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5G切片分类理论及短切片类型应用分析

时间:70-01-01 08:00 来源:

  是数字经济发展的必然趋势,也是构建新型电力系统、促进能源清洁低碳转型的现实需要,其中能源是根本和主体,在能源互联网的发展促进下,未来电力业务的发展,将呈现出大量终端接入、可靠性高、时延低、安全防护等级高等物联网式业务特征,而互联网则是方法和手段,由于5G通信具备高带宽、低时延、大连接的显著特征,且支持增强型移动宽带(EnhanceMobileBroadband,eMBB)、海量连接(Massive Machine Type Communication,mMTC)和超高可靠低时延(Ultra Reliable & Low Latency Communication,uRLLC)三大场景,因此5G通信的特点与电力通信需求高度契合。国家电网已明确将5G关键技术研究及试点应用纳入新型电力系统建设的重点任务中,而实现的关键是5G切片技术。

  在当前国际能源形势与国家战略布局下,如何将5G切片技术引入电网、适应电网、服务电网,在现有的可再生能源发电与智能电网技术的基础上,进一步建立物理互联、信息互联与商业互联,这既是技术问题,也是商业模式问题,更是战略布局问题。笔者从5G切片分类方式入手,分析了切片分类的必要性并提出了具体分类方式,结合全国第一张5G电力核心骨干网的实践,从电网行业安全、可靠、经济和电信行业高效推进垂直行业应用、拓展市场等方面进行系统论证,认定基于这种分类理论提出的5G短切片技术,可使5G技术更好支撑新型电力系统构建,进一步推进国家5G新基建事业发展。

  以泛在有源为基本特征的新型电力系统的具体构建,需要省级电网公司与省级电信运营商基于切片技术共同组建电力5G虚拟专网。出于拓展垂直行业5G市场的要求,电信运营商均承诺让渡租用的切片网管控制权和物联号段经营权给电网企业,然而,笔者在对基于切片构建虚拟专网的市场竞价调研中发现,运营商报价与电网实际预估价格严重不匹配,其原因是电信运营商提出的长切片(链条)租用技术方案计划从电信企业5G核心网放光纤至电网企业省级控制中心,将泛在的电网数据通过完整的电信5G网切片一级级传至电网数据中心,这种方案一方面大量占用电信企业资源,一方面电网企业大量的自有通信资源无法充分利用,造成基于切片构建电力5G专网的设想因租用价格过高而无法落地。因此,必须详细分析5G切片的具体环节并确定最佳的切片复用环节,才能解决高昂租费的问题。

  在赋能电力行业上,电信运营商无法出售5G频点,且禁止其5G网络设备进入垂直企业网,同时也不允许垂直行业带设备进电信企业5G网。要突破制约,发展最具网络特性和资源优势的电网行业专有自用(安全可靠)的5G网络,并使最具泛在分布特性、大带宽和低时延的5G技术更好地支撑以“双碳”为目的的新型电力系统构建,就必须对5G切片进行分类,同时分析切片复用的具体环节,提出可以使运营商和电网企业都能接受的切片复用方案。这将事关电网能否使用5G技术,也事关电信企业能否拓展5G市场,建设发展和利用5G网络,更事关新型电力系统构建和5G新基建的国家大政方针实施落地到位。因此,5G切片分类的理论构建对于5G设备制造标准和5G切片的应用实践都具有深远的指导意义。

  现有的垂直行业5G切片应用,一般分为三种模式。第一种模式是被电信运营商首推的端到端网络切片。在这种模式下,5G基站、核心、用户面、承载网由电力专网与公网用户切片共用,由运营商统一运营和管理,基于同一逻辑的切片链条,实现基站所链接的专网用户到公网核心(5GC)后再链接至电网企业内网数据中心及应用系统[10]。此外,下沉的用户设备虽能实现自接区域内专网终端物联用户的数据转接,但5G公网核心设备时刻可以取代这种数据转接的地位,数据回流到公网5G核心的切片必须时刻保留。因此这种方式称之为长切片。

  第二种模式被称作混合专网模式,目前在电网公司等垂管行业应用最广泛。在这种模式下,基站切片共享、5G核心设备切片共享,与电信公网承载网下挂的用户面设备(upf),虽置于电网公司机房供电网公司专用,但网管控制权还在电信运营商手中[11]。尽管电网企业内部数据可以做到数据不出电网公司机房,也不需要再绕到公网用户面设备,但是这种专用upf设备还是必须挂接在公网核上,公网5G控制设备仍然可随时调走和管控这台专用upf上的数据。此外,为做到安全独立,在公网核心设备和公网承载网上还要分别切片,加上5G基站也被切片,长长的数据链上只有用户面设备是电网企业专用的(但电网企业无权控制),不切片,因此这种方式称之为混合切片。

  第三种模式是5GC(核)切片应用,还未见完整的应用案例,不属电信企业推荐的垂直行业应用模式。在这种模式下,基站切片共享;电信公网核心设备十个网元中,电网企业只自配其中的AMF、SMF两个网元;下挂的用户面设备(upf)置于电网公司机房供电网公司专用[12]。这种方式网管控制权虽在电网企业内部,但是电信企业有优先调取电网数据的权利,物联卡号段分配管理权还在电信部门。数据流向与图2基本相同,只是,在电网企业侧要配置不具独立功能的部分核心网元。

  第四种模式是空间分割方式的独立专网,如果要进行切片分类分析则被认为是一种空间切片方式,简称空切片。这种模式在有限空间内布局使用的独立专网,并不适用于具有广域分布特征的电力专网。

  由于第四种模式租用了电信企业的5G频率,第三种模式电网企业控制的5G核心网元AMF、SMF均接入了电信企业的5G大核心之中,这些都不符合运营商的相关规定,因此在5G赋能应用于电力行业时,第一、二种模式是运营商推荐的的模式[13]。基于上述长短切片的概念,模式一、模式二、模式三占用电信运营商资源多,切片复用环节多,所以运营商收取的租金价格高,且电网企业的运行数据时刻控制在运营商手中,导致安全与运营主体责任分离。综上所述,上述四种切片方式,本质上(数据安全、租费和号段等等)都不适合电网企业正式使用。

  基于以上分析,笔者提出基于电力完全独立、专属专用的5GC(核)、自有的光纤承载网、专属专用的用户界面和自有的下行光纤通道,只在5G无线基站进行切片分割,这种切片与公网公用的部分最少,称为短切片模式。该模式中电信运营商负责无线基站网、电网企业有效利用自有承载网和铁塔机房等资源,兼顾了电网数据安全、电网智能功能训练养成、电信企业专享频率、电网企业和电信企业共同的经济效能效益,是将5G技术推广应用到电力系统时,所走出的一条合理化好、创新性强、推广价值高的道路。湖北省电力公司自建的全国第一张省域电力独立5G核心骨干网,即是基于5G切片分类理论中的短切片模式和技术线G短切片模式示意图

  让电信运营商的基站切片接入电网企业的独立核心骨干网,面临一些关键要克服的技术和管理难题。其一是商业难题:运营商由于管道化和市场竞争压力不愿将其基站切片接入。同时,运营商干扰设备制造业向电网企业供应完整独立的5G核心设备,拒绝将其基站切片接入电力5G骨干专网。其二是队伍难题:电网企业运维庞大的5G核心骨干网的人才队伍要从零开始起步建立,从时间紧迫性和经济合理性都需要电信企业的高度配合与支持。

  其三是政策难题:陆基移动通信号(PLMN)仅授予了电信运营商权限,电网公司由于缺少权限,无法通过PLMN组建独立的5G核心骨干网,造成电网公司无法独立获取5G信号的物联网卡号和数据流向导引。同时短切片租用缺乏政策层面上的定价标准[14]。

  其四是技术难题:一是分属运营商的众多5G基站接入电网独立的5G核心网后的数据融合贯通问题。二是电信运营商5G基站覆盖不到的地方,4G数据如何接入融合的问题。三是网络与数据安全问题,电网工控数据安全极为重要,现有的安全分区架构不能满足5G核心网承载各类电网生产运行和管理数据的要求,需要顶层重新设计安全分区架构。

  在当前国际能源形势与国家战略布局下,5G切片技术将在构建以新能源为主体的智能电网过程中发挥关键作用。笔者分析提出了对5G切片进行分类的意义及分类方法,基于5G短切片概念及其技术的系统性应用,建立了基于实际有效案例基础上的通用切片分类理论。并分析了该理论在实用、实施中面临的难题,提出了搭建非公共网络(NPN)解决陆基移动通信号(PLMN)问题,使用构建电力cps系统解决4G、5G融合等等关键问题的技术措施。

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