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摘要：隨著智能電網(wǎng)的不斷建設，各種新型業(yè)務出現(xiàn)，配用電通信網(wǎng)面臨日益劇增的數(shù)據(jù)流量和快速增加的終端設備數(shù)量帶來的數(shù)據(jù)傳輸、處理壓力，有必要將網(wǎng)絡切片技術應用到配用電通信網(wǎng)當中。首先分析配用電通信網(wǎng)現(xiàn)狀，以及網(wǎng)絡切片技術及其特點；然后設計了基于網(wǎng)絡切片的配用電通信網(wǎng)架構；最后探討其關鍵技術。以期為網(wǎng)絡切片技術與電力通信網(wǎng)的融合研究作參考。

關鍵詞：配用電通信網(wǎng)；網(wǎng)絡切片；SDN；NFV

引言

智能電電力業(yè)務種類越來越多，分布式能源和儲能設施并網(wǎng)、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?shù)龋紝ε溆秒娡ㄐ畔到y(tǒng)的自動化水平提出很高的要求[1]。配用電通信網(wǎng)絡的構建是實現(xiàn)其智能化的關鍵，通信的網(wǎng)絡的業(yè)務承載能力、靈活的資源調度能力對保證配用電信息傳輸?shù)陌踩院蛯崟r性至關重要[2]。當前的配用電通信網(wǎng)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(yè)務QoS（QualityofService，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(wǎng)絡切片（NetworkingSlice，NS）是5G網(wǎng)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（NetworkFunctionVirtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化）與SDN（SoftwareDefinedNetworking，軟件定義網(wǎng)絡）實現(xiàn)在同一硬件資源平臺上虛擬出多個邏輯獨立的網(wǎng)絡。在硬件資源的虛擬化和SDN控制器對全網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理與調度的條件下，針對不同業(yè)務按需分配網(wǎng)絡功能和資源，能夠靈活滿足業(yè)務的帶寬、時延等要求，實現(xiàn)為差異化的業(yè)務提供定制化服務的功能，使能垂直行業(yè)[5]。本文通過對現(xiàn)有的配用電通信網(wǎng)絡技術和體系架構存在的問題進行分析，提出使用5G網(wǎng)絡切片技術構建智能配用電通信網(wǎng)的必要性；并基于網(wǎng)絡切片技術構建配用電通信網(wǎng)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(wǎng)等關鍵技術。

1配用電通信網(wǎng)現(xiàn)狀

在堅強智能電網(wǎng)和泛在物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展下，配用電終端種類和數(shù)量急劇增加，據(jù)信息海量化，業(yè)務種類多樣化，不同業(yè)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。目前配用電通信網(wǎng)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(yè)務數(shù)據(jù)種類多，通信環(huán)境各異，通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)、電力載波通信、xPON、無線公網(wǎng)等多種通信技術，雖然能夠滿足當前的配用電通信體系業(yè)務需求，但極大地增加了網(wǎng)絡的復雜性和管理維護難度。需針對不同業(yè)務的通信需求建設不同的通信專網(wǎng)，而且軟硬件緊耦合的通信設備價格高昂。

2網(wǎng)絡切片技術

網(wǎng)絡切片是一種虛擬化網(wǎng)絡[7]，在共享物理網(wǎng)絡上提供某些網(wǎng)絡分片，由于其在5G網(wǎng)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(lián)網(wǎng)公司的擁護。SDN和NFV是其實現(xiàn)的基礎[8]，這兩個密切相關的網(wǎng)絡技術正在將現(xiàn)代網(wǎng)絡推向虛擬化和基于軟件的自動化。SDN和NFV允許通過網(wǎng)絡劃分實現(xiàn)網(wǎng)絡靈活性，允許在物理網(wǎng)絡上創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡，共享物理基礎設施，為業(yè)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(xiàn)了軟硬件的解耦和網(wǎng)元的動態(tài)創(chuàng)建。SDN主要思想是實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的控制平面和數(shù)據(jù)轉發(fā)平面的分離，SDN控制器掌握全局的網(wǎng)絡視圖和資源情況，通過南向接口管控轉發(fā)設備的行為動作，通過北向接口為業(yè)務提供不同的應用，通過東西向接口實現(xiàn)控制器和管理平臺的互操作[9]。利用這兩種技術實現(xiàn)網(wǎng)絡切片，當業(yè)務請求到來時，首先識別業(yè)務需要的帶寬、時延等業(yè)務需求，然后為業(yè)務分配不同的切片模板，控制器根據(jù)業(yè)務需求調度相應的虛擬化資源，實例化網(wǎng)絡切片，形成對應的最優(yōu)化邏輯網(wǎng)絡鏈路，達到資源的最優(yōu)化利用、業(yè)務QoS的完全保障和不同業(yè)務間的隔離性要求。作為5G網(wǎng)絡的理想架構，網(wǎng)絡切片具有以下的優(yōu)勢特點：（1）強大的資源共享能力：相較于傳統(tǒng)軟硬件緊耦合的存儲、計算、路由等設施，網(wǎng)絡切片在通用硬件資源平臺構建網(wǎng)元功能供控制器調度使用，各個網(wǎng)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(yè)務搭建物理網(wǎng)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(yè)務確定最優(yōu)化的通信鏈路，靈活調度網(wǎng)絡虛擬資源。（3）可靠的業(yè)務隔離能力：網(wǎng)絡切片提高了業(yè)務間的隔離程度，為不同業(yè)務的安全提供保障。不同業(yè)務切片能夠保障業(yè)務的QoS，不會相互影響。網(wǎng)絡切片的這些特點能夠很好地滿足配用電通信網(wǎng)絡的實時控制業(yè)務和非實時的測量、管理業(yè)務，保障配用電業(yè)務信息傳輸?shù)目煽啃浴崟r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(wǎng)絡切片的配用電通信網(wǎng)

本文基于網(wǎng)絡切片的集中控制和靈活編排特性構建配用電通信網(wǎng)網(wǎng)絡架構，見圖2。配用電接入終端包括配電子站監(jiān)控終端、用電采集終端、分布式電源終端等。由于接入終端數(shù)據(jù)傳輸有不同QoS要求，需構建從接入網(wǎng)到核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡切片。NFV-MANO（NetworkFunctionsVirtualizationManagementandOrchestration，網(wǎng)絡功能虛擬化的管理與編排）負責對虛擬網(wǎng)元和虛擬資源的管理，對網(wǎng)絡切片請求通過控制器調用資源實例化，同時也負責網(wǎng)絡切片編排、監(jiān)管和生命周期的管理。主要由編排器、VIM（VirtualizedInfrastructureManagers，虛擬化基礎設施管理）和VNFM（VirtualizedNetworkFunctionsManagement，虛擬網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)管理控制的可視化操作。控制器集群為多個SDN控制器協(xié)調配合控制鏈路資源的分配與網(wǎng)絡全局視圖的掌控。控制器通過編程可實現(xiàn)自動化編排管理網(wǎng)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(xiàn)故障導致網(wǎng)絡癱瘓，每個管理域需要多個控制器協(xié)調控制，它們之間通過東西向接口進行數(shù)據(jù)交互。根據(jù)業(yè)務要求，控制器能夠為數(shù)據(jù)選擇最優(yōu)的傳輸路徑，同時能夠控制虛擬層網(wǎng)元為數(shù)據(jù)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NFV-MANO的控制、編排供應用層調用，可按需編排網(wǎng)絡切片所需的各種網(wǎng)元功能，對業(yè)務數(shù)據(jù)進行封裝、加密等處理。硬件資源層為專用的數(shù)據(jù)接收、轉發(fā)設備等，包括接入網(wǎng)網(wǎng)元和核心網(wǎng)網(wǎng)元，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能的基礎設施。數(shù)據(jù)經(jīng)虛擬網(wǎng)元進行處理后，利用如現(xiàn)有的OpenFlow交換機，根據(jù)控制器下發(fā)的流表進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)，不需要進行數(shù)據(jù)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(wǎng)絡切片的定制與管理:為了提高業(yè)務需求響應速度和降低網(wǎng)絡切片編排復雜度，需預先編排網(wǎng)絡切片模板。根據(jù)網(wǎng)絡中流量類別，設計能滿足大多數(shù)業(yè)務數(shù)據(jù)的切片模板，當具體業(yè)務接入網(wǎng)絡后，對業(yè)務數(shù)據(jù)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(yè)務的QoS。網(wǎng)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(tǒng)的實時監(jiān)控，及時實例化切片，能夠對切片資源靈活調度，確保網(wǎng)絡資源的合理、高效利用，以及通信網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定運行。（2）控制器集群的組網(wǎng)方式:控制器集群的組網(wǎng)方式是網(wǎng)絡穩(wěn)定的關鍵，集群中的一個或多個控制器出現(xiàn)故障后，能夠及時排除故障并恢復控制是實現(xiàn)堅強可靠配用電通信網(wǎng)的保障，合理的組網(wǎng)方式是實現(xiàn)控制器協(xié)調工作的重點，也是未來面臨的考驗。（3）與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的融合:實際實施基于網(wǎng)絡切片的配用電通信網(wǎng)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(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡互聯(lián)互通，共同完成業(yè)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(xiàn)。

5結論

本文分析了配用電通信網(wǎng)現(xiàn)狀和網(wǎng)絡切片技術及其特點，設計基于網(wǎng)絡切片的配用電通信網(wǎng)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(zhàn)。網(wǎng)絡切片應用于配用電通信網(wǎng)是一個非常豐富的研究領域。如何創(chuàng)造精細化的網(wǎng)絡切片，管理編排切片資源，以及如何與其他網(wǎng)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。

參考文獻

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作者：張馴 朱小琴 王維洲 韓旭杉 袁暉 李志茹 單位：國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院