基于網絡切片的配用電通信網研究

張馴，朱小琴，王維洲，韓旭杉，袁暉，李志茹

（1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院, 甘肅蘭州，730070；2.國網甘肅省電力公司，甘肅蘭州，730046）

0 引言

智能電電力業務種類越來越多，分布式能源和儲能設施并網、不同用戶用電信息的采集與雙向互動、電力調度控制信息的傳輸等，都對配用電通信系統的自動化水平提出很高的要求[1]。配用電通信網絡的構建是實現其智能化的關鍵，通信的網絡的業務承載能力、靈活的資源調度能力對保證配用電信息傳輸的安全性和實時性至關重要[2]。當前的配用電通信網絡采用硬件和軟件緊耦合的技術，設備之間互通性差，資源利用率低，對種類日益繁多的業務QoS（Quality of Service，服務質量）保障難度大，且各種硬件設備升級換代費用價格高昂。

網絡切片（Networking Slice，NS）是5G 網絡的核心技術[3][4]，能夠滿足ITU為5G 定義的eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量大連接）、URLLC（低時延高可靠）三大應用場景。通過NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）與 SDN（Software Defined Networking，軟件定義網絡）實現在同一硬件資源平臺上虛擬出多個邏輯獨立的網絡。在硬件資源的虛擬化和SDN 控制器對全網資源的統一管理與調度的條件下，針對不同業務按需分配網絡功能和資源，能夠靈活滿足業務的帶寬、時延等要求，實現為差異化的業務提供定制化服務的功能，使能垂直行業[5]。

本文通過對現有的配用電通信網絡技術和體系架構存在的問題進行分析，提出使用5G 網絡切片技術構建智能配用電通信網的必要性；并基于網絡切片技術構建配用電通信網絡，滿足配用電領域對通信能力不斷增長的需求；最后探討切片的定制管理和控制器集群組網等關鍵技術。

1 配用電通信網現狀

在堅強智能電網和泛在物聯網的不斷發展下，配用電終端種類和數量急劇增加，據信息海量化，業務種類多樣化，不同業務傳輸、處理需求各不相同，具有不同的帶寬、時延、安全性、可靠性等指標要求。

圖1 網絡切片技術架構

目前配用電通信網主要采用光纖技術和無線技術結合的方式[6]，采用三層結構：接入層、匯聚層和骨干層。由于通信業務數據種類多，通信環境各異，通信方式采用工業以太網、電力載波通信、xPON、無線公網等多種通信技術，雖然能夠滿足當前的配用電通信體系業務需求，但極大地增加了網絡的復雜性和管理維護難度。需針對不同業務的通信需求建設不同的通信專網，而且軟硬件緊耦合的通信設備價格高昂。

2 網絡切片技術

網絡切片是一種虛擬化網絡[7]，在共享物理網絡上提供某些網絡分片，由于其在5G 網絡應用中的廣闊前景和核心地位，受到各個運營商、通信設備廠商和互聯網公司的擁護。SDN 和NFV 是其實現的基礎[8]， 這兩個密切相關的網絡技術正在將現代網絡推向虛擬化和基于軟件的自動化。SDN和NFV 允許通過網絡劃分實現網絡靈活性，允許在物理網絡上創建多個虛擬網絡，共享物理基礎設施，為業務按需提供特定服務。其技術架構見圖1。

NFV 運用虛擬化技術，將物理資源抽象為虛擬資源池，供上層應用使用，實現了軟硬件的解耦和網元的動態創建。SDN 主要思想是實現網絡設備的控制平面和數據轉發平面的分離，SDN 控制器掌握全局的網絡視圖和資源情況，通過南向接口管控轉發設備的行為動作，通過北向接口為業務提供不同的應用，通過東西向接口實現控制器和管理平臺的互操作[9]。利用這兩種技術實現網絡切片，當業務請求到來時，首先識別業務需要的帶寬、時延等業務需求，然后為業務分配不同的切片模板，控制器根據業務需求調度相應的虛擬化資源，實例化網絡切片，形成對應的最優化邏輯網絡鏈路，達到資源的最優化利用、業務QoS 的完全保障和不同業務間的隔離性要求。

作為5G網絡的理想架構，網絡切片具有以下的優勢特點：

（1）強大的資源共享能力：相較于傳統軟硬件緊耦合的存儲、計算、路由等設施，網絡切片在通用硬件資源平臺構建網元功能供控制器調度使用，各個網元設備互通性極強，功能升級只需要進行相應的軟件配置，無需專門為某種業務搭建物理網絡。

（2）靈活的資源調度能力：控制器能夠分析全局的資源使用情況，為業務確定最優化的通信鏈路，靈活調度網絡虛擬資源。

（3）可靠的業務隔離能力：網絡切片提高了業務間的隔離程度，為不同業務的安全提供保障。不同業務切片能夠保障業務的QoS，不會相互影響。

圖2 基于網絡切片的配用電通信網架構

網絡切片的這些特點能夠很好地滿足配用電通信網絡的實時控制業務和非實時的測量、管理業務，保障配用電業務信息傳輸的可靠性、實時性和多樣性，降低配用電通信的建設、升級費用，極大地減輕人力資源的使用。

3 基于網絡切片的配用電通信網

本文基于網絡切片的集中控制和靈活編排特性構建配用電通信網網絡架構，見圖2。

配用電接入終端包括配電子站監控終端、用電采集終端、分布式電源終端等。由于接入終端數據傳輸有不同QoS 要求，需構建從接入網到核心網的端到端網絡切片。

NFV-MANO（Network Functions Virtualization Management and Orchestration，網絡功能虛擬化的管理與編排）負責對虛擬網元和虛擬資源的管理，對網絡切片請求通過控制器調用資源實例化，同時也負責網絡切片編排、監管和生命周期的管理。主要由編排器、VIM（Virtualized Infrastructure Managers，虛擬化基礎設施管理）和VNFM（Virtualized Network Functions Management，虛擬網絡功能管理）組成。

管理應用層通過SDN 控制器提供的北向接口定制各種應用功能，負責全局的管控，調用相應的功能軟件，與MANO 配合管理網絡切片。包括配電自動化平臺、用電信息采集平臺、分布式電源管理平臺、營銷管理平臺等，實現管理控制的可視化操作。

控制器集群為多個SDN 控制器協調配合控制鏈路資源的分配與網絡全局視圖的掌控。控制器通過編程可實現自動化編排管理網絡，由于單個控制器處理能力有限，也為了避免單個控制器出現故障導致網絡癱瘓，每個管理域需要多個控制器協調控制，它們之間通過東西向接口進行數據交互。根據業務要求，控制器能夠為數據選擇最優的傳輸路徑，同時能夠控制虛擬層網元為數據進行特定的處理。

虛擬化資源層通過虛擬機在通用的硬件平臺虛擬化出虛擬資源池，通過SDN 控制器和NFVMANO 的控制、編排供應用層調用，可按需編排網絡切片所需的各種網元功能，對業務數據進行封裝、加密等處理。

硬件資源層為專用的數據接收、轉發設備等，包括接入網網元和核心網網元，是實現數據傳輸功能的基礎設施。數據經虛擬網元進行處理后，利用如現有的OpenFlow 交換機，根據控制器下發的流表進行數據的轉發，不需要進行數據的處理，設備的功能升級只需要升級相應的軟件即可。

4 關鍵技術

（1）配用電網絡切片的定制與管理：為了提高業務需求響應速度和降低網絡切片編排復雜度，需預先編排網絡切片模板。根據網絡中流量類別，設計能滿足大多數業務數據的切片模板，當具體業務接入網絡后，對業務數據流量進行識別分類，匹配預先設計的最佳模板，再調用相應的資源作為切片實例化的補充，很好地滿足配用電通信業務的QoS。

網絡切片的管理為全生命周期，從模板定制到實例化，再到切片的釋放，每一個階段需要管理編排系統的實時監控，及時實例化切片，能夠對切片資源靈活調度，確保網絡資源的合理、高效利用，以及通信網絡的安全穩定運行。

（2）控制器集群的組網方式：控制器集群的組網方式是網絡穩定的關鍵，集群中的一個或多個控制器出現故障后，能夠及時排除故障并恢復控制是實現堅強可靠配用電通信網的保障，合理的組網方式是實現控制器協調工作的重點，也是未來面臨的考驗。

（3）與傳統網絡的融合：實際實施基于網絡切片的配用電通信網是一個循序漸進的過程，存在兩者并存工作的階段。X 新型網絡與傳統網絡互聯互通，共同完成業務的處理是研究的關鍵點，需要采取較為全面的策略進一步實現。

5 結論

本文分析了配用電通信網現狀和網絡切片技術及其特點，設計基于網絡切片的配用電通信網架構，并詳細分析了架構內容，以及未來面臨的關鍵技術挑戰。

網絡切片應用于配用電通信網是一個非常豐富的研究領域。如何創造精細化的網絡切片，管理編排切片資源，以及如何與其他網絡互連，是值得深入研究的問題，我們需要更多的研究工作來解決這些難題。