郭長江

（燕山大學(xué)里仁學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

隨著我國電動汽車相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電動汽車用戶設(shè)備與電力設(shè)備的功能逐漸齊全，但電力專網(wǎng)缺乏智能化管理機制，且不同通信供應(yīng)商的設(shè)備難以實現(xiàn)互相轉(zhuǎn)換，使得電力專網(wǎng)無法滿足電動汽車用戶的通信需求。隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)逐漸被應(yīng)用于云平臺上，通信運營商通過提供演進型分組核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，再搭配上網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，就可滿足電動汽車用戶和用電設(shè)備的通信需求［1］。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是一種彈性化和定制化組網(wǎng)方式，電動汽車充換電運營商可利用移動通信來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片，根據(jù)用戶的不同需求對網(wǎng)絡(luò)資源進行優(yōu)化分配，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率和電力專網(wǎng)安全性。研究網(wǎng)絡(luò)切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展與應(yīng)用，可以促進網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)概述

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片概念架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是近些年移動通信行業(yè)中備受關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)，中國移動等網(wǎng)絡(luò)運營商對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的概念、架構(gòu)和用例進行全面深入的研究。網(wǎng)絡(luò)切片的概念架構(gòu)分為三層，即服務(wù)實例層、網(wǎng)絡(luò)切片實例層和資源層［2］。網(wǎng)絡(luò)切片概念架構(gòu)中的任意實例都是一個獨立結(jié)構(gòu)，在其運行時，應(yīng)該由與之對應(yīng)的范例或藍圖生成。服務(wù)實例層是網(wǎng)絡(luò)切片概念架構(gòu)用戶終端的集合，可為用戶提供不同的網(wǎng)絡(luò)需求，包括網(wǎng)絡(luò)運營商的通信服務(wù)和第三方提供給專屬用戶的專屬服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片實例層是由網(wǎng)絡(luò)運營商提供的網(wǎng)絡(luò)切片集合，網(wǎng)絡(luò)運營商可為不同用戶需求提供網(wǎng)絡(luò)切片實例化服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)運營商可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片藍圖來提供服務(wù)，且網(wǎng)絡(luò)切片實例化服務(wù)可共享給多個用戶。一個網(wǎng)絡(luò)切片實例由多個子網(wǎng)絡(luò)切片實例組成，且可由多個網(wǎng)絡(luò)切片同時使用［3］。子網(wǎng)絡(luò)切片實例可生成子網(wǎng)絡(luò)切片藍圖，且這些藍圖中都有一系列能應(yīng)用到邏輯資源上的網(wǎng)絡(luò)功能。資源層是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)功能的集合，要聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)切片實例層中各類實例（網(wǎng)絡(luò)切片實例及其子網(wǎng)絡(luò)切片實例）來進行網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化分配，為用戶提供切片化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片典型用例

中國移動公司對未來移動通信網(wǎng)絡(luò)用例的定義多是來自應(yīng)用類型和通信性能指標，且大多具有對稱性和互補性，如將對時延敏感的實時通信與對時延不敏感的視頻業(yè)務(wù)進行配對、對移動性具有高要求的高速移動車輛業(yè)務(wù)和對移動性沒有高要求的低速移動用戶業(yè)務(wù)配對等。雖然未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈多樣性，但未來移動通信網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片的用例場景和需求，分為增強型移動寬帶通信應(yīng)用場景、高可靠低延時通信應(yīng)用場景和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用場景。

增強型移動寬帶應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求較高，要提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，可讓用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)享受6.25 MB/s 以上的網(wǎng)速，為偏遠地區(qū)的高質(zhì)量通信需求提供了可能性，用戶即便是在人煙稀少的偏遠地區(qū)也可通過移動寬帶服務(wù)進行視頻通話、大文件傳輸?shù)刃枰哔|(zhì)量網(wǎng)速支持的活動［4］。

高可靠低延時通信應(yīng)用場景可為用戶提供超低丟包率的可靠通信服務(wù)與時延低于1 ms 的低延時通信服務(wù)，基于此，網(wǎng)絡(luò)切片可應(yīng)用于車輛自動駕駛、自然災(zāi)害應(yīng)急處理和公共安全監(jiān)管等場景中。為更好地服務(wù)這些應(yīng)用場景，通信服務(wù)業(yè)務(wù)大多具有較高的通信優(yōu)先級，能提供延時小的通信服務(wù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也可進行高效處理。由于該類應(yīng)用場景大多關(guān)系到用戶的生命安全，因此對通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性有很高的要求。

大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用場景的特點是低功耗、低成本、高密度設(shè)備支持和高覆蓋率，其主要應(yīng)用場景是傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能可穿戴設(shè)備及智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域。雖然這種應(yīng)用場景對用戶設(shè)備的通信功能和接入密度具有很高的要求，但對網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)時延和移動性沒有要求。很多物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備都是低速移動和固定設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)移動性和時延沒有要求，且很多物聯(lián)網(wǎng)都應(yīng)用于非時延敏感場景中，可忽略網(wǎng)絡(luò)時延［5］。

2 網(wǎng)絡(luò)切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展研究與展望

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展研究

網(wǎng)絡(luò)切片最早是由下一代移動網(wǎng)絡(luò)（NGMN）引入的新概念，想要開發(fā)特定的網(wǎng)絡(luò)功能和接入技術(shù)來滿足特定用戶的特定通信服務(wù)需求，由規(guī)范統(tǒng)一的物理資源商來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的邏輯化和孤立化。2016 年，第三代合作伙伴計劃（3GPP）成立了專門的科研小組來對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進行專項研究，研究結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)運營商可采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來為用戶提供專門的通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，滿足不同用戶的不同網(wǎng)絡(luò)需求。Taleb 等總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)切片概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則、方法和路徑，認為網(wǎng)絡(luò)切片要自動化部署，且要做到各個功能的邏輯孤立，這樣才能為用戶提供定制化、彈性化和開放式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但這樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要一定的技術(shù)支持。首先，為確保物力資源上網(wǎng)絡(luò)切片的邏輯孤立，要利用VMware Workstations player、Kernel-based Virtual Machine 等虛擬機技術(shù)支持來實現(xiàn)底層硬件資源的信息共享。其次，要想提高網(wǎng)絡(luò)切片的定制化、彈性化和開放化功能，就要充分利用SDN 技術(shù)和NFV技術(shù)來控制虛擬化網(wǎng)絡(luò)。SDN 技術(shù)通過控制虛擬化網(wǎng)絡(luò)可使網(wǎng)絡(luò)切片更加穩(wěn)定和便捷，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的自適應(yīng)性和擴展性。NFV 可通過特定硬件的網(wǎng)絡(luò)功能部署來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，進而實現(xiàn)整個接入和傳輸網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化。最后，為提高網(wǎng)絡(luò)切片自動化和靈活化，要通過人工智能技術(shù)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片方式和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，從而滿足不同用戶的不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

要想真正實現(xiàn)接入網(wǎng)的虛擬化，就要接入網(wǎng)內(nèi)基站的軟件化，通過接入基站軟件化來為網(wǎng)絡(luò)切片提供底層資源和開放式的API，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的動態(tài)化管理。要想實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片管理，需要接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)切片所需的全部功能，利用NFV 技術(shù)，核心網(wǎng)可滿足網(wǎng)絡(luò)切片的大部分網(wǎng)絡(luò)需求，并實現(xiàn)虛擬平臺向虛擬核心網(wǎng)的部署。Taleb 等還研究出一種將EPC 作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一部分的解決方案，即通過將虛擬EPC 應(yīng)用到云端，就可為廣大用戶提供可靠穩(wěn)定的核心網(wǎng)服務(wù)。Ksentini 等通過使用eDECOR 來實現(xiàn)核心網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)切片上的應(yīng)用，也可通過網(wǎng)絡(luò)切片來修改核心網(wǎng)中的數(shù)據(jù)參數(shù)。Mahmood 等通過模塊化的網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計來為網(wǎng)絡(luò)切片提供控制平臺。Afolabi 等基于EPC 編輯器、SDN 控制器和NFV 編輯器，提出虛擬化的網(wǎng)絡(luò)切片概念結(jié)構(gòu)，確保網(wǎng)絡(luò)切片能根據(jù)不同用戶的不同需求提供定制化的網(wǎng)絡(luò)功能。

根據(jù)不同用戶的不同需求來對網(wǎng)絡(luò)切片資源進行優(yōu)化組合和高精度流量預(yù)測，能確保網(wǎng)絡(luò)切片資源的優(yōu)化分配，降低由網(wǎng)絡(luò)切片資源分配不均而帶來的經(jīng)濟損失。為準確預(yù)測用戶通信需求，很多專家學(xué)者對整個問題進行深入研究。Zhang等主要對中國移動網(wǎng)絡(luò)的用戶通信需求進行深入全面的調(diào)研，用深度學(xué)習(xí)理論和技術(shù)來解決用戶通信需求的預(yù)測問題，并認為移動通信網(wǎng)絡(luò)中的深度學(xué)習(xí)技術(shù)能幫助網(wǎng)絡(luò)運營商準確預(yù)測用戶的通信需求。Wang 等利用機器學(xué)習(xí)理論來解決用戶網(wǎng)絡(luò)需求預(yù)測問題，并利用大數(shù)據(jù)分析法對loT（物聯(lián)網(wǎng)）的混合性、時空相關(guān)性和大規(guī)模連續(xù)性等特點進行分析。Sivanathan 等通過試驗采集到大量物聯(lián)網(wǎng)流量數(shù)據(jù)，并將其歸納為攝像頭等智能設(shè)備的流量特征，基于該特征研發(fā)出一種基于網(wǎng)絡(luò)流量的對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行分類的計算機學(xué)習(xí)算法。Khan 等根據(jù)智能電網(wǎng)在應(yīng)用過程中的流量特點來開發(fā)監(jiān)控設(shè)備，并實現(xiàn)對電動汽車電池狀態(tài)等動態(tài)顯示和上報功能。Ali 等對物聯(lián)網(wǎng)用戶網(wǎng)絡(luò)需求預(yù)測方法進行改善，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)流量特點，將其分為周期型和事件驅(qū)動型這兩種流量預(yù)測類型。事件驅(qū)動型流量預(yù)測能很好地解決由同一個事件多個設(shè)備隨機接入而引發(fā)的沖突問題，且可控制一個事件接入設(shè)備的數(shù)量或接入時間，確保這些接入設(shè)備能有序進行。在電動汽車充換電應(yīng)用場景中，利用流量預(yù)測法可對物聯(lián)網(wǎng)中的流量進行優(yōu)化配置，并能準確預(yù)測電動汽車的行駛狀態(tài)及所消耗的流量。

在電動汽車充換電的應(yīng)用場景中，為確保電動汽車運行的穩(wěn)定性，要對其使用的網(wǎng)絡(luò)流量進行準確預(yù)測。目前，國內(nèi)外對移動網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測的研究比較多。Hess 等對移動網(wǎng)絡(luò)中人類運動模型進行深入研究，并以此來研究電動汽車在移動過程中的狀態(tài)變化，為電動汽車移動模型的構(gòu)建提供了重要信息和思路。Yayeh 等通過深度學(xué)習(xí)理論，來對移動自組網(wǎng)絡(luò)中電動汽車移動過程的網(wǎng)絡(luò)流量進行預(yù)測，通過隨機路點模型來模擬電動汽車的移動規(guī)律，并提供Matlab 仿真證實該系統(tǒng)能成功預(yù)測出電動汽車的運動軌跡與具體位置。Ansari 基于專用短程通信和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)對電動汽車行駛過程中準確位置的預(yù)測，并根據(jù)位置預(yù)測結(jié)果對電動汽車所消耗的流量進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對移動網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化配置，從而提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。Mao 等基于移動網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測電動汽車自組網(wǎng)路由協(xié)議及駕駛員的行車意圖，能準確預(yù)測車輛的具體位置和行駛狀態(tài)，并通過電動汽車自組網(wǎng)來實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)信息的傳輸和車輛行駛狀態(tài)的監(jiān)控。

Tang 等利用人工智能技術(shù)來準確預(yù)測電動汽車的行駛路線和軌跡，并完成對SDN集中路由的優(yōu)化，然后隨機評估了隨機城市交通流量模型，結(jié)果顯示這種檢測方法能有效降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中流量傳輸?shù)臅r延，從而提高不同車輛速率的魯棒性。Huang 等研究出一種能通過命名車輛數(shù)據(jù)法來預(yù)測電動汽車上各類設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)流量，在相似移動模式的車輛間建立相似的通信網(wǎng)絡(luò)，從而降低車輛移動對網(wǎng)絡(luò)流量速度的影響。Guo 等通過對邊緣節(jié)點移動緩存數(shù)據(jù)包的預(yù)測來提高車輛網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，并且設(shè)計馬爾科夫深度學(xué)習(xí)模型，對車輛的行駛軌跡進行準確預(yù)測。由此可見，在電動汽車物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景中，通過車輛移動預(yù)測來選擇路由決策和緩存策略，但難以利用移動網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測為網(wǎng)絡(luò)切片的資源優(yōu)化配置提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展展望

國內(nèi)外對網(wǎng)絡(luò)切片資源優(yōu)化配置的研究也比較多。近年來，比較流行的是基于規(guī)劃虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能來優(yōu)化資源配置的自動規(guī)劃算法，這種算法能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)切片的操作時間。近年來，有學(xué)者基于評估數(shù)據(jù)中心構(gòu)建虛擬化移動管理實體性能模型，利用該模型就可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)用戶和虛擬化移動管理實體間的聯(lián)系，并滿足用戶對移動網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。有學(xué)者采用vEPC-ORA 法來優(yōu)化虛擬化核心網(wǎng)服務(wù)器的控制界面和數(shù)據(jù)顯示界面，從而實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，并滿足物聯(lián)網(wǎng)用戶的智能設(shè)備通信需求。有學(xué)者利用虛擬核心網(wǎng)實體多維度資源優(yōu)化配置的啟發(fā)式算法來預(yù)測核心網(wǎng)的響應(yīng)速度與響應(yīng)時間。目前，網(wǎng)絡(luò)切片資源優(yōu)化配置問題法大多采用啟發(fā)式算法進行建模解決，但較少將移動預(yù)測和網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測法應(yīng)用于資源優(yōu)化配置領(lǐng)域。

國內(nèi)外對智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)不斷進行研發(fā)。Hassedbo 等研究5G 技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，提出5G 技術(shù)與融合光纖結(jié)合的電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Jeong 等對智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集及不同網(wǎng)絡(luò)用戶的不同網(wǎng)絡(luò)需求進行分析研究，研究成果顯示網(wǎng)絡(luò)切片能夠滿足不同網(wǎng)絡(luò)用戶的不同用網(wǎng)需求。Mendis 等深入研究能源分布式電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片的具體應(yīng)用，并設(shè)計一個可擴展的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)來滿足不同網(wǎng)絡(luò)用戶的不同網(wǎng)絡(luò)需求。Claudia 等為證實V2X 服務(wù)能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片的觀點，設(shè)計出核心網(wǎng)和接入網(wǎng)的解決方案，結(jié)果證明該方案具有一定可行性。Tao等利用電動汽車移動的特點設(shè)計出一個基于foud 的云計算與霧計算混合的模型，該模型能準確預(yù)測車輛的行駛軌跡和網(wǎng)絡(luò)流量。Zhang等針對自動駕駛電動汽車充換電時可能發(fā)生個人數(shù)據(jù)信息泄露的問題，設(shè)計了ePPCP安全架構(gòu)，可為電動汽車提供可靠的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)。目前，國內(nèi)外關(guān)于智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)切片中的應(yīng)用研究大多集中在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)需求和安全性等方面，對智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)融合場景中的網(wǎng)絡(luò)切片和資源優(yōu)化配置問題缺乏關(guān)注與研究，預(yù)測今后學(xué)術(shù)界關(guān)于網(wǎng)絡(luò)切片的研究會向智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用場景中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和行車安全方向發(fā)展。

3 結(jié)語

基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)具有彈性化和定制化優(yōu)點，能實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，能滿足不同網(wǎng)絡(luò)用戶的不同網(wǎng)絡(luò)需求。通過構(gòu)建充電設(shè)備和電動汽車間的虛擬化網(wǎng)絡(luò)切片，可以實現(xiàn)對車輛行駛軌跡和網(wǎng)絡(luò)流量的監(jiān)控，也能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置。目前，國內(nèi)外學(xué)者對網(wǎng)絡(luò)切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究大多停留在啟發(fā)式算法建模及智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)需求和行車安全等方面。今后，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用會向移動預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測及智能電網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)融合場景中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)需求和行車安全的方向發(fā)展。通過對網(wǎng)絡(luò)切片在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與發(fā)展研究，讓更多人了解網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)勢和發(fā)展前景，促進網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展。