基于5G 網絡切片技術的農網智能監控傳輸應用

及翠婷,王佳君

(國網河北省電力有限公司信息通信分公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著智能電網與物聯網的深度融合發展,大容量、低時延、高速率、海量接入的業務特性,以及多元化集成信息的承載傳輸,成為電網智能化升級的高級需求,而5G 的到來則為實現以上需求帶來了可能。5G 的高速率可為海量數據的傳輸提供強有力支撐,低時延技術可以實現電力業務的毫秒級精準控制[1]。在5G 時代,電力和信息將更好地實現互聯互通,5G 網絡承載電力多元化業務的可行性也將被進一步拓展。

農網領域涉及千百種差異化場景,其承載的數據信息兼具海量、復雜特性,且涉及聲音、圖像、視頻等多元信息的融合傳輸,因此,對于網絡資源、系統性能、用戶體驗等需求各式各樣。如按傳統的思路構建多個專網來傳輸,勢必造成基礎設施和網絡功能的巨大浪費;若基于傳統的單一網絡同時為多個差異化業務提供服務,又會導致一系列諸如體驗效果差、管理能效低、網絡架構復雜、運維支持難等問題。因此提出了一種基于5G網絡切片技術的農網多元信息傳輸的切片方案,實現網絡資源的按需分配使用。

1 網絡切片需求分析

5G 網絡共定義了e MBB(Enhanced Mobile Broadband,增強型移動寬帶)、m MTC (Massive Machine Type Communications,大規模機器類型通信)、uRLLC(Ultra-reliable and Low-latency Communications,超可靠、低時延通信)三大基礎應用場景,且在多媒體、智慧城市、人工智能等多種領域已有廣泛涉及和成熟應用。電網場景的信息傳輸需求均可基于5G 網絡中的三大基礎場景的加權組合實現。為進一步滿足電網多元化融合業務承載需求,需要更加實時、可靠、高效的通信網絡來堅強支撐,5G 中的“網絡切片”技術具備十分靈活的差異化業務服務能力,且網絡資源全過程可見、全方位可控,能促進電網運營成本再降低,技術應用再創新。

2 網絡切片架構及分片技術

2.1 架構原理

網絡切片的整體架構見圖1。

圖1 5G網絡切片架構

基礎設施層提供所需的資源和基礎;網絡切片層基于基礎設施層構建,聚合所需的網絡功能以形成端到端的邏輯虛擬網絡,每張端到端的虛擬網絡均由接入網、傳輸網、核心網3種子切片構成,以便實現一張物理網絡資源的整體虛擬切割;切片管理層用于網絡切片從“準備、試運行、實施、下線”四階段全生命周期的管理。其中,“準備階段”依據差異化業務定義通信場景需求、適配切片模板,并搭建網絡環境與用戶服務界面;“試運行階段”根據確定的業務需求部署適配的切片,配置基本數據、路由信息等;“實施階段”意味著切片正式運行,主要實現切片激活、切片優化、切片容量調整等;“下線階段”主要負責切片的去激活、服務終止、資源回收等[2]。

2.2 實現技術

接入網、傳輸網、核心網均可采用網絡切片技術實現新突破。其中,核心網子切片主要基于SDN/NFV (Software Defined Network/Network Function Virtualization,軟件定義網絡/網絡虛擬化)技術,將網絡功能與實體網元解綁,形成服務化組件;傳輸承載網是一個支持多業務服務的網絡,對各子切片間的隔離程度要求甚高,一般通過基于時分復用機制的硬切分與基于頻分復用機制的軟切分方式實現,以便最終產生能夠分別承載不同的切片業務的一系列物理隔離的獨立子信道[3]和多個相互獨立的邏輯通道;無線網子切片依據業務場景,通過靈活切分和部署CU(Centralized Unit,集中單元)/DU(Distribute Unit,分布單元)、SDN/NFV等技術而實現,并采用靜態、動態的分配方式劃分空中無線資源[4]。NSSAI(Network Slice Selection Assistance Information,網絡切片選擇輔助信息)作為網絡切片的唯一特定標識參數,可供終端精準標識出不同的切片類型。

3 網絡切片技術在農網智能監控傳輸中的應用

3.1 農網智能監控傳輸業務分析

為確保農網安全穩定精準運行,農網系統中需采集并傳輸多元業務數據,重點包括表1所列的3類信息:監測類、感知類、控制類,每一類數據均與某類適用場景相對應。

表1 農網智能監控業務信息

隨著新農村建設步伐的逐步加快,對農村電網可持續提供優質電能、24 h平穩運行功能提出了日益嚴格的要求?，F在城網設備、線路、故障等視頻監控大多以裸光纖或MSTP(Multi-Service Transfer Platform,多業務傳送平臺)為代表的專線網絡接入為主,無法覆蓋城市邊緣區域、鄉村、山區等不適宜搭建專線網絡的特殊地區[5]。農網監控涉及系統運行監視、電能波動擾動監測、突發事件監測及預警等眾多場景,且網絡可能分布在山地、湖泊、樹林、雪原等偏遠復雜地帶,因此對傳輸視頻的清晰度、流暢度、實時性提出了嚴峻挑戰。隨著視頻清晰度向標清-高清-超高清標準的演進,監控設備所采集的數據對農網傳輸性能的要求也相應逐級升高。

表2 4G/5G網絡關鍵指標對比

表2對比分析的是4G網絡和5G網絡關鍵指標性能,4G網絡擁有50 Mb/s的用戶體驗速率、50 ms的網絡時間延遲,若采用4G組網模式補盲農村城鎮等邊遠地區的監控措施,則無法保障傳輸的視頻畫面實時可靠、清晰流暢。過渡到5G 網絡時,速率和時延均有較大的飛躍,因此,農網視頻監控可基于5G網絡所定義的3種基礎場景組合實現,尤其是eMBB場景具有大帶寬、廣覆蓋特點,用戶上行速率500 Mb/s、下行速率1 Gb/s,對于4K 或8K 的超高清視頻有較強的業務傳輸承載能力,使實時監測異常情況、處理緊急事件成為可能。

3.2 農網傳輸原理架構及切片傳輸方案

農網智能實時監控的關鍵主要依賴于圖像、視頻等大數據的分析處理,涉及人臉識別、場景識別、突發事件監測及預警等,因此,對網絡傳輸的穩定性、安全性、有效性等要求極高。5G 網絡的核心切片技術可根據差異化場景業務需求,在現有通用的網絡基礎設施上能夠靈活設計網絡傳輸結構,從而提供相互隔離的專用移動網絡,以實現監控視頻全覆蓋、高可靠穩定傳輸。

3.2.1 農網監控整體組網架構

農網監控場景組網架構見圖2,包含終端接入網、傳輸承載網、核心控制網等。

圖2 監控場景組網架構

圖2中的5G CPE(Customer Premise Equipment,客戶終端設備)是一種收發Wi-Fi(Wireless Fidelity,無線保真)信號的無線終端接入設備,主要接收5G 網絡信號,并以此建立一個Wi-Fi網絡,具體可把運營商信號變成Wi-Fi信號,并進行信號的二次中繼,以便延長Wi-Fi的覆蓋范圍,減少信號盲點區域,以便支持無人機、攝像頭、巡檢機器等更多的視頻圖像信息采集終端接入網絡。

5G小基站主要功能是提供無線覆蓋,即實現有線網絡與CPE之間的無線信號傳輸,其引入超密集組網架構,能數百倍的提升數據容量,且具有低功耗、低成本、可擴展、易部署等多重優點,能夠有效解決農網偏遠地段監控盲點網絡覆蓋的問題。

EPC(Evolved Packet Core,分組核心網)和5GC(5th-Generation Core,5G 核心)均為核心網絡,作為承載網絡提供到外部網絡的接口,主要負責將基站發射的信號存儲至視頻云上,或通過專線形式送至電網監控中心,從而完成用戶連接、用戶管理、業務承載等業務。

電網傳輸監控中心由視頻應用平臺、應急指揮調度平臺、指揮平臺組成。其中,視頻應用平臺負責接收播放視頻圖像;應急指揮調度平臺負責依據監測的異常情況處理緊急事件;指揮平臺通過發出特定控制指令協調各平臺有序平穩安全運行。

3.2.2 多元監控信息傳輸機制

針對農網專用通信網承載存在可靠性差、同步難、帶寬利用率低等傳輸問題,基于5G 網絡切片原理及關鍵技術,提出一種優化的多元監控信息傳輸機制,其傳輸層切片子網流程,包含5大功能模塊,每一模塊負責執行特定功能,見圖3。

圖3 傳輸切片子網原理架構示意

模塊功能詳述如下。

a.切片劃分。接收農網監測、感知、控制等多元化數據信息,進行分類,邏輯上劃分成多個互相獨立的固定規模的小型數據塊,以便匹配合適的傳輸通道。

b.切片選擇。相當于數據通道的總開關,通過對協議棧的裁剪定制以及對時頻資源進行軟切或硬切,為數據塊匹配最優化的傳輸通道。

c.Slice(切片)N。傳輸數據的切片通道,用于承載所要傳輸的數據塊,每個Slice均帶有唯一不同ID(Identity Document,身份識別)碼,確保能被接收端唯一識別。

d.增減切片和伸縮切片在整個傳輸網絡中負責資源調度和流量控制。其中,切片增減負責接收切片伸縮模塊反饋信息,若識別為“1”(網絡閾值告警信息),則啟動切片新增功能,重新分配一個全新的網絡切片使用;若識別為“0”(空閑切片提示信息),則需精準定位空閑網絡切片位置,確認此網絡切片生命周期結束,并執行撤銷功能。切片伸縮主要在切片規定容量內可根據農網實際業務量對網絡資源進行靈活擴容、縮容和動態調整,實現流量均衡。切片伸縮與切片增減模塊需實時交互信息,一旦監測到slice N 中的某一切片達到滿容或空閑時,則即刻反饋告警或提示信息至“切片增減”模塊進行切片的新增或刪除。

同時,每個傳輸切片子網還可進一步設計包括控制策略和終端接入機制等完整的網絡資源,能夠針對差異化業務場景,在速率、時延、安全、計費、業務感知、鑒權認證等方面的不同需求,靈活分配并有效調整傳輸網資源,以更低成本提供個性化網絡服務。

4 應用效果

在實驗條件下,測得視頻傳輸指標如下。

a.傳輸速率方面。采用網絡切片傳輸時,視頻圖像傳速率穩定保持在600 Mb/s以上,最高可達908 Mb/s,相比于專網平均傳輸速率的72.6 Mb/s,有著較為明顯的提高。

b.畫面質量方面。壞幀、掉幀率下降至0.2%,畫面卡頓、圖像模糊、雪花屏等故障率降至1.3%,視頻更清晰、更流暢。

c.傳輸延時方面。視頻從攝像頭采集監控器播放,全過程時間可控制在12 ms,幾乎感覺不到延時。

d.網絡吞吐量方面。理論上可允許千億量級終端接入,是4G 網絡承載傳輸網所無法比擬的。

e.監控范圍方面?？扇菁{信息采集終端數量的大幅增加及網絡的高頻傳輸,使得監控覆蓋范圍可由4G 網絡時代的82%提高至98.8%,能夠大面積去除監控盲區,幾乎可以實現山區郊縣等偏遠區域的全覆蓋。

綜上所述,在農網智能監控中應用5G 網絡切片技術傳輸多元化視頻業務,可以從網絡穩定性、信息安全性、傳輸有效性三方面取得顯著效果,為實現農網監控視頻全覆蓋、高可靠穩定傳輸提供了必要保障。

5 結束語

智能電網和工業物聯網的變革導致4G 網絡已無法滿足更高、更快、更安全的發展要求,5G 將以其大帶寬、低時延、海量接入的顯著特征和網絡切片、邊緣計算等創新技術,實現電網“業務個性化、傳輸多元化”通信需求的“量身定制”。農網將借助5G 網絡的巨大優勢,迅速進入更快、更優、更穩定的全新智能時代[6],海量多元數據信息的融合傳輸也將大力推動電網智能化發展,為新農村建設帶來新的發展機遇。