一种基于5G网络切片技术的场景管理系统及方法与流程

本发明涉及场景管理，具体为一种基于5g网络切片技术的场景管理系统及方法。

背景技术：

1、随着科技不断的进步，电能在社会中得到普遍使用，为了满足人们的生活、工作和生产等一系列要求，电力行业存在多种业务的场景，应对场景下的不同需求的情况，现有技术依靠传统公共接入方式来解决这类问题，然而这种方式的缺点是不能够实现合理的网络资源的分配，常常出现网络拥堵和信息反馈不及时的现象。相较于现有技术而言，5g网络切片技术具有能够针对场景中的各类需求实现网络资源的合理配置的优势。

2、所以现在需要一种可以处理电力行业场景中应用需求不同的一种基于5g网络切片技术的场景管理系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于5g网络切片技术的场景管理系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于5g网络切片技术的场景管理系统，该系统包括传感设备、5g网络切片管理模块、中心控制台、管理终端和数据库。

3、所述传感设备用于与5g网络相连，并且将传感设备中产生的数据实时地发送给中心控制台；所述5g网络切片管理模块用于针对场景中的不同需求，将物理资源虚拟化并切分成若干与需求所对应的网络切片；所述中心控制台用于实时获取场景中的各类信息数据和资源配置情况并进行远程控制和监测；所述管理终端用于与5g网络切片管理模块和中心控制台通信，反馈中心控制台所监测的数据和网络切片的配置情况，根据反馈回来的内容来对网络切片进行管理；所述数据库用于存储场景中各类数据以及网络切片的配置情况，并为网络切片的优化提供参考。

4、所述传感设备包括传感单元和通信单元；所述传感单元用于将当前场景中的物理量转化成模拟电信号或数字信号，物理量包括电压和电流；所述通信单元用于与5g网络相连接，以及支持不同类型的网络接入。

5、所述5g网络切片管理模块包括网络虚拟化单元和网络切片划分单元；所述网络虚拟化单元用于进行软硬件解耦；所述网络切片划分单元用于针对需求划分出若干的网络功能单元来满足需求，再将网络功能单元集成形成网络切片。

6、所述中心控制台包括实时信息获取单元和远程控制单元；所述实时信息获取单元用于实时地获取场景中的电压、电流和数据量的信息；所述远程控制单元用于对场景中的不同需求进行远程的网络切片的配置和控制。

7、所述数据库包括数据存储单元、数据管理单元和数据查询单元；所述数据存储单元用于存储场景中的各类信息；所述数据管理单元用于管理数据库的创建、修改、备份和恢复；所述数据查询单元用于查询数据库中存储的信息。

8、所述管理终端包括终端设备和网络通信单元；所述终端设备用于与中心控制台建立5g网络连接来对场景进行管理；所述网络通信单元用于实现与中心控制台之间的实时交互和数据共享。

9、一种基于5g网络切片技术的场景管理方法，步骤如下：

10、s1、通过网络虚拟化技术将软硬件解耦，使得物理资源抽象化，形成可以供上层应用的虚拟资源，来达到对网络功能的虚拟化；

11、s2、分析场景中的各项需求，并按照需求进行切分；

12、s3、基于场景需求进行网络切片的设计，分为通信传输类切片、算力资源类切片、安全切片和系统管理切片；

13、s4、搭建5g网络切片系统，通过网络构架对不同场景切片进行有效管理，实现场景资源的有效调度和管理。

14、在s1中，网络虚拟化是指在共享底层物理网络基础设施之上，构建彼此隔离的多重异构虚拟网络，能够实现动态资源分配。网络虚拟化技术是运用sdn和nfv来实现，通过软件定义网络(sdn)将路由器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来，统一由中心控制器通过软件来进行控制，实现控制和转发的分离。在软件定义网络中，分成应用层、控制层、基础设施层。其中控制层通过接口与基础设施层中的网络设施进行交互,从而实现对网络节点的控制。因此,路由不再是分布式实现的，而是集中由控制器定义的。nfv主要实现传统电信设备的软硬件解耦、网元动态创建和提供虚拟资源，运用虚拟化技术将物理资源抽象化，形成可以供上层应用的虚拟资源，实现对网络功能的虚拟化。

15、在s2中，配网差动保护是电力系统保护的一种重要方式。应用于电力系统中的配电网中，其主要作用是实现对系统故障的快速检测和隔离，以避免电力系统供电中断和事故的发生，进而保障系统的供电可靠性、质量和稳定性。因此，配网差动保护业务的需求包括快速可靠的通信、充足的算力资源、可靠的数据信息安全保障和高效的对系统进行配置。

16、在s3中，根据不同的业务需求分成四个切片：通信传输类切片、算力资源类切片、安全切片和系统管理切片。5g网络有如下三个经典场景：embb(增强移动宽带)、urllc(提供超可靠低延迟通信)和mmtc(支持海量机器类通信)。

17、针对配网差动保护的业务需求，需要在通信传输类切片中实现高可靠性和低时延的保障。因此，在考虑传输和计算延迟的基础上，可以分别运用urllc、mmtc和embb来实现该需求。对于算力资源类切片，则需要针对真实场景确定切片的频带和带宽，以实现对差动电流的准确测量和分析计算。在不同层次间合理分配切片资源，可以提高运算效率，并保证差动保护设备的稳定可靠。对于安全切片而言，需要在访问控制、设备安全和通讯安全等方面设置相应的安全保障措施。此部分的切片运用urllc、mmtc和embb，以实现对数据信息的高效、安全监控和保护。对于系统管理切片，在考虑不同终端传输速率和连接数的基础之上，可以运用urllc和mmtc为差动保护提供可靠的通信支持。同时，在部署过程中结合5g小型基站和设备模块的特点，提高系统覆盖范围和部署效率。

18、在业务需求和功能运用场景匹配的基础上，需要对各种切片进行资源配置。针对配网差动保护的特殊需求，需要划分横向时延低于5ms，纵向时延低于2ms的切片。在分配切片带宽时，保障电流和电压信号采集的数据量约为1gb/s，并设定高质量服务的优先级较高的切片，以满足配网差动保护的性能需求。

19、在s4中，对配网差动保护业务的管理是利用5g网络切片的软件定义无线网络架构来实现，主要分为三层：底层网络为物理基础设施层，是网络数据传输的实际载体；中间层为虚拟化后的网络资源，为网络运行提供了整体的虚拟资源池，实现了资源集中管理和高效分配；上层为用户面向的实际业务层，不同类型的网络业务将会形成不同的网络切片，各层功能的实现以及各层间进行相互交互都需要通过sdn控制器进行管理和控制。

20、在底层网络，需要使用5g基站、天线、传输设备等硬件设施。这些设施由通信设备厂商或运营商提供，以确保网络的高速和稳定。

21、在虚拟化后的网络资源层部署时，需要使用sdn控制器、虚拟交换机、虚拟路由器、虚拟防火墙等软件实现对网络资源的集中管理和高效分配，实现sdn控制器对整个网络进行切片管理和控制的核心节点作用。

22、在虚拟化后的网络资源层中，按照配网差动保护业务的相关需求，建立网络切片。为实现该无线网络架构，首先，需要建立sdn控制器，作为对整个网络进行切片管理和控制的核心节点。sdn控制器使用snmp、netflow、vlan、arp、lldp或物理接口协议从网络设备中获取拓扑信息，启动nst，利用nst为网络服务或应用程序分配切片资源，在nst启动的基础，使用s-rmi将网络功能需求分配到对应的切片模型上，并协调网络功能和切片的部署和配置。

23、根据配网差动保护业务的需求，设置切片表，包括切片标识符、match字段和action字段等。match字段描述了切片的流量特征，而action字段描述了切片的网络路径和传输协议等。具体而言，基于上述需求，可以按如下设置差动保护业务的切片表：

24、切片标识符：differential-protection；

25、match字段：设备a的ip地址和设备b的ip地址，使用tcp网络协议；

26、源端口和目标端口：设备a的差动保护服务端口和设备b的差动保护服务端口。

27、action字段：

28、入口和出口端口：设备a和设备b的物理接口；

29、vlanid：用于隔离差动保护流量和其他流量；

30、服务质量(qos)：为差动保护业务设定比其他业务更高的优先级；

31、安全机制：为差动保护流量添加安全机制，如防火墙和数据加密等。

32、通过上述切片表的设置，可以实现对差动保护流量的隔离、识别和优先级控制，提高差动保护业务的转发速度和实时性，同时保护网络路径和差动保护数据的安全性，确保整个差动保护网络的高可用性和高效性。

33、拦截并监控网络流量：sdn控制器拦截网络中的数据包，并记录其交换路径和相关信息。通过监控切片表所描述的流量特征，了解流量流向和带宽使用，以优化切片分配和配置，同时为后续流量分析和调试提供数据支撑。

34、推送流表项并转发流量：sdn控制器将生成的流表项推送到网络设备上，并针对不同切片中的资源进行准确的集中控制和转发，确保网络资源得到最优的使用。

35、网络切片的资源配置与配网差动保护业务中，电网中有多条线路，每条线路都需要使用差动保护设备进行监控和保护，并将数据上传至云端进行处理和分析。每个设备需要对数据资源进行切片，以满足不同的服务需求和资源上限，为了便于管理和维护，将电网的时间分成若干个时间段，并对每个时间段的数据进行处理。需要为不同的需求选择合适的网络切片和切片大小，以满足不同的服务质量和资源上限。每个场景需要使用4个不同优先级的网络切片进行数据传输。对于每个场景，需要为其选择合适的网络切片和切片大小进行配置。具体数据如下：

36、切片1：需要提供10个服务器的服务，资源上限为500gbps，可供选择的切片数据量分别为20gbps、50gbps和100gbps。

37、切片2：需要提供5个服务器的服务，资源上限为300gbps，可供选择的切片数据量分别为10gbps、20gbps和50gbps。

38、切片3：需要提供8个服务器的服务，资源上限为400gbps，可供选择的切片数据量分别为20gbps、50gbps和100gbps。

39、切片4：需要提供5个服务器的服务，资源上限为200gbps，可供选择的切片数据量分别为10gbps、20gbps和50gbps。

40、每个场景的服务需求和资源上限随时间变化，从而需要为每个场景重新选择合适的切片和切片大小。

41、每个不同的时间段需要进行网络应用，每个时间段需要使用4个不同优先级的网络切片进行数据传输。对于每个时间段，需要为其选择合适的网络切片和切片大小进行配置。具体时间段、输入数据和输出数据如下：

42、

43、

44、为优化切片分配以及确保网络资源得到最优的使用，步骤如下：

45、s401、通过底层、中层和上层这三层结构来搭建无线网络架构，底层为物理基础设施层，中间层为虚拟化后的网络资源，上层为用户面向的实际业务；

46、s402、在搭建好无线网络架构基础上，通过对网络服务的需求、资源利用率、资源上限和优先级进行考虑，可以得到如下最大网络资源使用率的状态方程：

47、其中，ti,j,k,l表示在前i个时间段内，使用j个网络切片，第k个优先级的网络切片大小为l的条件下可以实现的最大网络资源使用率，validslices(i,j',k)表示在前i个时间段中使用的网络切片能够满足第j'个场景的服务需求和资源上限，tk[l']表示第k个优先级的网络切片l'可用的总数，bk,l'表示网络切片l'的数据量大小；

48、s403、将最大网络资源使用率的方程应用于每个时间段，得到状态ti,j,k,l；

49、对于当前时间段i和当前优先级k，需要判断每个网络切片的数组l中哪些切片可以用来满足当前的服务需求和资源上限；

50、在每个优先级k下，状态t[i][j][k][l]可以通过以下两种状态进行转移：

51、不使用当前网络切片：t[i][j][k][l]＝t[i][j][k][l-1]；

52、使用当前网络切片：

53、

54、s404、得到状态ti,j,k,l后，倒退回上一个状态，枚举出所有的状态并取出所有状态下的状态值，将最大的状态值作为网络资源利用率的最优解。

55、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

56、1.提高业务效率和性能：网络切片技术可以根据业务需求和性能要求，将网络资源进行划分和分配，保证业务的连续性和性能稳定性。

57、2.实现资源最大化利用：网络切片技术可以根据实际网络流量和带宽需求，调节资源分配，实现网络资源最大化利用和优先级调节。