网络切片下的配用电通信网范文

摘要：随着智能电网的不断建设，各种新型业务出现，配用电通信网面临日益剧增的数据流量和快速增加的终端设备数量带来的数据传输、处理压力，有必要将网络切片技术应用到配用电通信网当中。首先分析配用电通信网现状，以及网络切片技术及其特点；然后设计了基于网络切片的配用电通信网架构；最后探讨其关键技术。以期为网络切片技术与电力通信网的融合研究作参考。

关键词：配用电通信网；网络切片；SDN；NFV

引言

智能电电力业务种类越来越多，分布式能源和储能设施并网、不同用户用电信息的采集与双向互动、电力调度控制信息的传输等，都对配用电通信系统的自动化水平提出很高的要求[1]。配用电通信网络的构建是实现其智能化的关键，通信的网络的业务承载能力、灵活的资源调度能力对保证配用电信息传输的安全性和实时性至关重要[2]。当前的配用电通信网络采用硬件和软件紧耦合的技术，设备之间互通性差，资源利用率低，对种类日益繁多的业务QoS（QualityofService，服务质量）保障难度大，且各种硬件设备升级换代费用价格高昂。网络切片（NetworkingSlice，NS）是5G网络的核心技术[3][4]，能够满足ITU为5G定义的eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量大连接）、URLLC（低时延高可靠）三大应用场景。通过NFV（NetworkFunctionVirtualization，网络功能虚拟化）与SDN（SoftwareDefinedNetworking，软件定义网络）实现在同一硬件资源平台上虚拟出多个逻辑独立的网络。在硬件资源的虚拟化和SDN控制器对全网资源的统一管理与调度的条件下，针对不同业务按需分配网络功能和资源，能够灵活满足业务的带宽、时延等要求，实现为差异化的业务提供定制化服务的功能，使能垂直行业[5]。本文通过对现有的配用电通信网络技术和体系架构存在的问题进行分析，提出使用5G网络切片技术构建智能配用电通信网的必要性；并基于网络切片技术构建配用电通信网络，满足配用电领域对通信能力不断增长的需求；最后探讨切片的定制管理和控制器集群组网等关键技术。

1配用电通信网现状

在坚强智能电网和泛在物联网的不断发展下，配用电终端种类和数量急剧增加，据信息海量化，业务种类多样化，不同业务传输、处理需求各不相同，具有不同的带宽、时延、安全性、可靠性等指标要求。目前配用电通信网主要采用光纤技术和无线技术结合的方式[6]，采用三层结构：接入层、汇聚层和骨干层。由于通信业务数据种类多，通信环境各异，通信方式采用工业以太网、电力载波通信、xPON、无线公网等多种通信技术，虽然能够满足当前的配用电通信体系业务需求，但极大地增加了网络的复杂性和管理维护难度。需针对不同业务的通信需求建设不同的通信专网，而且软硬件紧耦合的通信设备价格高昂。

2网络切片技术

网络切片是一种虚拟化网络[7]，在共享物理网络上提供某些网络分片，由于其在5G网络应用中的广阔前景和核心地位，受到各个运营商、通信设备厂商和互联网公司的拥护。SDN和NFV是其实现的基础[8]，这两个密切相关的网络技术正在将现代网络推向虚拟化和基于软件的自动化。SDN和NFV允许通过网络划分实现网络灵活性，允许在物理网络上创建多个虚拟网络，共享物理基础设施，为业务按需提供特定服务。其技术架构见图1。NFV运用虚拟化技术，将物理资源抽象为虚拟资源池，供上层应用使用，实现了软硬件的解耦和网元的动态创建。SDN主要思想是实现网络设备的控制平面和数据转发平面的分离，SDN控制器掌握全局的网络视图和资源情况，通过南向接口管控转发设备的行为动作，通过北向接口为业务提供不同的应用，通过东西向接口实现控制器和管理平台的互操作[9]。利用这两种技术实现网络切片，当业务请求到来时，首先识别业务需要的带宽、时延等业务需求，然后为业务分配不同的切片模板，控制器根据业务需求调度相应的虚拟化资源，实例化网络切片，形成对应的最优化逻辑网络链路，达到资源的最优化利用、业务QoS的完全保障和不同业务间的隔离性要求。作为5G网络的理想架构，网络切片具有以下的优势特点：（1）强大的资源共享能力：相较于传统软硬件紧耦合的存储、计算、路由等设施，网络切片在通用硬件资源平台构建网元功能供控制器调度使用，各个网元设备互通性极强，功能升级只需要进行相应的软件配置，无需专门为某种业务搭建物理网络。（2）灵活的资源调度能力：控制器能够分析全局的资源使用情况，为业务确定最优化的通信链路，灵活调度网络虚拟资源。（3）可靠的业务隔离能力：网络切片提高了业务间的隔离程度，为不同业务的安全提供保障。不同业务切片能够保障业务的QoS，不会相互影响。网络切片的这些特点能够很好地满足配用电通信网络的实时控制业务和非实时的测量、管理业务，保障配用电业务信息传输的可靠性、实时性和多样性，降低配用电通信的建设、升级费用，极大地减轻人力资源的使用。

3基于网络切片的配用电通信网

本文基于网络切片的集中控制和灵活编排特性构建配用电通信网网络架构，见图2。配用电接入终端包括配电子站监控终端、用电采集终端、分布式电源终端等。由于接入终端数据传输有不同QoS要求，需构建从接入网到核心网的端到端网络切片。NFV-MANO（NetworkFunctionsVirtualizationManagementandOrchestration，网络功能虚拟化的管理与编排）负责对虚拟网元和虚拟资源的管理，对网络切片请求通过控制器调用资源实例化，同时也负责网络切片编排、监管和生命周期的管理。主要由编排器、VIM（VirtualizedInfrastructureManagers，虚拟化基础设施管理）和VNFM（VirtualizedNetworkFunctionsManagement，虚拟网络功能管理）组成。管理应用层通过SDN控制器提供的北向接口定制各种应用功能，负责全局的管控，调用相应的功能软件，与MANO配合管理网络切片。包括配电自动化平台、用电信息采集平台、分布式电源管理平台、营销管理平台等，实现管理控制的可视化操作。控制器集群为多个SDN控制器协调配合控制链路资源的分配与网络全局视图的掌控。控制器通过编程可实现自动化编排管理网络，由于单个控制器处理能力有限，也为了避免单个控制器出现故障导致网络瘫痪，每个管理域需要多个控制器协调控制，它们之间通过东西向接口进行数据交互。根据业务要求，控制器能够为数据选择最优的传输路径，同时能够控制虚拟层网元为数据进行特定的处理。虚拟化资源层通过虚拟机在通用的硬件平台虚拟化出虚拟资源池，通过SDN控制器和NFV-MANO的控制、编排供应用层调用，可按需编排网络切片所需的各种网元功能，对业务数据进行封装、加密等处理。硬件资源层为专用的数据接收、转发设备等，包括接入网网元和核心网网元，是实现数据传输功能的基础设施。数据经虚拟网元进行处理后，利用如现有的OpenFlow交换机，根据控制器下发的流表进行数据的转发，不需要进行数据的处理，设备的功能升级只需要升级相应的软件即可。

4关键技术

（1）配用电网络切片的定制与管理:为了提高业务需求响应速度和降低网络切片编排复杂度，需预先编排网络切片模板。根据网络中流量类别，设计能满足大多数业务数据的切片模板，当具体业务接入网络后，对业务数据流量进行识别分类，匹配预先设计的最佳模板，再调用相应的资源作为切片实例化的补充，很好地满足配用电通信业务的QoS。网络切片的管理为全生命周期，从模板定制到实例化，再到切片的释放，每一个阶段需要管理编排系统的实时监控，及时实例化切片，能够对切片资源灵活调度，确保网络资源的合理、高效利用，以及通信网络的安全稳定运行。（2）控制器集群的组网方式:控制器集群的组网方式是网络稳定的关键，集群中的一个或多个控制器出现故障后，能够及时排除故障并恢复控制是实现坚强可靠配用电通信网的保障，合理的组网方式是实现控制器协调工作的重点，也是未来面临的考验。（3）与传统网络的融合:实际实施基于网络切片的配用电通信网是一个循序渐进的过程，存在两者并存工作的阶段。X新型网络与传统网络互联互通，共同完成业务的处理是研究的关键点，需要采取较为全面的策略进一步实现。

5结论

本文分析了配用电通信网现状和网络切片技术及其特点，设计基于网络切片的配用电通信网架构，并详细分析了架构内容，以及未来面临的关键技术挑战。网络切片应用于配用电通信网是一个非常丰富的研究领域。如何创造精细化的网络切片，管理编排切片资源，以及如何与其他网络互连，是值得深入研究的问题，我们需要更多的研究工作来解决这些难题。

参考文献

[1]甄冲,黄辉,郑宝,等.智能配用电通信网络的研究[J].电测与仪表,2017,54(04):22-27.

[2]刘禹,陈星莺,杨永标,等.智能配用电信息交互的典型模式[J].电力建设,2015,36(08):1-6.

[4]项弘禹,肖扬文,张贤,等.5G边缘计算和网络切片技术[J].电信科学,2017,33(06):54-63.

[5]王庆扬,谢沛荣,熊尚坤,等.5G关键技术与标准综述[J].电信科学,2017,33(11):112-122.

[6]李温静,汪玉成,徐彬,等.配用电通信网网络管理与在线监测技术研究[J].自动化与仪器仪表,2018,(04):27-30.

[8]安琪,刘艳萍,孙茜,等.基于SDN与NFV的网络切片架构[J].电信科学,2016,32(11):119-126.

[9]宋菲,侯乐青.SDN/NFV标准及开源项目发展现状研究[J].信息通信技术,2016(1):63-67.

作者：张驯 朱小琴 王维洲 韩旭杉 袁晖 李志茹 单位：国网甘肃省电力公司电力科学研究院