隨著數(shù)據(jù)信息量的大幅增加和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)、快速的數(shù)據(jù)處理方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。首先研究了5g和邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，然后研究了兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的集成?；谧冸娬镜臉I(yè)務(wù)背景，提出了一種基于5g的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用解決方案。

　　介紹

　　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)受到了廣泛關(guān)注。業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)進(jìn)一步推動(dòng)了邊緣計(jì)算的發(fā)展。云計(jì)算能力不足以滿足爆炸式增長的海量數(shù)據(jù)需求。此外，傳輸負(fù)載的急劇增加會(huì)導(dǎo)致較長的時(shí)延，不能滿足實(shí)時(shí)性要求，這使得邊緣計(jì)算成為研究熱點(diǎn)。

　　網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，起著協(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，可以在邊緣網(wǎng)關(guān)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選和處理，將重要的安全信息發(fā)送到監(jiān)管平臺(tái)并發(fā)出預(yù)警，從而提高信息處理效率，更及時(shí)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)中扮演著越來越重要的角色。然而，隨著傳感器數(shù)量的增加和智能檢測機(jī)器人的普及，數(shù)據(jù)傳輸也在不斷增加。如果所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到云處理，會(huì)增加延遲，處理不及時(shí)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患?；?g的邊緣計(jì)算技術(shù)可以解決這些問題。

　　本文首先研究了5g和edge計(jì)算的特點(diǎn)，然后研究了這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的集成，并提出了一種基于電網(wǎng)變電站業(yè)務(wù)背景的解決方案。

　　1、5g技術(shù)特性

　　2019年6月，工信部頒發(fā)5g商用許可證，標(biāo)志著5g商用在中國的第一年。然而，5g技術(shù)的發(fā)展仍在繼續(xù)，并不斷為我們的生活提供更便捷的應(yīng)用。

　　5g是第五代通信技術(shù)的全稱，是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：

　　1.1數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達(dá)10Gb/s，可滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸；

　　1.2低延遲。LTE網(wǎng)絡(luò)使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延達(dá)到100ms，而5g網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延可以達(dá)到1ms，可以滿足低時(shí)延的業(yè)務(wù)要求；

　　1.3提高系統(tǒng)容量和大型設(shè)備連接，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求，連接所有終端。

　　5g不僅是移動(dòng)通信的一大進(jìn)步，也是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)非常有用的技術(shù)。其便利性和技術(shù)變革將促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　支持二次開發(fā)

　　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)處理集成到邊緣設(shè)備的目的是減少延遲，以便可以快速處理數(shù)據(jù)，而無需等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心。延遲減少后，相應(yīng)的應(yīng)用程序可以更早地運(yùn)行。同時(shí)，本地設(shè)備的數(shù)據(jù)管理成本低于云和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，因此可以降低成本[2]。具體來說，邊緣計(jì)算的特點(diǎn)如下：

　　2.1低延遲：采用邊緣設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，縮短響應(yīng)時(shí)間。

　　2.2低成本：使用邊緣設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、計(jì)算和分析，減少骨干網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，從而降低數(shù)據(jù)處理成本和設(shè)備能耗。

　　2.3高可靠性：邊緣設(shè)備本身具有計(jì)算和處理能力。即使上層數(shù)據(jù)處理中心出現(xiàn)問題，也不會(huì)影響用戶的正常使用。

　　邊緣計(jì)算是為解決云計(jì)算的分散性而提出的一種方法。目前，云計(jì)算將服務(wù)器放在一個(gè)數(shù)據(jù)中心，

　　在集中處理之前，數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。然而，隨著終端設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)量變得越來越大。傳輸如此巨大數(shù)據(jù)量的成本非常高，延遲已成為瓶頸。邊緣計(jì)算分布在設(shè)備端，即各種終端設(shè)備增加存儲(chǔ)、處理等功能，從而減少數(shù)據(jù)傳輸量，減少延遲，降低成本。同時(shí)，在向云傳輸私有數(shù)據(jù)的過程中可能會(huì)出現(xiàn)泄漏。使用邊緣計(jì)算可以減少數(shù)據(jù)泄漏的可能性。

　　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)是指在移動(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，以提高無線接入網(wǎng)的信息處理能力，降低移動(dòng)骨干網(wǎng)的傳輸帶寬。5g具有低延遲、高可靠性的特點(diǎn)，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)的特點(diǎn)，研究了基于5g移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用場景。

　　3.1增強(qiáng)移動(dòng)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(jìn)一步擴(kuò)展頻譜帶寬。5g的整體頻譜效率是4G的三倍，用戶體驗(yàn)速率可達(dá)1GB/s，這不僅給人們帶來了不同的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，也給核心網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

　　為了滿足5g網(wǎng)絡(luò)的靈活性和低延遲，減輕網(wǎng)絡(luò)回報(bào)負(fù)擔(dān)，核心網(wǎng)下沉和云邊緣化已成為必然趨勢。云邊緣化是使5g無線接入網(wǎng)具備云計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)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、控制信息的本地存儲(chǔ)和處理，然后將相關(guān)處理結(jié)果直接傳回控制臺(tái)，確保巡檢工作順利進(jìn)行。

　　邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)

　　3.2大眾機(jī)器通信（mmtc）

　　與4G相比，5g每平方公里的可連接設(shè)備數(shù)量高達(dá)100萬臺(tái)，增長了10倍。同時(shí)，5g海量機(jī)通信具有數(shù)據(jù)包小、功耗低的特點(diǎn)。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測，到2020年，全球物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量將達(dá)到500億。物聯(lián)網(wǎng)終端的大規(guī)模部署不僅給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，也測試了物聯(lián)網(wǎng)終端的電池容量?？梢哉f，5g海量機(jī)通信技術(shù)極大地滿足了物聯(lián)網(wǎng)終端快速增長的需求；此外，結(jié)合邊緣計(jì)算，縮短物聯(lián)網(wǎng)終端的連接時(shí)間將進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。

　　以電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)為例，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，采集對象的數(shù)量、采集內(nèi)容的類型和采集頻率都大大增加。通過部署5g，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集，采集內(nèi)容多樣化，采集范圍更廣，采集數(shù)量更多。

　　3.3低延遲和高可靠性通信（urllc）

　　與4G相比，在端到端延遲方面，5g將達(dá)到1ms，增加10倍；在移動(dòng)性方面，5g支持速度高達(dá)500km/h的通信環(huán)境，增長了1.43倍。因此，5g網(wǎng)絡(luò)具有高速、低延遲的處理能力。這可以滿足垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，如車輛互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制。

　　以電網(wǎng)變電站機(jī)械巡檢為例，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)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫秒響應(yīng)，確保在檢測中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)返回和處理故障信息，確保生產(chǎn)經(jīng)營安全。

　　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)作為一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信息交換。一方面，它使用邊緣計(jì)算來提高數(shù)據(jù)計(jì)算性能；另一方面，5g用于提高信息傳輸效率。

　　5g邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。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、傳感器等終端設(shè)備組成。邊緣計(jì)算模塊由邊緣應(yīng)用和邊緣計(jì)算平臺(tái)組成：數(shù)據(jù)采集模塊采集傳感器等終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，由邊緣計(jì)算平臺(tái)統(tǒng)一控制和管理采集的數(shù)據(jù)。edge應(yīng)用提供一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，包括信息采集和edge數(shù)據(jù)處理，接收ECS的指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。用戶需要做的是在云服務(wù)器上完成指令傳輸。云服務(wù)器通過無線信號(hào)（如WiFi）、以太網(wǎng)、4G、5g等方式向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送指令，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后，網(wǎng)關(guān)向邊緣計(jì)算模塊中的終端設(shè)備發(fā)送操作指令。在現(xiàn)階段的5g發(fā)展中，由于還處于起步階段，運(yùn)營商在部署5g時(shí)使用非獨(dú)立組網(wǎng)，需要通過4G基站、增強(qiáng)型4G基站和少量5g基站來實(shí)現(xiàn)。然而，由于使用4G核心網(wǎng)絡(luò)，它不能提供特別低的延遲。需要等到5g技術(shù)通過獨(dú)立組網(wǎng)SA技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，5g核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡(luò)片靈活使用網(wǎng)絡(luò)資源，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，提供低延遲。

　　基于5g的邊緣計(jì)算可以充分利用5g高速、大容量、低延遲三大特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的訪問和處理，保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。

　　5、基于5g的邊緣計(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，變電站起著非常重要的作用，它是電力系統(tǒng)中交換電壓和電流、接收電能和分配電能的場所。它提高發(fā)電機(jī)發(fā)送的電能，并將其輸送到高壓電網(wǎng)。

　　隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，變電站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稀少的地區(qū)。由于需要隨時(shí)掌握其情況以確保安全，相關(guān)人員需要實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站的內(nèi)部部件。

　　在現(xiàn)代變電站中，由于增加了智能機(jī)器人等智能檢測設(shè)備，不再需要像以前那樣需要人工頻繁監(jiān)控現(xiàn)場，減少了一定的安全隱患，提高了效率。然而，智能巡檢機(jī)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，消耗了大量的交通資源。