5G网络切片技术在电力通信中的研究与应用

5G网络切片技术在电力通信中的研究与应用

陈文专

云南电网有限责任公司文山供电局云南省  文山市  663000

摘要：以新能源为主体的新型电力系统亟须构建“源网荷储”的协同互动，业务将呈现“终端海量接入、信息交互频繁、控制向末梢延伸”的发展态势。5G作为新一代移动通信技术，是未来无线技术的发展方向，为新型电力系统的互联互通提供了新的道路。

关键词：5G网络切片技术；电力通信；应用

1、网络切片概述

立足于不同的角度，各大标准开发组织均对网络切片进行了定义。例如，基于切片与基础设施之间的关系，NGMN将网络切片定义为运行在公共通信网络基础设施之上，并且可进行独立业务操作的虚拟网络。着眼于网络切片的技术实现，ITU将网络切片定义为网络软件化条件下的逻辑隔离网络分区，它需要包含有提供业务支撑的虚拟资源、可编程的数据和控制平面。从市场运营的角度，3GPP将网络切片定义为一种运营商赋能技术，它使得运营商能够针对特定市场场景的不同需求为租户提供优化的网络解决方案。虽然各个标准化组织给出的切片定义不尽相同，但对其所应具有的功能特性却有着基本相似的要求，主要包含以下几个方面。1）定制化要求。网络切片需要向租户提供定制的网络功能、网络资源乃至数据转发机制，以满足不同切片租户在可用性、时延、时延抖动、吞吐量、丢包率等方面的多样化服务需求。2）隔离性要求。共存于公共网络基础设施的多个切片能够独立运行且彼此之间不产生操作和性能的相互干扰，这就要求网络切片在逻辑上是相对独立的，同时也意味着切片需要拥有相对独立的计算、存储和网络资源。3）可靠性要求。切片的可靠性指在综合考虑物理网络元件故障发生概率的情况下，切片服务能够正常交付的概率。为了对于一些可靠性要求较高的服务，网络切片需要通过故障检测、节点/链路备份、多路径传输等机制来确保服务的可靠性得到满足。4）可编程性要求。通过软件编程技术可简化服务提供、网络管理、资源调配等工作。因此网络切片要求实现可编程的用户面/控制面网络功能，同时也应支持向租户提供一定权限的编程接口，以便于其对自身租用的切片进行管理。

2、5G网络切片技术在电力通信中的应用

2.1无线网切片

在基站侧，采用RB资源预留方式，根据业务带宽需求，在三大运营商均配置1%的频谱带宽(上、下行分别采用2个RB资源块，实现理论上行速率为1.5Mb/s,下行速率为10Mb/s),通信终端接入RB资源预留切片信号覆盖强度宜满足参考信号接收功率(ReferenceSignalReceivingPower,RSRP)≥-95dBm且信号与干扰加噪声比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio,SINR)≥3dB;在终端侧，通信终端支持且仅接入一个电力硬切片，支持上下行速率大于10Mb/s,实际速率根据业务需要开通，用户识别卡(SubscriberIdentityModule,SIM)需配置电力统一规划的静态网际互连协议(InternetProtocol,IP)地址，避免IP地址冲突。

2.2智能分布式配电自动化

智能分布式配电自动化系统主要通过继电保护装置检测网络状态下的数据，以快速检测这些受影响的区域，并采取多种手段保证其稳定运行。以往的配电网建设，保护系统没有提供精确的控制，电网的稳定性和可靠性较低。而远程控制系统是目前电力智能控制的主流。采用远程控制系统，当数据处理能力下降时，系统可以执行自动稳定措施，并且将处理时间缩短至毫秒级。这意味着在处理错误时，响应时间更短。其对通信网络的技术要求如下：同步精度为10%;可靠性为99.999%;分散控制节点；连接总数超过1000万数据包/s;网络切片要求为端到端硬切片，独享切片资源；对返回带宽的需求通常是高支持和小流量中断。网络切片技术的应用可以很好地满足上述配电自动化的通信要求。其超低时延、高可靠性、高安全性和高终端密度的特点，能够使智能分布式配电自动化保护具有更好的选择性、灵敏性和快速性。

2.3核心网切片

5G核心网主要通过网络架构服务化、网元功能虚拟化、硬件平台通用化，来构建一个更加扁平、开放、有活力的网络体系。作为网络切片的关键组成部分，核心网切片本质上是根据不同垂直应用的服务需求所定制的多样化核心网功能部署方案。图6通过对3种切片核心网功能的部署选择，直观地给出了核心网切片。其中，UPF，CPFs，AF（applicationfunction）分别为微服务核心网架构中的用户面、控制面和应用功能。需要注意的是，为方便表示，图6中的控制面和用户面功能使用CPFs和UPF统一表示。但在实际网络中，CPFs和UPF可包含多种控制面和用户面功能，例如，CPFs可以包含会话管理功能、移动和接入管理功能、策略控制功能等，UPF可以包含编/解码、加/解密、Web加速、视频优化等网络功能。这些网络功能通过NFV、虚拟机、容器等技术，以相互独立的方式部署于不同层级数据中心的通用服务器之中。

对于时延要求较高的URLLC核心网切片而言，UPF和应用服务功能（如自动驾驶应用功能）可选择部署在靠近用户侧的边缘数据中心，而CPFs则放置于城域数据中心。对于连接数量庞大但时延要求不高的mMTC切片，选择将UPF、CPFs以及应用服务功能（如智能抄表功能）均放置于中心云数据中心，以降低管理成本，提升管理效率。此外，将eMBB切片中的UPF，应用服务功能（如内容分发缓存服务）放置于城域数据中心，控制面功能放置于核心数据中心，则可以有效降低骨干网的传输压力。值得注意的是，除了控制面功能和用户面功能之外，5G核心网切片还支持向垂直行业提供其所需的计算和存储能力，以便于其应用功能的部署。这种方式将推动运营商从传统的“以提供网络资源为中心”运营模式演变为未来的“以提供服务为中心”的运营模式。

2.4无线通信安全防护体系

为保障电力系统网络安全，当采用无线通信方式将各类终端接入电力生产控制大区控制区、生产控制大区非控制区、管理信息大区网络和互联网大区网络时，应设置安全接入区，对原始数据进行加密和协议封装后再在网络中安全传输，同时应在各自的专用通道上使用独立的网络设备组网，实现区域的物理隔离。目前对于5G电力虚拟专网，暂时延用与4G虚拟专网同样的保护措施。

在5G通道安全方面，要求运营商通道达到等保三级，并采取加强设备访问控制、加固网元安全、分配终端固定IP地址等措施，同时开放5G无线接入网/承载网/核心网等切片监视权限。

在终端安全方面，推荐业务终端与通信模块一体设计，通信模块应支持5GSA模式，并采用嵌入式SIM卡、机卡绑定、SIM卡二次鉴权等措施。终端设备应具有国网认证的数据加密功能，对传输数据进行加密，在接收主站下发的指令等关键业务报文时，进行验签。

在业务安全方面，针对不同大区的电力业务终端，应设立各自独立的安全接入区。生产控制大区与安全接入区之间应部署电力专用隔离装置，安全接入区内应部署网络安全监测装置，并采用加密认证技术实现与终端通信的加密传输和安全认证，采用国密算法和签名验签技术实现控制指令的完整性保护。部署可信验证模块、安全操作系统加强重要服务器及终端的安全防护。采用安全监测手段，实现对主站、终端的业务行为和安全事件的监测。

结论

智能电网是我国电力系统的重要发展战略。在电力领域无线专网建设中，常用的5G技术主要包括多天线阵列、新型多址接入技术和异构网络融合技术等。5G电力专网建设中，适合电力业务场景需求的典型电力业务场景包括5G网络切片专网方案、SDN在电网企业中的应用、配网差动保护等。

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