上構建用戶上下文，支撐同一用戶多路徑轉發（說明：反親和鏈路指路徑盡可能隔離，可以是物理層硬隔離，也可以是其他方式的軟隔離，確保一條鏈路異常后，另外一條鏈路可用性依然很高）。

（6）網絡切片管理能力的開放性如圖8所示：

當智能分布式FA切片創建完成后，電力租戶希望能實時對切片的運行狀態進行實時查看，如：業務SLA信息、資源使用信息、電力終端的在線狀態等。對于本項目通過切片管理系統的能力開放功能，將租戶關心的業務指標和信息通過API的方式開放給租戶，實現租戶實時地對切片狀態和終端信息進行監控和管理。

3? ?5G切片在電力物聯網的實踐和探索

如圖9所示，以智能配電網站所的智能綜合管控場景為例，直觀展示了5G網絡切片如何從端到端SLA保障、業務隔離性和運營獨立性等多角度滿足智能電網的行業需求，從而全面提升智能配電網站所的管理效率。核心網基于服務化架構（SBA）將網絡功能模塊化，實現定制化網絡切片的快速上線，并基于轉控分離（CUPS）及多接入邊緣計算（MEC）技術為智能電網的配電自動化、精準負荷控制、用電信息采集和分布式能源等不同業務場景提供超高帶寬、超高可靠性、超低時延等網絡質量可保障的虛擬專用網絡，為打造“切片即服務”的創新型商業模式提供網絡技術支撐。同時依托于切片管理器，可以實現電力行業租戶對所租用切片網絡資源的可見可管，有效降低TCO，促進智能電網的創新能力。正是基于這樣的端到端智能電網切片，電網的綜合管控系統通過實時監控、遠程遙控、現場可視化等技術，進一步提升了配電網的科學管控、科學生產及快速排障效率。

4? ?結束語

對于運營商，5G網絡切片將幫助運營商打造敏捷靈活的網絡，將業務延伸到垂直市場，主要表現在：運營商的基礎設施以共享方式提供，極大提升網絡資源的利用效率;運營商提供不同切片能力，可以同時保障垂直行業差異化業務的不同技術要求;靈活開放的網絡架構體系也可為垂直行業提供相對獨立的運營能力，保證其業務開展的靈活性和個性化。對于垂直領域行業，通過與運營商的業務合作，無需建設移動專網，即可更方便、快捷地使用5G網絡，并得到按需的業務保障，提升其快速開展個性化業務的能力，盡快拓展業務市場。

由基于智能電網的應用場景分析可見，不同場景下的業務的要求差異較大，體現在不同的技術指標要求上。運營企業和網絡設備商應針對這些行業的技術指標要求，進一步量化網絡的技術指標和架構設計，包括進一步量化切片安全性要求、業務隔離要求、端到端業務時延要求、協商網絡能力開放要求、網絡管理界面等，以及探討商業合作模式、未來生態環境等，提供滿足電力行業多場景差異化的完整解決方案，并進行技術驗證和示范。

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