网络切片及其在新型分布式能源系统中的应用

王道谊周文安

(1.中信通信项目管理有限责任公司,北京 朝阳100020;2.北京邮电大学计算机学院,北京 海淀100876)

0 引言

当前,去中心化浪潮席卷全球,人们生产、生活方式正在发生巨大变革。社会生产资源组织方式从集中方式向集中方式和分布方式相结合的集成方式转变。

新型分布式能源技术的广泛应用使电力系统成为去中心化浪潮的弄潮者。传统的分布式发电起源于1882年,其标志为爱迪生建造的第一个用于给附近用电设备供电的电厂。概括来讲,发电系统的发展可以分为如下三个阶段:

(1)1880到1910年为传统分布式发电阶段,通过在用户附件建设小型电厂向用户供电。

(2)1910到2000年为第二阶段,通过装机容量达到千兆瓦级的大型电厂以集中方式供电。

(3)2000年至今为第三阶段,新型分布式发电出现使发电方式向集成方式转变。通用电气(GE)预测,到2020年新增电力容量的42%来自分布式发电。

除了新型分布式发电技术进步以及电力输送网络建设投资大、建设周期长、无法满足快速增长的用电需求外,数字化浪潮是推动新型分布式发电的主要驱动力之一。

数字化浪潮使信息技术中的硬件、软件、通信技术广泛渗透到商业、社交网络,成为去中心化的加速器。嵌入在分布式能源系统中的数字控制系统使远程操作和降低成本成为可能。互联网和工业场站的结合使孤立的分散能源系统变成可以远程控制、协同工作的虚拟电厂。更进一步,结合云计算、大数据、人工智能和移动泛在连接等技术,未来互联网化的分布能源系统还能够提供决策支持,能够更高效地支撑系统运行、能源交易和用户服务。

虚拟电厂(virtual power plant,VPP)是工业互联网技术和分布发电技术相结合典型系统,是利用工业互联网技术实现统一控制下协同工作的一组分布式发电系统。集中控制可以使分布式个体发电单元有能力在用电高峰期间接入电网。VPP可以作为大型电厂的补充,并能够灵活、快速地应对电力使用方面的波动[1]。

数字化浪潮会把分布式能源推向另一个高潮,将对发电、电力输送、分配、储能和用电等各个环节产生重大影响。同时,电力系统数字化对信息技术和通信技术的需求也向多元化发展。本文重点介绍网络切片(Network Slicing)技术及其在新型分布式能源系统中的应用。

1 使用网络切片的必要性

1.1 信息技术与通信技术融合满足多元化需求

新型分布式能源系统对信息技术(IT)和通信技术(CT)的需求呈多元化趋势。仅从智能制造角度看,电力系统中的场站需求涉及发电自动化、过程控制、人机接口、物流与仓储管理、远程访问监控和维护等。就时延特性而言,频率控制和分布式电压控制时延要求为几十ms,分布式故障自动倒换隔离要求的时延指标为几ms,而精确负载控制需要达到毫秒级时延[2]。就带宽要求而言,基于增强现实(augmented reality,AR)技术的人机交互需要百Mbps级带宽,而很多自动控制类应用所需的带宽只有kbps级。综合考虑集中发电系统、虚拟发电系统、电力输送分配存储和客户服务等多种应用场景,需求会更加复杂,其中信息系统和通信系统安全隔离方面的要求会更加重要。

仅仅从通信技术入手无法满足上述多元化实际需要,要把通信技术和信息技术融合考虑。网络切片技术将终端、网络和服务器系统协同调配,兼顾信息处理能力和通信能力,在物理网络之上构建多个逻辑网络切片,在满足不同场景需要的同时降低数字化成本,提高系统的效率和灵活性。

1.2 行业自主发展的需要

利用QoS (quality of service)技术,如DiffServ(differentiated services),在特定的网络中可以区分管理不同类型的IP流量,如语音、视频、文字等。利用VPN(virtual private network)技术,如IP隧道,在互联网中把特定流量进行分离传输、交换,以确保该流量在传输过程中处于专用的通道内,可以防止信息泄露和信息入侵。利用SDN(software defined network)可以将控制面和用户面分离,便于对网络流量进行灵活性控制。利用NFV(network function virtualization)技术,可以把信息通信系统中的部分功能虚拟化,更容易应需求变化而快速调配资源。

上述功能和第五代蜂窝移动通信系统(5G)中的网络切片虽有重叠,但网络切片可以对用户提供端到端的虚拟网络。而现有的QoS的技术虽然能够区分不同类型的业务流量,但无法区分不同用户相同的业务流量,也不能对特定业务进行隔离保护。如生产控制类设备的数据具有很高的安全保护要求,此时不对业务进行隔离会带来巨大的信息安全风险。

对于电力系统的行业用户来讲,长期租用一个切片,用于连接智能电网中的传感器、计量器、控制器等,可以独立优化电力物联网切片。根据自身的需要独立使用网络切片,通过与移动网络深度融合,实现对云计算、大数据、人工智能和移动互联等先进技术深度整合,是支撑集成发电模式创新发展的关键[3-4]。

1.3 共享数字经济基础设施的需要

行业数字化为行业发展开拓无限发展机会的同时,也带来巨大的挑战。除了大规模资金投入外,还面临专业人力资源队伍缺乏等方面的挑战。网络切片使多个行业共享一张物理网络成为可能,可以有效降低投资规模和对人力资源技术力量的要求。

2 网络切片的构成

目前在IP网领域,IETF正在考虑更新MPLS/SDN等技术规范以支持网络切片。在移动网领域,3GPP制定网络切片的运营管理框架,以及网络切片所需的终端和网络实体间的信令和规程。

5G网络切片包括无线接入网(RAN)功能实体(NF)和核心网(CN)功能实体两个部分。从完整的行业应用角度看,网络切片还涉及终端、承载传输网(TN)和应用服务器以及相应的管理系统,如图1所示,详见参考文献[5]。

图1 端到端网络切片的组成Fig.1 End-to-end network slicing

3 5G网络切片

3.1 5G 网络切片及其标识

5G网络切片由RAN中的功能实体和CN中的功能实体组成,根据实际需要不同网络切片可以共享部分功能实体。可以基于功能划分网络切片,如为e MBB(增强移动宽带)、m MTC(大规模机器类连接)和u RLLC(超可靠低时延)应用分别设置不同的网络切片;也可以基于不同的用户组设置网络切片,实现不同行业之间的隔离保护,如同样是大规模物联网(MIo T)应用,可以为共享单车和远程抄表设置不同的切片。5G网络的一个网络切片用SNSSAI(single network slice selection assistance information)进行标识。S-NSSAI包括SST(slice/service type)和SD(slice differentiator),其中SST长度为8 bit,用于指示期待的网络切片能力和特征。SD长度为24 bit,用于把同类切片进一步划分为不同切片。3GPP定义了3种标准的SST值,其中1对应e MBB;2对应URLLC,3对应MIo T。基于功能和用户组的网络切片划分如图2所示。

3.2 切片选择

5G网网络切片经创立后,生成一个网络切片实例。网络切片实例包括核心网控制面和用户面,以及服务PLMN中的RAN或非3GPP接入网中的N3IWF。对于不同的用户群,可以设置多个特性相同的网络切片。网络可以同时通过多个网络切片为一个UE服务,但需保持AMF实例统一。UE网络切片实例集合选择在注册过程中通过和NSSF(网络切片选择功能)交互完成。PDU会话只能属于一个网络切片,不同网络切片不能共享PDU会话,但不同网络切片中的PDU会话可以使用相同的DDN。

图2 基于功能和用户分组的切片划分Fig.2 Network slicing for different function or user groups

终端在注册和连接建立过程中,通过和RAN、AMF(接入管理功能)、UDM(统一数据管理)交互,根据签约切片(Subscribed-NSSAI)信息网络配置切片信息和网络允许切片信息(Allowed-NSSAI)选择提供服务的网络切片实例。终端附着过程中的切片选择过程如图3所示[6-7]。

3.3 RAN侧网络切片总体原则

(1)RAN感知网络切片:NG-RAN支持为预先配置好的不同网络切片提供不同的业务流处理方式,具体实现方式不做标准化要求。

(2)RAN部分网络切片选择:NG-RAN基于UE提供的NSSAI或5GC明确的一个或多个在PLMN中预先配置的网络切片支持RAN部分网络切片选择。

(3)切片间网络资源管理:NG-RAN支持SLA级切片间策略优化,每个NG-RAN节点支持多个切片,在每一个支持的切片中,NG-RAN能够为SLA提供最佳的RRM(无线资源管理)功能。

(4)支持QoS:NG-RAN在一个切片内支持不同的QoS。

图3 网络切片选择示例Fig.3 Example for procedure of network-slicing selection

(5)RAN的CN功能实体选择:初始附着阶段,UE可以提供NSSAI用于选择AMF。在后续访问中,NG-RAN利用UE提供5GC为之分配的Temp ID路由NAS消息到AMF。

(6)切片间资源隔离:NG-RAN支持切片间资源隔离。资源隔离可以通过RRM策略和保护机制实现,应避免一个切片在共享资源方面影响到其它切片的SLA。可以为特定切片分配完全独享资源,具体机制和实现方式相关。

(7)接入控制:利用统一的接入控制,运营商自定义接入类型可以用来区分不同切片差异化处理机制。NG-RAN可以通过广播控制消息来减少对拥塞切片的影响。

(8)切片可用性:可以只在部分网络中提供切片功能。通过OAM配置NG-RAN支持的SNSSAI。NG-RAN和5GC负责处理对于网络切片的服务请求,根据切片支持与否、有无资源和是否支持请求的业务等因素决定接收或拒绝网络切片业务请求。

(9)支持终端同时关联多个网络切片:当UE同时关联多个网络切片时,仅维护一个信令连接用于同频小区选择,UE总是尽量驻留在最好小区。对于异频小区重选,利用指定优先级控制UE驻留的频率。

(10)UE访问网络切片权力确定:5GC负责确定UE访问网络切片的权力。

3.4 核心网侧网络切片

根据不同应用要求,可以在不同层面进行网络切片划分,概括来讲主要有:

(1)5G核心网层面。不同切片可以共享特定网络功能NF,如AMF;也可以使用完全独立的NF,如两个切片各自的AMF、会话管理功能(SMF)和用户面(UPF)等核心网NF完全独立。

(2)虚拟网络功能(VNF)层面。利用虚拟化技术可以基于一组主机设置多个虚拟网络功能组。在实现网络切片时,多个切片可以使用相同的虚拟网络功能组部署5G核心网NF,也可以使用分离的虚拟网络功能组。

(3)物理资源层。对于隔离要求高,把物理主机分成彼此物理隔离的主机组。要求物理隔离的切片使用独立的物理主机组部署核心网NF。

4 承载网网络切片

在4G时代,承载网主要有2种技术体制,一个是分组传送网(PTN),另一种是IP承载网(IPRAN)。随着5G对承载网服务质量保证、网络切片等能力要求的增加,PTN向切片分组网(SPN)演进,IPRAN向增强型IPRAN(eIPRAN)演进,技术路线和功能趋同。概括来讲,承载网功能可以分为如下4层。

(1)业务层:提供L2/L3层VPN服务。

(2)隧道层:利用分段路由(SR)和多协议标签交换(MPLS)或MPLS传输子集(MPLS-TP)在网络中提供隧道服务。

(3)物理层:为支持物理隔离,降低节点处理时延,在IEEE802.3的物理层(PHY)和媒体访问控制层之间(MAC)引入灵活以太网层(Flex E)。

(4)可选的光层:将光传输网(OTN)集成到承载网设备之中。

基于MPLS的线路仿真(伪线:PW)可以在IP网上提供2层VPN业务,基于MPLS的标签交换路径(LSP)可以提供3层VPN业务。SR技术基于IP源路由技术发展而来,可以基于指定的网络分段(SID)控制路由选择策略,也可以基于SID列表严格控制IP沿节点传输交换的路径。结合SR技术,可以进一步提高L2/L3层VPN的可管理性。SR和MPLS 的结合可以提供承载网逻辑隔离传输网网络切片。

为提供物理隔离的网络切片,并将节点处理时延降低到微秒级,面向5G的承载网在PHY和MAC之间引入Flex E[8]。以100 Gbps以太网为例,Flex E把PHY划分成20个时隙,每个时隙对应1个64/66 bits数据块。如图4所示,每个时隙对应的带宽为5 Gbps。显然占用2个时隙可以提供1个10 Gbps数据通道,占用5个时隙可以提供1个25 Gbps数据通道。

图4 通道化以太网示意Fig.4 Channelized ethernet

Flex E层具有类似时分复用(TDM)功能,可以通过时隙交换直接把一个端口中的数据通道交换到另一个端口中的指定数据通道。因为无需分组层路由交换处理,Flex E可以实现通道间的物理隔离,并显著降低节点处理时延。

从上述分析不难看出,面向5G的承载网可以提供通道化的网络切片,也可以提供逻辑网络切片。

5 网络切片在新型分布式能源系统中的应用

5.1 切片部署

新型分布式能源系统对IT技术和CT技术的多元化需要决定网络切片也要因应用场景不同而采取不同的部署方式。

(1)u RLLC类业务

在新型分布式发电系统中,分布式电压控制、精确控制、故障隔离倒换之类的业务需要低时延高可靠ICT系统来提供保障。因此在控制器连接端,需要将UPF下沉到边缘,可以采用通道化承载切片连接UPF和1个或多个5G基站的集中单元(CU),并在UPF附近部署移动边缘计算(MEC)节点。在服务器侧,MEC节点通过专网连接区域中心控制系统。MEC节点负责提供实时决策、控制,中心控制节点负责大数据分析、控制模型优化,并对MEC中的控制模型进行更新。

(2)eMBB类业务

在新型分布式发电系统中,e MBB类业务包括输电线路无人机视频巡检、场站机器人射频巡检、视频人机交互和一般的视频监控业务等。对于视频流量大的应用,可以通过局域5G切片把上传视频内容引入MEC进行预处理,之后把处理结果上传到控制系统。对于移动性、连续性要求强的应用,需要在设置网络切片是考虑使用独立AMF/SMF。

(3)MIo T类业务

MIo T类业务一般覆盖面广、时延要求低、带宽需求较小,因此可以采用与其他系统共用方式设置网络切片所需的诸网络功能,承载方面使用逻辑隔离方式,这样可以降低使用成本和切片部署难度。

5.2 网络切片管理

除了从运营商处获得5G网络切片(非自建情况下)独立优化管理能力外,网络切片管理还应该考虑本行业的终端和服务器系统。切片管理框架如图5所示,详细定义可参阅文献[9-10]。

如图5所示,网络切片管理由以下几层构成:

(1)业务管理层。通信业务管理功能(CSMF)负责将业务需求转换为网络需求。

(2)切片管理层。网络切片管理功能(NSMF)负责管理和编排网络切片实例(NSI)。对于电力系统而言,处理要管理租用运营商的网路切片以外,还需要管理自身专网系统中的网路切片。

(3)切片子网管理层。网路切片子网管理功能(NSSMF)负责管理和编排切片子网实例(NSSI)。对于5G网络运营商而言,切片子网一般按CN,RAN等子域划分。对于电力系统而言,还需要考虑服务器系统和自身的专网系统。

切片管理与编排功能(MANO)之间的关系由TS 28.800给出。NSSMF调用MANO完成虚拟资源管理的操作。MANO直接管理VNF和物理网络功能(PNF)支撑网络功能虚拟化所需操作,包括设计、准备、配置、激活、监控、报告、修改、去激活、终止等网络切片生命周期全部操作。

图5 网络切片管理框架Fig.5 Framework of network-slicing management

6 结论

文章首先探讨了在网络切片技术分布式能源系统中应用的必要性,进而在分析5G的网络切片技术的基础上,给出了在采用5G网络支持新型分布式能源系统的时候如何实施切片的部署和切片的管理。