文摘：隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅增長和5G技術的發(fā)展，以5G為核心的邊緣計算技術作為一種實時數(shù)據(jù)處理方法，有著廣泛的應用前景。首先分析了5G，邊緣計算的特點，然后研究將這兩種技術結(jié)合到網(wǎng)關，根據(jù)變電站的業(yè)務背景，提出基于5G邊緣計算網(wǎng)關的應用方案。

0.引言

伴隨著5G網(wǎng)絡的發(fā)展，邊緣計算技術受到了越來越多的關注。商業(yè)需求和網(wǎng)絡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)絡數(shù)據(jù)傳輸中的關鍵設備，網(wǎng)關起著協(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)絡處理，向監(jiān)管平臺發(fā)送重要安全信息并發(fā)布預警，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結(jié)合到網(wǎng)關，并根據(jù)網(wǎng)絡中變電站的業(yè)務背景，提出解決方案。

1 5G技術特征。

工信部發(fā)放的5G商用牌照標志著中國正式進入5G商用時代，但5G技術的發(fā)展仍在繼續(xù)，正在為我們的生活提供更便捷的應用。

5G全稱為第五代通信技術，是新一代的蜂窩移動通信技術，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)絡使移動網(wǎng)絡延遲達到100ms，而5G網(wǎng)絡則能達到1ms的時延，能滿足對時延要求非常低的服務；

(3)改進系統(tǒng)能力和大規(guī)模設備連接，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，它帶來的便利和技術的變化，都將推動經(jīng)濟的發(fā)展。

2.邊緣計算技術的特征。

在邊緣計算中，數(shù)據(jù)處理被集成到邊緣設備中，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，相應的應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)絡相比，本地設備的數(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，有效減少響應時間。

(2)成本低：利用邊緣設備對數(shù)據(jù)進行過濾.計算和分析，減少在骨干網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳送量，降低網(wǎng)絡帶寬需求，從而降低數(shù)據(jù)處理費用和設備能耗。

(3)可靠性高：邊緣設備本身有處理能力，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。在設備端進行邊緣計算分布，也就是說，各種終端設備都增加了存儲、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.移動邊緣計算技術在5G中的應用場景。

移動邊緣計算技術是指在移動通信網(wǎng)側(cè)配置具有計算和管理能力的服務器，提高無線接入網(wǎng)絡的信息處理能力，降低移動骨干網(wǎng)絡的傳輸帶寬。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，結(jié)合5G網(wǎng)絡的應用場景和邊緣計算技術特點，研究了5G移動邊緣計算的應用場景。

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)絡體驗，但對核心網(wǎng)絡也是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為滿足5G網(wǎng)絡的靈活性和低延遲，減輕網(wǎng)絡回傳負擔，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)絡具備云計算的能力，實現(xiàn)業(yè)務的本地化.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)設置邊緣計算服務器，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，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)對特殊應用的需求。

作為實例，本文介紹了一種基于5G網(wǎng)絡的變電所機器人遠距離控制方法，結(jié)合邊緣計算技術可以達到毫秒級的響應，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)務安全。

4.邊緣計算網(wǎng)關基于5G。

以5G為基礎的邊緣計算網(wǎng)關是一種連接網(wǎng)絡的設備，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)關體系結(jié)構圖見圖1。本系統(tǒng)由云服務器.邊緣計算網(wǎng)關設備、傳感器等終端設備組成。邊緣化計算模塊包括邊緣應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)，從云服務器接收指令，并執(zhí)行相應動作。并且用戶所需要做的是在云服務器上完成指令的發(fā)送，云服務通過無線信號(Wi-Fi).以太網(wǎng)和4G.5G等向網(wǎng)關設備發(fā)送指令，在網(wǎng)關轉(zhuǎn)換協(xié)議之后，邊緣計算模塊向終端設備發(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技術不斷發(fā)展，再通過獨立的組網(wǎng)SA技術，5G核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡切片靈活的利用網(wǎng)絡資源，可以極大地提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，并提供低延遲。

圖１５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關系統(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)務的實時性和有效性。

5、基于５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關在電網(wǎng)中的應用

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)，導致處理數(shù)據(jù)更加麻煩且任務量大。

5.2面向業(yè)務的５Ｇ邊緣計算解決方案

通過利用５Ｇ和邊緣計算的網(wǎng)關設備，能夠在邊緣設備即可將大量的數(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)并采取相應的措施，達到效率速度化。

根據(jù)電網(wǎng)的業(yè)務需求，可分為：低時延的智能配電、準確負控業(yè)務，多連接的低壓抄表、分布接入業(yè)務和大帶寬的巡檢機器、應急通信業(yè)務；結(jié)合５Ｇ邊緣計算的特點，各種類型的業(yè)務通過網(wǎng)關匯聚，接入到邊緣計算中心；根據(jù)業(yè)務的需要，進一步上傳到控制子站或主站。

面向業(yè)務的５Ｇ邊緣計算解決方案如圖２所示。

6安科瑞智能網(wǎng)關產(chǎn)品解決方案

6.1智能網(wǎng)關功能介紹

-- 終端設備與系統(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)關產(chǎn)品介紹

6.2.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網(wǎng)關

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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)絡通訊功能的通用型智能通訊管理機，適合國家公務機關、企事業(yè)單位、公共機構、住宅樓、酒店和餐飲商場等領域，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。

這個設備可以用于下列應用場景：

?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) ?遠程預付費系統(tǒng) ?消防防護系統(tǒng) ?智能建筑系統(tǒng)

技術特點

6.2.2Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關

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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準智能通信管理機獨立工作， 整個設備可通過串口、以太網(wǎng)、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數(shù)據(jù)，標配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關量信息，可通過有線網(wǎng)絡、 WiFi網(wǎng)絡、4G網(wǎng)絡等鏈路上傳告警、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 應用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

該設備可用于以下應用場景：

?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標準數(shù)據(jù)接口，可方便地與電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備進行連接，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設備的數(shù)據(jù)采集。內(nèi)置式看門狗技術，性能可靠穩(wěn)定。

結(jié)語

論述了邊緣計算網(wǎng)關及其在5G電網(wǎng)中的應用，并結(jié)合變電業(yè)務介紹了5G網(wǎng)絡，邊緣計算在變電站中的應用方案。盡管5G技術尚處于起步階段，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)關的研發(fā)與應用。

審核編輯：符乾江