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文摘：隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅增長和5G技術(shù)的發(fā)展，以5G為核心的邊緣計算技術(shù)作為一種實時數(shù)據(jù)處理方法，有著廣泛的應(yīng)用前景。首先分析了5G，邊緣計算的特點，然后研究將這兩種技術(shù)結(jié)合到網(wǎng)關(guān)，根據(jù)變電站的業(yè)務(wù)背景，提出基于5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用方案。
0.引言
伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，邊緣計算技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。商業(yè)需求和網(wǎng)絡(luò)升級進一步推動邊緣計算的發(fā)展[1]。云容量不足，無法滿足飛速增長的海量數(shù)據(jù)需求。另外，由于傳輸負載的急劇增長，會導(dǎo)致延遲增長，無法滿足實時要求，使邊緣計算成為研究的熱點。
作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的關(guān)鍵設(shè)備，網(wǎng)關(guān)起著協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理的功能，采用邊界計算的方法，可對數(shù)據(jù)進行初始過濾和邊緣網(wǎng)絡(luò)處理，向監(jiān)管平臺發(fā)送重要安全信息并發(fā)布預(yù)警，使處理信息的效率得以提高，能夠更加及時地獲取隱患信息。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，變電站在智能電網(wǎng)中的作用越來越大，但隨著傳感器數(shù)量的增加和智能巡檢機器人的普及，變電站的數(shù)據(jù)傳輸量也日益增加。若將所有數(shù)據(jù)送至云中進行處理，會造成時延增長，處理不及時，無法及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，而基于5G的邊緣計算技術(shù)可以解決這些問題。
本論文從5G和邊緣計算的特點出發(fā)，研究了將這兩種技術(shù)結(jié)合到網(wǎng)關(guān)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中變電站的業(yè)務(wù)背景，提出解決方案。
1 5G技術(shù)特征。
工信部發(fā)放的5G商用牌照標(biāo)志著中國正式進入5G商用時代，但5G技術(shù)的發(fā)展仍在繼續(xù)，正在為我們的生活提供更便捷的應(yīng)用。
5G全稱為第五代通信技術(shù)，是新一代的蜂窩移動通信技術(shù)，其特點如下：
(1)數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達10GB/s，能滿足大容量傳輸；
(2)低延遲、LTE網(wǎng)絡(luò)使移動網(wǎng)絡(luò)延遲達到100ms，而5G網(wǎng)絡(luò)則能達到1ms的時延，能滿足對時延要求非常低的服務(wù)；
(3)改進系統(tǒng)能力和大規(guī)模設(shè)備連接，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，將不同終端連接在一起。
5G不僅是移動電話通訊的一項重大進步，對于物聯(lián)網(wǎng)也是一項非常有用的技術(shù)，它帶來的便利和技術(shù)的變化，都將推動經(jīng)濟的發(fā)展。
2.邊緣計算技術(shù)的特征。
在邊緣計算中，數(shù)據(jù)處理被集成到邊緣設(shè)備中，其目的在于減少延時，使數(shù)據(jù)可以快速處理，而不需要等待數(shù)據(jù)被傳送到傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心去處理，在延時較短的情況下，相應(yīng)的應(yīng)用程序可以更早地運行。與此同時，與云和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)相比，本地設(shè)備的數(shù)據(jù)管理花費更少，因此可以降低成本[2]。具體地說，邊緣計算有以下特征：
(1)時延低：利用邊緣設(shè)備對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理，有效減少響應(yīng)時間。
(2)成本低：利用邊緣設(shè)備對數(shù)據(jù)進行過濾.計算和分析，減少在骨干網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送量，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，從而降低數(shù)據(jù)處理費用和設(shè)備能耗。
(3)可靠性高：邊緣設(shè)備本身有處理能力，即使上層數(shù)據(jù)處理中心出了問題，也不會影響使用者的正常使用。
邊計算就是為解決云計算去中心化而提出的，目前云計算都是把服務(wù)器集中放在一個數(shù)據(jù)中心，
數(shù)據(jù)需要先傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，然后才能集中處理，但隨著終端設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)量的逐漸增大，傳輸如此龐大的數(shù)據(jù)開銷非常昂貴，時延也成為瓶頸。在設(shè)備端進行邊緣計算分布，也就是說，各種終端設(shè)備都增加了存儲、處理等功能，這樣可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少時延，降低成本。與此同時，隱私權(quán)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)皆茣r可能會出現(xiàn)泄漏問題，利用邊緣計算可以減少數(shù)據(jù)泄漏的可能性。
3.移動邊緣計算技術(shù)在5G中的應(yīng)用場景。
移動邊緣計算技術(shù)是指在移動通信網(wǎng)側(cè)配置具有計算和管理能力的服務(wù)器，提高無線接入網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力，降低移動骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。5G具有低延遲、高可靠等特點，將促進移動邊緣計算的發(fā)展。本論文以ITU-T為基礎(chǔ)，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景和邊緣計算技術(shù)特點，研究了5G移動邊緣計算的應(yīng)用場景。
3.1增強移動帶寬方案(eMMB)
與4G相比，5G采用LDPC編碼，高階調(diào)制.大規(guī)模MIMO、毫米波等技術(shù)手段，進一步擴展頻譜帶寬，5G的總體頻譜效率比4G高3倍，用戶體驗率可達1GB/s，這給人們帶來不同的網(wǎng)絡(luò)體驗，但對核心網(wǎng)絡(luò)也是一個巨大的挑戰(zhàn)。
為滿足5G網(wǎng)絡(luò)的靈活性和低延遲，減輕網(wǎng)絡(luò)回傳負擔(dān)，核心網(wǎng)下沉、云邊緣化成為必然趨勢。云邊緣化是指使5G無線接入網(wǎng)絡(luò)具備云計算的能力，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化.數(shù)據(jù)緩存.數(shù)據(jù)局部計算等功能。
本文以無人駕駛飛機巡檢為例，通過控制臺，與5G基站相連，在5G基站側(cè)設(shè)置邊緣計算服務(wù)器，實現(xiàn)對視頻.圖像和控制信息的本地存儲和處理，并通過控制臺直接返回到控制臺，確保巡檢工作順利進行。
3.2大容量機類通信(MTC)
與4G相比，可連接數(shù)密度方面，5G每平方千米的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量高達一百萬臺，提高10倍，同時5G大容量機器類通訊具有數(shù)據(jù)包小、功耗低等特點。
據(jù)預(yù)測，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量將達500億。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中大規(guī)模部署不僅是對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，更是對終端電池容量的考驗。因此，將5G大容量計算機通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)終端的快速增長需求相結(jié)合，與邊緣計算相結(jié)合，縮短物聯(lián)網(wǎng)終端的連接時間，將進一步降低物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。
作為一種電力系統(tǒng)采集業(yè)務(wù)，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，采集對象的數(shù)量.采集內(nèi)容的種類.采集頻率大大提高。有了5G的部署，就可以實現(xiàn)采集的準實時性，采集的內(nèi)容多種多樣，采集范圍更廣，采集數(shù)量更多。
3.3低時延高可靠通信（ｕＲＬＬＣ）
與4G相比，5G將會是1ms級，而5G將會提高10ms；在移動性方面，5G支持每小時500km/h的通信環(huán)境，可提供1.43倍的提升。所以，5G網(wǎng)絡(luò)具有處理速度快、低延遲的能力?？蓾M足車聯(lián)網(wǎng)、工控等垂直行業(yè)對特殊應(yīng)用的需求。
作為實例，本文介紹了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的變電所機器人遠距離控制方法，結(jié)合邊緣計算技術(shù)可以達到毫秒級的響應(yīng)，保證巡檢發(fā)現(xiàn)問題時，能及時回傳故障信息，確保生產(chǎn)業(yè)務(wù)安全。
4.邊緣計算網(wǎng)關(guān)基于5G。
以5G為基礎(chǔ)的邊緣計算網(wǎng)關(guān)是一種連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，它通過協(xié)議轉(zhuǎn)換來進行信息交換，一方面用邊緣計算改善數(shù)據(jù)計算性能，另一方面用5G提升信息傳輸效率[5]。
5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)圖見圖1。本系統(tǒng)由云服務(wù)器.邊緣計算網(wǎng)關(guān)設(shè)備、傳感器等終端設(shè)備組成。邊緣化計算模塊包括邊緣應(yīng)用軟件和邊緣計算平臺兩大部分：數(shù)據(jù)采集模塊從傳感器等終端上收集數(shù)據(jù)，然后邊緣計算平臺對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一控制和管理。邊緣化應(yīng)用程序提供運行環(huán)境，包括信息獲取，處理邊緣數(shù)據(jù)，從云服務(wù)器接收指令，并執(zhí)行相應(yīng)動作。并且用戶所需要做的是在云服務(wù)器上完成指令的發(fā)送，云服務(wù)通過無線信號(Wi-Fi).以太網(wǎng)和4G.5G等向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送指令，在網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議之后，邊緣計算模塊向終端設(shè)備發(fā)出操作指令[4]。目前，5G的發(fā)展還處于起步階段，運營商在5G部署時，主要采用的是非獨立組網(wǎng)，有必要使用4G基站.增強的4G基站和少量的5G基站，但由于所用的仍是4G核心網(wǎng)，無法提供特別低的延遲，需要等到5G技術(shù)不斷發(fā)展，再通過獨立的組網(wǎng)SA技術(shù)，5G核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡(luò)切片靈活的利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，并提供低延遲。
圖１５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)
基于５Ｇ的邊緣計算，可以充分利用５Ｇ高速度、大容量和低時延的三個特點，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的接入和處理，保證業(yè)務(wù)的實時性和有效性。
5、基于５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關(guān)在電網(wǎng)中的應(yīng)用
5.1商業(yè)背景。
變電所在電網(wǎng)的傳輸中扮演著非常重要的角色──它是把電力系統(tǒng)中的電壓、電流進行交換，接收電能并把來自發(fā)電機的電能輸送到高壓電網(wǎng)中，然后再輸送給高壓電網(wǎng)。
伴隨著智能型電網(wǎng)的發(fā)展，變電站信息、視頻監(jiān)控、安全信息等信息也在不斷增加。變電所普遍分布在人口比較稀少的地區(qū)，又因其情況時時掌握，因此需要專業(yè)人員對變電站內(nèi)各部分進行實時監(jiān)控。
現(xiàn)代變電所由于加入了智能機器人等智能巡檢設(shè)備，就可以不用像以前那樣經(jīng)常需要人工對現(xiàn)場進行監(jiān)控，減少了一定的安全隱患并提高了效率。但智能巡檢機器人或變電站智能終端向監(jiān)控中心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，消耗了大量的流量資源。
圖２面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計算解決方案
除了變電站內(nèi)部運維數(shù)據(jù)，從變電站向用戶傳輸電力時，每天各個時段輸送的電量、不同地區(qū)所需電量也屬于大流量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)更加麻煩且任務(wù)量大。
5.2面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計算解決方案
通過利用５Ｇ和邊緣計算的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，能夠在邊緣設(shè)備即可將大量的數(shù)據(jù)存儲并進行初步處理，然后將非常重要的信息，例如有安全隱患的數(shù)據(jù)，發(fā)送到監(jiān)控中心并提出警示信號，使得監(jiān)管人員能夠發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，達到效率速度化。
根據(jù)電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可分為：低時延的智能配電、準確負控業(yè)務(wù)，多連接的低壓抄表、分布接入業(yè)務(wù)和大帶寬的巡檢機器、應(yīng)急通信業(yè)務(wù)；結(jié)合５Ｇ邊緣計算的特點，各種類型的業(yè)務(wù)通過網(wǎng)關(guān)匯聚，接入到邊緣計算中心；根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，進一步上傳到控制子站或主站。
面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計算解決方案如圖２所示。
6安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品解決方案
6.1智能網(wǎng)關(guān)功能介紹
-- 終端設(shè)備與系統(tǒng)平臺間的數(shù)據(jù)交互橋梁
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A:數(shù)據(jù)采集（支持串口、以太網(wǎng)，只需配置即可兼容支持標(biāo)準電力規(guī)約的各類儀表）
B:數(shù)據(jù)上傳（支持往上海分類分項能耗平臺、寧夏電力需求側(cè)平臺、江蘇電力運維平臺、浙江電力運維平臺上傳數(shù)據(jù)），具有多平臺上傳能力；
C:邊緣計算（靈活的報警閾值設(shè)置、主動上傳報警信息、數(shù)據(jù)合并計算、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密、4G路由）
D:遠程管理（遠程配置、遠程升級、遠程監(jiān)視）
6.2 安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品介紹
6.2.1 Anet-**/4G系列導(dǎo)軌式智能網(wǎng)關(guān)
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ANT**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主開發(fā)的一種具有無線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的通用型智能通訊管理機，適合國家公務(wù)機關(guān)、企事業(yè)單位、公共機構(gòu)、住宅樓、酒店和餐飲商場等領(lǐng)域，能滿足水、電、氣、油、冷、熱、冷等不同用量及能耗分項計量數(shù)據(jù)采集要求。
這個設(shè)備可以用于下列應(yīng)用場景：
?電源監(jiān)測系統(tǒng)? 電力質(zhì)量系統(tǒng) ?互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ?Development系統(tǒng)。
?建筑能耗系統(tǒng) ?遠程預(yù)付費系統(tǒng) ?消防防護系統(tǒng) ?智能建筑系統(tǒng)
技術(shù)特點
6.2.2Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關(guān)
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ANet-2E4SM模塊化通信管理機是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機，將傳統(tǒng)管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標(biāo)準智能通信管理機獨立工作， 整個設(shè)備可通過串口、以太網(wǎng)、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備 終端的數(shù)據(jù)，標(biāo)配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關(guān)量信息，可通過有線網(wǎng)絡(luò)、 WiFi網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)等鏈路上傳告警、實時數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的 應(yīng)用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。
該設(shè)備可用于以下應(yīng)用場景：
?電力監(jiān)控系統(tǒng) ?電能質(zhì)量系統(tǒng) ?物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ?電力需求側(cè)系統(tǒng)
?建筑能耗系統(tǒng) ?遠程預(yù)付費系統(tǒng) ?第三方云平臺 ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng)
?運維系統(tǒng)平臺 ?能源綜合管理平臺
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AWT100數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU、通信數(shù)據(jù)。
它的產(chǎn)品包括2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN、GPS、WiFi、CE、DP等通信方式，下行口為RS485標(biāo)準數(shù)據(jù)接口，可方便地與電力儀表、RTU、PLC、工控機等設(shè)備進行連接，初始化配置只需要一次完成，同時，AWT100系列無線通信終端采用了功能強大的微處理芯片，實現(xiàn)了MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。內(nèi)置式看門狗技術(shù)，性能可靠穩(wěn)定。
結(jié)語
論述了邊緣計算網(wǎng)關(guān)及其在5G電網(wǎng)中的應(yīng)用，并結(jié)合變電業(yè)務(wù)介紹了5G網(wǎng)絡(luò)，邊緣計算在變電站中的應(yīng)用方案。盡管5G技術(shù)尚處于起步階段，但最初的部署仍采用非獨立組網(wǎng)，無法充分顯示出它的特點(如低延遲)，認為隨著5G和邊緣計算技能體系的不斷完善，獨立組網(wǎng)部署5G技術(shù)也逐步成熟，可以更精確、更便捷，對較多數(shù)據(jù)信息進行快速處理，達到了提高數(shù)據(jù)傳輸率、減少延遲的目的。
作者簡介：張星，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為無線通訊邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用。
審核編輯：符乾江
工商網(wǎng)監(jiān)
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