安科瑞工業(yè)通訊智能網(wǎng)關(guān)

摘要：隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅度提升以及5G技術(shù)的發(fā)展，基于5G的邊緣計(jì)算技術(shù)，作為一種實(shí)時(shí)快速數(shù)據(jù)處理方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。先對(duì)5G、邊緣計(jì)算的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，然后研究這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的結(jié)合，基于變電站的業(yè)務(wù)背景提出基于5G的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用解決方案。

　　關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò);邊緣計(jì)算;網(wǎng)關(guān);電網(wǎng)應(yīng)用

　　0、引言

　　隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于5G的邊緣計(jì)算技術(shù)得到廣泛關(guān)注。業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)了邊緣計(jì)算的發(fā)展。云計(jì)算能力不足，不能滿足爆炸式增長的海量數(shù)據(jù)需求。此外，傳輸負(fù)載急劇增加會(huì)導(dǎo)致時(shí)延加長，不能滿足實(shí)時(shí)性要求，這些都使得邊緣計(jì)算變成了研究的熱點(diǎn)。

　　網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)揮著協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理的作用，通過邊緣計(jì)算的手段可以將數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行初步篩選并處理，將重要的安全信息發(fā)送到監(jiān)管平臺(tái)并發(fā)出警告，使得處理信息效率得到提高并能夠更及時(shí)地獲得隱患信息。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，變電站在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是由于傳感器數(shù)量不斷增多以及智能巡檢機(jī)器人的普及，數(shù)據(jù)傳輸不斷增加。如果全部數(shù)據(jù)均發(fā)送到云端進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)致時(shí)延增長，處理不及時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，基于5G的邊緣計(jì)算技術(shù)可以解決這些問題。

　　本文首先研究5G和邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，然后研究這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的結(jié)合，提出基于電網(wǎng)中變電站的業(yè)務(wù)背景的解決方案。

　　1、 5G技術(shù)特點(diǎn)

 　5G全稱第五代通信技術(shù)，是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有如下特點(diǎn)：

　　(1)具有高數(shù)據(jù)傳輸率，可達(dá)10GB/s，可以滿足大數(shù)據(jù)量傳輸;

　　(2)低延遲，LTE網(wǎng)絡(luò)使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延達(dá)到100ms，但是5G網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到1ms的時(shí)延，可以滿足對(duì)時(shí)延要求很低的服務(wù);

　　(3)提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)要求，將各個(gè)終端連接起來。

　　5G不僅對(duì)手機(jī)移動(dòng)通信來說是很大的進(jìn)步，而且對(duì)物聯(lián)網(wǎng)來說也是非常有用的技術(shù)，它所帶來的方便以及技術(shù)變革將會(huì)使經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　 2、邊緣計(jì)算技術(shù)的特點(diǎn)

　　在邊緣計(jì)算中，將數(shù)據(jù)處理這一過程集成到邊緣設(shè)備中，其目的就是為了減少延遲，這樣就能快速地處理數(shù)據(jù)，而不用等到數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)中心再進(jìn)行處理，延遲降低了之后，相應(yīng)的應(yīng)用程序就能夠更早地運(yùn)行。同時(shí)，在本地設(shè)備的數(shù)據(jù)管理上的花費(fèi)比在云和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)上的花費(fèi)更少，從而能夠降低成本。具體而言，邊緣計(jì)算的特點(diǎn)如下：

　　(1)時(shí)延低：利用邊緣設(shè)備處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，響應(yīng)的時(shí)間縮短。

　　(2)成本低：利用邊緣設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾、計(jì)算和分析，減少數(shù)據(jù)在骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸量，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，從而降低數(shù)據(jù)處理成本和設(shè)備能耗。

　　(3)可靠性高：邊緣設(shè)備本身具有計(jì)算處理能力，即使上層數(shù)據(jù)處理中心出現(xiàn)問題，也不會(huì)影響到用戶的正常使用。

　　邊緣計(jì)算是為了解決云計(jì)算去中心化而提出的方法，目前云計(jì)算都是將服務(wù)器集中放置在一個(gè)數(shù)據(jù)中心，

　　需要將數(shù)據(jù)先傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心然后再進(jìn)行集中處理，但是隨著終端設(shè)備不斷增多帶來的數(shù)據(jù)量的逐漸變大，傳輸如此巨大的數(shù)據(jù)量成本很高，時(shí)延也成為瓶頸。邊緣計(jì)算分布式部署在設(shè)備端，即將各種終端設(shè)備增加了存儲(chǔ)、處理等功能，這樣就可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少時(shí)延，降低了成本。同時(shí)，隱私數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫说倪^程中可能存在泄露的問題，使用邊緣計(jì)算可以降低數(shù)據(jù)泄露的可能性。

　　3、基于5G的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用場景

　　傳統(tǒng)的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)指的是在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置具有計(jì)算和管理能力的服務(wù)器，提升無線接入網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力，降低移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。5G具有低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)，這將進(jìn)一步推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算的發(fā)展。本文結(jié)合ITU-T定義的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和邊緣計(jì)算技術(shù)特點(diǎn)，研究基于5G移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用場景。

　　3.1增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬場景(eMMB)

　　相較于4G，5G采用LDPC編碼、高階調(diào)制、大規(guī)模MIMO和毫米波等技術(shù)手段，進(jìn)一步拓展頻譜帶寬，5G的整體頻譜效率比4G提升了3倍，用戶體驗(yàn)速率可達(dá)到1GB/s，這給人們帶來了不一樣的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，同時(shí)也給核心網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

　　為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)的靈活 性和低延時(shí)、減輕網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)擔(dān)，核心網(wǎng)下沉和云邊緣化成為必然趨勢。云邊緣化就是使5G無線接入網(wǎng)絡(luò)具有云計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)本地計(jì)算等功能。

　　以電網(wǎng)輸電線路無人機(jī)巡檢為例，無人機(jī)通過控制臺(tái)，與5G基站連接，在5G基站側(cè)部署邊緣計(jì)算服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)視頻、圖像和控制信息的本地存儲(chǔ)和處理，然后相關(guān)處理結(jié)果直接回傳至控制臺(tái)，保證巡檢工作順利進(jìn)行。

　　3.2 海量機(jī)器類通信(mMTC)

　　相較于4G，可連接數(shù)密度方面，5G每平方千米可連網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量高達(dá)100萬個(gè)，提升了10倍，同時(shí)5G海量機(jī)器類通信具有數(shù)據(jù)包小、功耗低等特點(diǎn)。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測，2020年物聯(lián)網(wǎng)終端達(dá)到500億個(gè)。大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)終端部署，不但給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，而且考驗(yàn)著物聯(lián)網(wǎng)終端的電池容量?？梢哉f，5G海量機(jī)器類通信技術(shù)大大地滿足了物聯(lián)網(wǎng)終端飛速增長的需求;此外，結(jié)合邊緣計(jì)算，縮短物聯(lián)網(wǎng)終端連接時(shí)間，將進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。

　　以電網(wǎng)采集類業(yè)務(wù)為例，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，采集對(duì)象數(shù)量、采集內(nèi)容種類、采集頻次都大大增加。隨著5G的部署，可實(shí)現(xiàn)采集的準(zhǔn)實(shí)時(shí)、采集內(nèi)容的多樣化，采集范圍更廣以及采集數(shù)量更多。

　　3.3低時(shí)延高可靠通信(uRLLC)

　　相較于4G，端到端時(shí)延方面，5G將達(dá)到1ms級(jí)，提升了10倍;移動(dòng)性方面，5G支持時(shí)速高達(dá)500km/h的通信環(huán)境，提升了1.43倍。因此，5G網(wǎng)絡(luò)具有高速、低時(shí)延的處理能力。這可以滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求。

　　以電網(wǎng)變電站機(jī)器巡檢為例，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制，結(jié)合邊緣計(jì)算的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的響應(yīng)，保證巡檢發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，故障信息及時(shí)回傳和處理，確保生產(chǎn)業(yè)務(wù)安全。

　　4、基于5G的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)

　　基于5G的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)將網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)信息交換，一方面利用邊緣計(jì)算提高數(shù)據(jù)計(jì)算性能;另一方面利用5G提升信息傳遞效率。

　　5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由云服務(wù)器、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及傳感器等終端設(shè)備組成。邊緣計(jì)算模塊由邊緣應(yīng)用程序和邊緣計(jì)算平臺(tái)兩個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊收集傳感器等終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后邊緣計(jì)算平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。邊緣應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，包括信息獲取、邊緣數(shù)據(jù)處理，接收來自云服務(wù)器的指令并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。而用戶所需要操作的就是在云服務(wù)器完成指令的發(fā)送，云端服務(wù)器利用無線信號(hào)(如Wi-Fi等)、以太網(wǎng)和4G、5G等方式將指令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)對(duì)其進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后在邊緣計(jì)算模塊發(fā)出對(duì)終端設(shè)備的操作指令。在現(xiàn)階段的5G發(fā)展中，由于正處于剛剛起步狀態(tài)，運(yùn)營商部署5G時(shí)使用的是非獨(dú)立組網(wǎng)，需要利用4G基站、增強(qiáng)型4G基站以及少量5G基站來實(shí)現(xiàn)，但是由于使用的仍然是4G核心網(wǎng)，并不能提供特別低的時(shí)延，需要等到5G技術(shù)不斷發(fā)展，通過獨(dú)立組網(wǎng)SA技術(shù)，5G核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡(luò)切片靈活地使用網(wǎng)絡(luò)資源，才能大大提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量以及提供低時(shí)延。

　　邊緣計(jì)算有何特點(diǎn)呢?

　　1.分布式和低延時(shí)計(jì)算

　　邊緣計(jì)算聚焦實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的分析，能夠更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行

　　2.效率更高

　　由于邊緣計(jì)算距離用戶更近，在邊緣節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的過濾和分析，因此效率更高

　　3.更加節(jié)能

　　云計(jì)算和邊緣計(jì)算結(jié)合，更加有利用云計(jì)算節(jié)能。

　　4.緩解流量壓力

　　在進(jìn)行云端傳輸時(shí)通過邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一部分簡單數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而能夠設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，減少從設(shè)備到云端的數(shù)據(jù)流量。

　　圖15G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

　　基于5G的邊緣計(jì)算，可以充分利用5G高速度、大容量和低時(shí)延的三個(gè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的接入和處理，保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。

　　5、基于5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

　　5.1業(yè)務(wù)背景

　　在電網(wǎng)傳輸中，變電站發(fā)揮著一個(gè)十分重要的作用———它是一個(gè)將電力系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流進(jìn)行交換，接收電能及分配電能的場所，它將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能升壓后饋送到高壓電網(wǎng)中。

　　隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，變電站中需要處理的信息越來越多，包括數(shù)據(jù)信息、視頻監(jiān)控、安全信息等。變電站一般分布在人口相對(duì)少的地區(qū)，又由于其情況需要時(shí)刻掌握以保證安全，所以需要相關(guān)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站內(nèi)部各個(gè)部分情況。

　　在現(xiàn)代化的變電站中由于智能機(jī)器人等智能巡檢設(shè)備的加入，可以不用像以前一樣需要人力頻繁去現(xiàn)場監(jiān)控，減少了一定的安全隱患并且提高了效率。但是智能巡檢機(jī)器人或者變電站智能終端傳送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)量不斷擴(kuò)大，消耗了大量的流量資源。

　　圖2面向業(yè)務(wù)的5G邊緣計(jì)算解決方案

　　除了變電站內(nèi)部運(yùn)維數(shù)據(jù)，從變電站向用戶傳輸電力時(shí)，每天各個(gè)時(shí)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(jì)算解決方案

　　通過利用5G和邊緣計(jì)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(chǔ)并進(jìn)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(hào)，使得監(jiān)管人員能夠在及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，達(dá)到效率速度化。

　　根據(jù)電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可分為：低時(shí)延的智能配電、負(fù)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(jī)器、應(yīng)急通信業(yè)務(wù);結(jié)合5G邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，各種類型的業(yè)務(wù)通過網(wǎng)關(guān)匯聚，接入到邊緣計(jì)算中心;根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，進(jìn)一步上傳到控制子站或主站。

　　面向業(yè)務(wù)的5G邊緣計(jì)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(tái)間的數(shù)據(jù)交互橋梁

　　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(zhǔn)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(xiàng)能耗平臺(tái)、寧夏電力需求側(cè)平臺(tái)、江蘇電力運(yùn)維平臺(tái)、浙江電力運(yùn)維平臺(tái)上傳數(shù)據(jù))，具有多平臺(tái)上傳能力;

　　C:邊緣計(jì)算(靈活的報(bào)警閾值設(shè)置、主動(dòng)上傳報(bào)警信息、數(shù)據(jù)合并計(jì)算、斷點(diǎn)續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密、4G路由)

　　D:遠(yuǎn)程管理(遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級(jí)、遠(yuǎn)程監(jiān)視)

安科瑞工業(yè)通訊智能網(wǎng)關(guān)

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作者簡介：潘麗，女，本科  現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司