文摘：隨著數據信息量的大幅增長和5G技術的發展，以5G為核心的邊緣計算技術作為一種實時數據處理方法，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合到網關，根據變電站的業務背景，提出基于5G邊緣計算網關的應用方案。

0.引言

伴隨著5G網絡的發展，邊緣計算技術受到了越來越多的關注。商業需求和網絡升級進一步推動邊緣計算的發展[1]。云容量不足，無法滿足飛速增長的海量數據需求。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。

作為網絡數據傳輸中的關鍵設備，網關起著協議轉換和數據處理的功能，采用邊界計算的方法，可對數據進行初始過濾和邊緣網絡處理，向監管平臺發送重要安全信息并發布預警，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。隨著物聯網技術的發展，變電站在智能電網中的作用越來越大，但隨著傳感器數量的增加和智能巡檢機器人的普及，變電站的數據傳輸量也日益增加。若將所有數據送至云中進行處理，會造成時延增長，處理不及時，無法及時發現安全隱患，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，研究了將這兩種技術結合到網關，并根據網絡中變電站的業務背景，提出解決方案。

1 5G技術特征。

工信部發放的5G商用牌照標志著中國正式進入5G商用時代，但5G技術的發展仍在繼續，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)數據傳輸速率高，可達10GB/s，能滿足大容量傳輸；

(2)低延遲、LTE網絡使移動網絡延遲達到100ms，而5G網絡則能達到1ms的時延，能滿足對時延要求非常低的服務；

(3)改進系統能力和大規模設備連接，以滿足物聯網的需求，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，對于物聯網也是一項非常有用的技術，它帶來的便利和技術的變化，都將推動經濟的發展。

2.邊緣計算技術的特征。

在邊緣計算中，數據處理被集成到邊緣設備中，其目的在于減少延時，使數據可以快速處理，而不需要等待數據被傳送到傳統的數據中心去處理，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，與云和數據中心網絡相比，本地設備的數據管理花費更少，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：利用邊緣設備對數據進行處理，實現數據的實時處理，有效減少響應時間。

(2)成本低：利用邊緣設備對數據進行過濾.計算和分析，減少在骨干網絡中的數據傳送量，降低網絡帶寬需求，從而降低數據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，即使上層數據處理中心出了問題，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據中心，

數據需要先傳輸到數據中心，然后才能集中處理，但隨著終端設備數量的增加，數據量的逐漸增大，傳輸如此龐大的數據開銷非常昂貴，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，這樣可以減少傳輸的數據量，減少時延，降低成本。與此同時，隱私權數據在傳輸到云時可能會出現泄漏問題，利用邊緣計算可以減少數據泄漏的可能性。

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側配置具有計算和管理能力的服務器，提高無線接入網絡的信息處理能力，降低移動骨干網絡的傳輸帶寬。5G具有低延遲、高可靠等特點，將促進移動邊緣計算的發展。本論文以ITU-T為基礎，結合5G網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，高階調制.大規模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絡體驗，但對核心網絡也是一個巨大的挑戰。

為滿足5G網絡的靈活性和低延遲，減輕網絡回傳負擔，核心網下沉、云邊緣化成為必然趨勢。云邊緣化是指使5G無線接入網絡具備云計算的能力，實現業務的本地化.數據緩存.數據局部計算等功能。

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基站側設置邊緣計算服務器，實現對視頻.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，可連接數密度方面，5G每平方千米的聯網設備數量高達一百萬臺，提高10倍，同時5G大容量機器類通訊具有數據包小、功耗低等特點。

據預測，2020年全球物聯網終端數量將達500億。在物聯網系統中大規模部署不僅是對物聯網網絡系統的挑戰，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網終端的快速增長需求相結合，與邊緣計算相結合，縮短物聯網終端的連接時間，將進一步降低物聯網終端的能耗。

作為一種電力系統采集業務，隨著智能電網的發展，采集對象的數量.采集內容的種類.采集頻率大大提高。有了5G的部署，就可以實現采集的準實時性，采集的內容多種多樣，采集范圍更廣，采集數量更多。

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的通信環境，可提供1.43倍的提升。所以，5G網絡具有處理速度快、低延遲的能力。可滿足車聯網、工控等垂直行業對特殊應用的需求。

作為實例，本文介紹了一種基于5G網絡的變電所機器人遠距離控制方法，結合邊緣計算技術可以達到毫秒級的響應，保證巡檢發現問題時，能及時回傳故障信息，確保生產業務安全。

4.邊緣計算網關基于5G。

以5G為基礎的邊緣計算網關是一種連接網絡的設備，它通過協議轉換來進行信息交換，一方面用邊緣計算改善數據計算性能，另一方面用5G提升信息傳輸效率[5]。

5G邊緣計算網關體系結構圖見圖1。本系統由云服務器.邊緣計算網關設備、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：數據采集模塊從傳感器等終端上收集數據，然后邊緣計算平臺對采集到的數據進行統一控制和管理。邊緣化應用程序提供運行環境，包括信息獲取，處理邊緣數據，從云服務器接收指令，并執行相應動作。并且用戶所需要做的是在云服務器上完成指令的發送，云服務通過無線信號(Wi-Fi).以太網和4G.5G等向網關設備發送指令，在網關轉換協議之后，邊緣計算模塊向終端設備發出操作指令[4]。目前，5G的發展還處于起步階段，運營商在5G部署時，主要采用的是非獨立組網，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，無法提供特別低的延遲，需要等到5G技術不斷發展，再通過獨立的組網SA技術，5G核心網利用網絡切片靈活的利用網絡資源，可以極大地提高網絡服務質量，并提供低延遲。

圖１５Ｇ邊緣計算網關系統

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，實現海量數據的接入和處理，保證業務的實時性和有效性。

5、基于５Ｇ邊緣計算網關在電網中的應用

5.1商業背景。

變電所在電網的傳輸中扮演著非常重要的角色──它是把電力系統中的電壓、電流進行交換，接收電能并把來自發電機的電能輸送到高壓電網中，然后再輸送給高壓電網。

伴隨著智能型電網的發展，變電站信息、視頻監控、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，又因其情況時時掌握，因此需要專業人員對變電站內各部分進行實時監控。

現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常需要人工對現場進行監控，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控中心傳輸的數據量越來越大，消耗了大量的流量資源。

圖２面向業務的５Ｇ邊緣計算解決方案

除了變電站內部運維數據，從變電站向用戶傳輸電力時，每天各個時段輸送的電量、不同地區所需電量也屬于大流量數據，導致處理數據更加麻煩且任務量大。

5.2面向業務的５Ｇ邊緣計算解決方案

通過利用５Ｇ和邊緣計算的網關設備，能夠在邊緣設備即可將大量的數據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據，發送到監控中心并提出警示信號，使得監管人員能夠發現并采取相應的措施，達到效率速度化。

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

面向業務的５Ｇ邊緣計算解決方案如圖２所示。

6安科瑞智能網關產品解決方案

6.1智能網關功能介紹

-- 終端設備與系統平臺間的數據交互橋梁

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A:數據采集（支持串口、以太網，只需配置即可兼容支持標準電力規約的各類儀表）

B:數據上傳（支持往上海分類分項能耗平臺、寧夏電力需求側平臺、江蘇電力運維平臺、浙江電力運維平臺上傳數據），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、數據合并計算、斷點續傳、數據加密、4G路由）

D:遠程管理（遠程配置、遠程升級、遠程監視）

6.2 安科瑞智能網關產品介紹

6.2.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網關

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ANT**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主開發的一種具有無線網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據采集要求。

這個設備可以用于下列應用場景：

?電源監測系統? 電力質量系統 ?互聯網系統 ?Development系統。
?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?消防防護系統 ?智能建筑系統

技術特點

6.2.2Anet-2E4SM/4G模塊化智能網關

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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的一款通用型智能通信管理機，將傳統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、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數據，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，可通過有線網絡、 WiFi網絡、4G網絡等鏈路上傳告警、實時數據等信息。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：

?電力監控系統 ?電能質量系統 ?物聯網系統 ?電力需求側系統

?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?第三方云平臺 ?泛在電力物聯網

?運維系統平臺 ?能源綜合管理平臺

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AWT100數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換DTU、通信數據。

它的產品包括2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN、GPS、WiFi、CE、DP等通信方式，下行口為RS485標準數據接口，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，實現了MODBUS設備的數據采集。內置式看門狗技術，性能可靠穩定。

結語

論述了邊緣計算網關及其在5G電網中的應用，并結合變電業務介紹了5G網絡，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，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，獨立組網部署5G技術也逐步成熟，可以更精確、更便捷，對較多數據信息進行快速處理，達到了提高數據傳輸率、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關的研發與應用。

審核編輯：符乾江