5G网络切片技术能源互联网应用分析

HansJournalofWirelessCommunications无线通信,2018,8(6),252-257PublishedOnlineDecember2018inHans.://doi.org/10.12677/hjwc.2018.86029文章引用:杨德龙,孟萨出拉,丁慧霞,王智慧,辛颖.5G网络切片技术能源互联网应用分析[J].无线通信,2018,8(6):252-257.DOI:10.12677/hjwc.2018.86029ApplicationAnalysisof5GNetworkSlicingTechnologyinEnergyInternetDelongYang1,SachulaMeng1,HuixiaDing1,ZhihuiWang1,YingXin21ChinaElectricPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing2SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,BeijingReceived:Nov.21st,2018;accepted:Dec.2nd,2018;published:Dec.12th,2018AbstractWiththedevelopmentoftheglobalenergyInternet,thereisahugedemandforwide-areainter-connectionofenergyandpowergrids.Astable,reliableandeconomicalcommunicationnetworkisanimportantguaranteefortherealizationoftheglobalenergyInternetconceptandstrategicobjectives.Networkslicinghasbeendealtasacoretechnologyinthefifthgenerationofcommu-nicationforitsexcellentperformanceonmeetingthediversifiednetworkneeds.Thispaperstu-diesthebusinessrequirementsandapplicationsof5G(TheFifthGeneration,5G)networkslicingtechnologyunderthebackgroundofthedevelopmentofenergyInternet,andproposesthreesce-nariosofapplicationexplorationbasedon5GnetworkslicingtechnologyinenergyInternet.Keywords5G,NetworkSlicingTechnology,EnergyInternet5G网络切片技术能源互联网应用分析杨德龙1，孟萨出拉1，丁慧霞1，王智慧1，辛颖21中国电力科学研究院有限公司，北京2北京邮电大学信息与通信工程学院，北京收稿日期：2018年11月21日；录用日期：2018年12月2日；发布日期：2018年12月12日摘要在全球能源互联网发展的背景下，能源、电网广域互联的需求巨大，全球范围内稳定、可靠、经济的通杨德龙等DOI:10.12677/hjwc.2018.86029253无线通信信网络是实现全球能源互联网构想和战略目标的重要保障。为了满足未来全球能源互联网的不断增长的业务需求，5G(TheFifthGeneration,5G)网络切片技术成为满足多样化网络需求的有效手段。本文研究5G(TheFifthGeneration,5G)网络切片技术在能源互联网发展背景下的业务需求及应用，并提出在能源互联网中基于5G网络切片技术的三大场景应用分析。关键词5G，网络切片技术，能源互联网Copyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言随着第四代移动通信(TheFourthGeneration,4G)网络的标准化和不断成熟，第五代移动通信(TheFifthGeneration,5G)系统的研究在国内外已经展开。为了应对未来网络流量的爆炸性增长，5G网络应能够同时支持多样化的服务需求，以满足不同服务对网络吞吐量、延迟、数量和可靠性等指标要求。根据国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)对未来5G网络的研究规划，5G网络需要具有高带宽以承载虚拟现实、超高清视频和其他服务。同时5G网络需要提供海量连接和超低时延以更好的服务车联网业务、工业制造等。不同的应用场景对网络功能、系统性能、安全性、用户体验等有不同的要求。如果使用同一网络提供服务，网络势必会非常复杂、繁琐，而且还会造成高额的网络维护费用。相反，如果对不同服务需求的不同业务提供专有网络，而且专有网络仅包含此类业务所需的功能，则该业务的服务效率将大大提高，网络性能也会得保障。这将会保证应用程序方案所需的网络性能，网络的操作和维护也会变得简单。这个专有网络是5G切片的一个例子。5G网络片将现有网络进行分割，形成独立的逻辑网络，为差异化业务提供定制服务。根据不同的服务质量要求，通过分配相应的网络功能和网络资源，实现5G架构的实例化。5G网络片的逻辑网络是网络功能资源和这些网络功能配置的集合。这个逻辑网络包含满足特定业务需求的网络特征。作为5G网络的关键技术之一，网络切片通过网络虚拟化技术将网络中的各种物理资源抽象为虚拟资源。其中，虚拟资源可以分为两类，一类是被特定切片使用的独占资源，另一类是被多个切片同时使用的共享资源。在网络切片的实例化过程中，首先对网络中的相关网元进行切片，进行业务适配，然后根据业务需求和当前网络资源情况配置专属资源和共享资源。通过分配资源，可以实现网络片中的虚拟网络功能和接口的实例化和服务编排，即创建切片。网络切片通过网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)部署，以提供多样化和个性化的网络服务。其中，片间隔离保证了网络间的安全，而按需资源的分配和再分配过程实现了网络资源利用的优化，提高了片间资源的共享和利用。网络切片整体架构是由基础设施，管理层及运行在基础设施之上的切片实例组成，如图1所示。从标准上，国内外各个标准组织已经开启启动网络切片的标准化工作。目前ITU早在2014年10月提出了“IMT-2020”(即5G)工作时间表，主要研究5G关键需求和解决方案[1]。为了高效的支撑各种业务，ITU期望通过网络软件化技术，如SDN、NFV等，在通信基础设施上提供网络切片能力，为各种业务提供服务，满足各种需求。下一代移动通信网(NextGenerationMobileNetwork,NGMN)在2015年，针OpenAccess杨德龙等DOI:10.12677/hjwc.2018.86029254无线通信对未来多垂直行业应用，给出了5G可能的应用场景和关键绩效指标(KeyPerformanceIndicator,KPI)需求[2]。Figure1.Theoverallarchitectureofnetworkslicing图1.网络切片整体架构第三代合作伙伴项目(TheThirdGenerationPartnershipProject,3GPP)已经启动5G网络切片的关键技术的研究，在切片的关键技术方面，3GPP主要研究网络切片中的网络功能定义及优化、切片的选择、切片的漫游、网络切片的生成和管理等[3]。其中独立组网(Standalone,SA)1定义网络切片的需求、SA2定义网络架构、SA5定义网络切片管理和编排的解决方案。无线接入网(RadioAccessNetwork,RAN)1和RAN2定义无线接入网对网络切片的支持规范[4]。2.能源互联网典型业务场景需求分析能源互联网是一种在现有电网基础上，通过先进的电力电子技术和信息技术，融合了大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置，能够实现能量和信息双向流动的电力对等互联共享网络[5]。图2为基于该理念的能源互联网示意图。从作为垂直行业客户的电网行业角度来说，5G网络切片的技术特性对于承载面向电网的无线业务应用具备切片可定制化、切片间安全可靠隔离及切片统一管理的特点，并且具备快速组网、高效经济的优势，在电力系统中具备广阔应用前景[7]。能源互联网是把一个集中式、单向、生产者控制的电网，转变成大量分布式辅助、较少集中式和与更多的消费者互动的电网。而智能电网的研究与发展成为探索能源互联网的关键一环。智能电网，就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过控制、传感、测量、设备、决策支持系统等技术实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标[6]。杨德龙等DOI:10.12677/hjwc.2018.86029255无线通信Figure2.Energyinternetdiagram图2.能源互联网示意图电力系统主要包括5个环节：发电、变电、输电、配电和用电，其典型业务场景与通信网络需求如下表1所示。Table1.Thekeynetworkrequirementsforsmartgridtypicalbusinessscenarios表1.智能电网典型业务场景的关键网络需求业务场景通信时延需求可靠性需求带宽需求终端量级业务频次业务隔离需求配电自动化毫秒级~秒级高低中中~高高用电信息采集秒级~分钟级中低海量接入低~高低电动汽车充电站/桩秒级中低准海量接入中低分布式电源秒级高低海量接入中低精准负荷控制毫秒级高低中低~中高从作为垂直行业客户的电网行业角度来说，5G网络切片的技术特性对于承载面向电网的无线业务应用具备切片可定制化、切片间安全可靠隔离及切片统一管理的特点，并且具备快速组网、高效经济的优势，在电力系统中具备广阔应用前景[7]。3.5G网络切片在智能电网中的应用分析为了适配未来不同服务的需求，5G网络被寄予了非常高的期望。未来5G网络的能力与系统架构的设计有关。5G系统架构的设计会直接影响未来网络的性能[8]。未来网络技术随着虚拟化技术的发展，将逐步实现底层的虚拟化，从而发挥虚拟化技术的最大优势。ITU将5G时代的业务归纳成三种典型的类型，移动超宽带业务(EnhanceMobileBroadband,eMBB)[视频业务]、超高可靠性低时延业务(UltraReliableandLowLatencyCommunication,URLLC)[控制类业务]和大规模物联网(MassiveMachineTypeCommunica-tion,mMTC)[用户采集类]。eMBB切片，该应用场景主要包括广域覆盖和高用户密集度的热点区域，特点是不需要特别的服务质量(QualityofService,QoS)保障，需要尽可能大的带宽，实现极致的流量吞吐，并尽可能降低时延[9]。优化目标为最小化物理资源消耗，保证较高的吞吐率[10]。mMTC切片，该应用场景主要是海量设备连接，设备间传输容量相对较低的非延迟敏感数据，特点是需要较高的数据处理能力及较低的阻塞率[11]。优化目标为最小化链路带宽的资源消耗，来避免传输数据发生阻塞[12]。杨德龙等DOI:10.12677/hjwc.2018.86029256无线通信uRLLC切片，该应用场景主要对吞吐量及时延有比较严苛的要求，比如远程医疗及交通安全等，特点是严格的QoS保障，低传输时延要求。优