苏月亭
摘要：随着数据信息量的大幅增加和5G技术的发展，基于5G的边缘计算技术作为一种实时快速的数据处理方法，具有广阔的应用前景。先研究5G和边缘计算的特点，再研究这两种技术在网关的结合。基于变电站业务背景，提出基于5G的边缘计算网关应用解决方案。
关键词：5G网络；边缘计算；网关；电网应用
0、简介
随着5G网络技术的发展，基于5G的边缘计算技术受到广泛关注。业务需求和网络升级进一步推动边缘计算的发展。云计算能力不足以满足海量数据需求的爆发式增长。此外，传输负载的急剧增加会导致时延变长，无法满足实时性要求，这使得边缘计算成为研究热点。
网关作为网络数据传输的关键设备，起着协议转换和数据处理的作用。通过边缘计算，可以在边缘网关对数据进行初步筛选和处理，并将重要的安全信息发送到监管平台并发出警告，从而提高处理信息的效率，获取隐患信息以更及时的方式。随着物联网技术的发展，变电站在智能电网中发挥着越来越重要的作用，但由于传感器数量的不断增加和智能巡检机器人的普及，数据传输量不断增加。如果所有数据都上云处理，会增加延迟，处理不及时，无法及时发现安全隐患。
本文首先研究5G和边缘计算的特点，然后研究这两种技术在网关的结合，并根据电网变电站的业务背景提出解决方案。
1、 5G技术特点
2019年6月，工信部颁发5G商用牌照，标志着我国正式进入5G商用元年。然而，5G技术的发展仍在继续，不断为我们的生活提供更便捷的应用。
5G，全称第五代通信技术，是新一代蜂窝移动通信技术，具有以下特点：
（１）数据传输速率高，最高可达10GB/s，可以满足大数据量的传输；
（２）低延迟，LTE网络使移动网络延迟达到100ms，但5G网络可以达到1ms延迟，可以满足非常低延迟要求的业务；
（３）增加系统容量和大规模设备连接可以满足物联网的要求，连接各种终端。
5G不仅是移动通信的一大进步，也是物联网非常有用的技术。它带来的便利和技术变革将使经济发展成为可能。
2、边缘计算技术特点
在边缘计算中，将数据处理集成到边缘设备中的目的是减少延迟，从而可以快速处理数据，而无需等待数据传输到传统数据中心进行处理。延迟降低后，相应的应用程序可以更早地运行。同时，本地设备上的数据管理成本低于云和数据中心网络，可以降低成本。具体来说，边缘计算的特点如下：
(１）低延迟：利用边缘设备处理数据，实现数据实时处理，缩短响应时间。
（２）低成本：利用边缘设备对数据进行过滤、计算和分析，减少骨干网络中的数据传输量，降低网络带宽需求，从而降低数据处理成本和设备能耗。
(３）高可靠性：边缘设备本身具有计算处理能力，即使上层数据处理中心出现问题，也不影响用户的正常使用。
边缘计算是为解决云计算去中心化问题而提出的一种方法。目前，云计算是将服务器集中放置在数据中心。
数据需要先传输到数据中心，然后集中处理。但是随着终端设备的增多，数据量逐渐增加，传输如此海量数据的成本非常高，时延也成为瓶颈。边缘计算以分布式方式部署在设备端，即为各种终端设备增加存储、处理等功能，可以减少传输的数据量，减少延迟，降低成本。同时，私有数据传输到云端的过程中可能会出现泄漏问题，使用边缘计算可以降低数据泄漏的可能性。
3、基于5G的移动边缘计算技术应用场景
传统的移动边缘计算技术是指在移动通信网络侧配置具有计算和管理能力的服务器，以提高无线接入网的信息处理能力，降低移动骨干网的传输带宽。5G具有低时延、高可靠性的特点，将进一步推动移动边缘计算的发展。结合ITU-T定义的5G网络应用场景和边缘计算技术的特点，本文研究了基于5G移动边缘计算技术的应用场景。
3.1 增强型移动带宽场景（eMMB）
与4G相比，5G采用LDPC编码、高阶调制、大规模MIMO、毫米波等技术手段，进一步扩大频谱带宽。5G的整体频谱效率是4G的3倍，用户体验速率可达1GB/s。这给人们带来了不一样的网络体验，也给核心网带来了巨大的挑战。
为了满足5G网络的灵活性和低时延，减轻网络回传的负担，核心网下沉和云端边缘化已成为必然趋势。云边缘化就是让5G无线接入网具备云计算能力，实现业务本地化、数据缓存、数据本地计算等功能。
以无人机巡检电网输电线路为例，无人机通过控制台连接到5G基站，在5G基站侧部署边缘计算服务器，实现视频、图像、图像的本地存储和处理。控制信息，然后是相关的处理结果。直接发回控制台，确保巡检工作顺利进行。
3.2 大规模机器类型通信 (mMTC)
与4G相比，在可连接数量密度方面，5G每平方公里的连接设备数高达100万，增长了10倍。
据数据预测，2020年全球物联网终端数量将达到500亿台。物联网终端的大规模部署不仅给物联网网络系统带来挑战，也考验着物联网终端的电池容量。可以说，5G海量机器类通信技术极大地满足了物联网终端的快速增长；此外，结合边缘计算，缩短物联网终端的连接时间将进一步降低物联网终端的能耗。
以电网采集服务为例，随着智能电网的发展，采集对象的数量、采集内容的种类、采集频率等都有很大的增加。随着5G的部署，可以实现准实时采集、采集内容多样化、采集范围更广、采集更多。
3.3 低延迟和高可靠性通信（uRLLC）
与4G相比，端到端时延方面，5G将达到1ms级别，提升10倍；移动性方面，5G支持时速高达500km/h的通信环境，提升1.43倍。因此，5G网络具有高速、低延迟的处理能力。这可以满足车联网、工控等垂直行业的特殊应用需求。
以电网变电站机器巡检为例，通过5G网络远程控制机器人，结合边缘计算技术，可实现毫秒级响应，确保巡检发现问题时及时回传故障信息并及时处理，确保生产作业安全。
4、基于5G的边缘计算网关
基于5G的边缘计算网关作为互联网络的设备，通过协议转换实现信息交互。一方面，边缘计算用于提高数据计算性能；另一方面，5G用于提高信息传输效率[5]。
5G边缘计算网关系统结构图如图1所示。网关系统由云服务器、边缘计算网关设备、传感器等终端设备组成。边缘计算模块由边缘应用程序和边缘计算平台两部分组成：数据采集模块从传感器等终端设备采集数据，然后边缘计算平台对采集到的数据进行统一控制和管理。边缘应用提供运行环境，包括信息获取、边缘数据处理、从云服务器接收指令并执行相应操作。用户需要做的是在云服务器上完成指令的发送。云服务器使用无线信号（如Wi-Fi等）、以太网、4G、5G等方式向网关设备发送指令，网关对其进行协议转换。边缘计算模块向终端设备发出操作命令[4]。在5G发展的现阶段，由于处于起步阶段，运营商以非独立组网方式部署5G，需要使用4G基站、增强型4G基站和少量5G基站。核心网络不能提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活利用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。网关对其进行协议转换。边缘计算模块向终端设备发出操作命令[4]。在5G发展的现阶段，由于处于起步阶段，运营商以非独立组网方式部署5G，需要使用4G基站、增强型4G基站和少量5G基站。核心网络不能提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活利用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。网关对其进行协议转换。边缘计算模块向终端设备发出操作命令[4]。在5G发展的现阶段，由于处于起步阶段，运营商以非独立组网方式部署5G，需要使用4G基站、增强型4G基站和少量5G基站。核心网络不能提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活利用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。由于处于起步阶段，运营商部署5G采用非独立组网方式，需要使用4G基站、增强型4G基站和少量5G基站。核心网络不能提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活利用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。由于处于起步阶段，运营商部署5G采用非独立组网方式，需要使用4G基站、增强型4G基站和少量5G基站。核心网络不能提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活利用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。
图 15G 边缘计算网关系统
基于5G的边缘计算可以充分利用5G的高速、大容量、低时延三大特性，对海量数据进行访问和处理，保证业务的实时性。
5、5G边缘计算网关在电网中的应用
5.1业务背景
在电网传输中，变电站起着非常重要的作用——它是电力系统中交换电压和电流、接收和分配电能的场所，它将发电机产生的电能升压并馈入高压网格。
随着智能电网的发展，变电站需要处理越来越多的信息，包括数据信息、视频监控、安全信息等。控制为确保安全，要求相关人员实时监控变电站各部分的状况。
在现代变电站中，由于增加了智能机器人等智能巡检设备，不再像以前那样频繁到现场进行监控，减少了一定的安全隐患，提高了效率。然而，智能巡检机器人或变电站智能终端向监控中心传输的数据量不断扩大，消耗大量流量资源。
除了变电站内部的运维数据，在变电站向用户输送电力时，一天中不同时间的送电量和不同地区所需的电量也是大流量数据，这使得处理数据更加麻烦和任务密集。
5.2面向业务的5G边缘计算解决方案
通过使用5G和边缘计算网关设备，可以在边缘设备存储和初步处理大量数据，然后将非常重要的信息，例如具有潜在安全风险的数据发送到监控中心，并发出警告信号提高，以便监管人员及时发现并采取相应措施，以实现效率和速度。
根据电网业务需求可分为：低时延智能配电、负控服务、多联低压抄表、分布式接入服务、大带宽巡检机、应急通信服务; 结合5G边缘计算特性，通过网关汇聚各类业务，接入边缘计算中心；根据业务需要，进一步上传至控制分站或主站。
面向业务的5G边缘计算解决方案如图2所示。
6安科瑞智能网关产品解决方案
6.1智能网关功能介绍
-- 终端设备与系统平台之间的数据交换桥梁
A：数据采集（支持串口、以太网，只需配置兼容各类支持标准功率规定的仪器）
B：数据上传（支持向上海分类分项能耗平台、宁夏电力需求侧平台、江苏电力运维平台、浙江电力运维平台上传数据），具备多平台上传能力；
C：边缘计算（灵活的报警阈值设置、报警信息主动上传、数据合并计算、断点恢复、数据加密、4G路由）
D：远程管理（远程配置、远程升级、远程监控）
6.2 安科瑞智能网关产品介绍
6.2.1 Anet-**/4G系列轨道式智能网关
ANet-**/4G是自主研发的具有全网通无线组网功能的通用型智能通讯管理机。适用于国家政府机关、企事业单位、事业单位、住宅商业楼宇、宾馆饭店可满足水、电、气、油、冷、热等多种形式的分表数据采集需求. 和能源消耗。
该设备可用于以下应用场景：
☀ 电力监控系统 ☀ 电能质量系统 ☀ 物联网系统 ☀ 电力需求侧系统
☀楼宇能耗系统☀远程预付费系统☀消防系统☀智能楼宇系统
技术特点
6.2.2Anet-2E4SM/4G模块化智能网关
ANet-2E4SM模块化通讯管理机是自主研发的通用型智能通讯管理机。传统管理机的界面分为模块，可以组装和匹配。主模块可以作为标准的智能通讯管理机独立工作。设备可通过串口、以太网、Lora无线、wifi无线链路等方式采集水表、气表、电表、微机保护等设备终端数据。标配8路无源干接点，可采集门禁、浸水、烟雾等，可通过有线网络、WiFi网络、4G网络等链路上传报警、实时数据等信息。
该设备可用于以下应用场景：
☀ 电力监控系统 ☀ 电能质量系统 ☀ 物联网系统 ☀ 电力需求侧系统
☀ 建筑能耗系统 ☀ 远程预付费系统 ☀ 第三方云平台 ☀ 泛在电力物联网
☀运维系统平台☀能源综合管理平台
技术特点
6.2.系列简易协议转换模块
数据转换模块是安科瑞电气推出的一种新型数据转换DTU，可以进行数据通信
转换包括2G、4G、NB、LoRa、GPS、WiFi、CE、DP等通讯方式，下行接口提供标准RS485数据接口，可轻松连接电表、RTU、PLC、工控机等设备，只需一次完成初始配置后，即可完成设备的数据采集；同时，该系列无线通讯终端采用功能强大的微处理器芯片，内置看门狗技术，性能可靠稳定。
可应用于以下行业：
■无线抄表；
■楼宇自动化与安防；
■机器人控制；
■配电网监控、电力负荷监控；
■智能灯光控制；
■自动数据采集；
■工业遥控遥测；
■ 高速公路、铁路数据传输；
■其他电力、工控行业等。
a) 4G/NB/2G机型及技术参数
b) Lora/型号及技术参数
c) GPS/WIFI/CE/DP通信模型及技术参数
d) 典型应用场景
-2G/NB/4G无线通信终端典型应用
- LoRa无线通信终端典型应用
6.3Anet系列智能网关证书报告
7 结论
本文讨论了基于5G的边缘计算网关及其在电网中的应用楼宇自控网关，结合变电站业务介绍了5G网络和边缘计算在变电站的应用方案。虽然5G技术还处于起步阶段，但初期部署也是采用非独立组网，无法充分展现其特性（如低延迟）。相信随着5G和边缘计算技术体系的不断完善，独立组网部署5G技术会逐渐成熟，可以更方便快捷地处理更多的数据信息，从而达到提高数据传输速率、降低延误。