电力物联网中5G边缘计算技术的研究

王 亮，鲜 柯

(1.鼎桥通信技术有限公司，上海 201206；2.鼎桥通信技术有限公司，四川 成都 610041)

本文根据现有电力业务类型，重点讨论5G无线通信和边缘计算技术优势，并在未来电力物联网的“云、管、端、边”四层架构体系中，提出5G边缘计算电力网关设备，满足电力业务传输和管理要求[1-2]。

1 边缘计算技术的电力物联网重要价值

1.1 电力物联网业务

电力物联网通过网络连接实现各类电力设备状态的实时感知和数据接入，并通过智能控制实现电力业务智能监控和管理。具有较强的灵活性、可接入性和可靠性，不仅能够实时监控电网运行状态，同时具有自我恢复功能，能够自我平衡自我调整，智能化处理紧急状况，保障电网安全运行。

关于电力系统的业务，主要有配电自动化、用电信息采集、分布式电源、精准负荷控制等业务，其中配电自动化业务功能，实现对配电网运行的自动化监视与控制，具备馈线自动化、电网分析应用及与相关应用系统互联等功能；用电信息采集业务实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理等功能；分布式电源业务实现分布式电源运行监视和控制，具备数据采集和处理、有功功率调节、电压无功功率控制、孤岛检测、调度与协调控制及与相关业务系统互联等功能；精准负荷控制通信系统的通信对象包括接入层电力用户配电室分路开关及计量装置，以及骨干汇聚层各级上联汇聚站点[3-4]。

1.2 电力物联网体系

电力物联网分为云、网、边、端四层(见图1)。

云层从功能上又分为用户管理平台和设备管理平台，设备管理平台主要负责边层的设备管理，包括通用的操作维护功能，以及增强的容器管理、应用管理等功能。用户监控平台为三方业务平台，负责业务面云端处理。

管层主要负责网络传输，分为有线和无线网络，有线网络通过光纤进行数据传输，无线网络要通过5G/4G/3G/2G技术进行数据传输。

边侧主要负责数据汇聚、边缘计算和数据传输，5G边缘计算网关即属于边侧设备。

端侧主要为传感器、控制器和摄像头等设备，负责原始数据采集，并将采集数据通过RS485、LORA、PLC等技术传送给边缘网关进行处理。

在传统的云计算架构中，对云计算中心进行集中部署，客户通过互联网来使用云计算资源，随着云服务的大规模应用，这种集中部署云的架构存在一些受限场景。第一类是端侧采集数据过大，若通过互联网特别是无线网络上传到云中心，成本高且效率低，如高清视频的采集和传输；第二类是实时业务，若数据上传到中心服务云处理再下发，无法满足低时延的要求，如电力精控业务；第三类对业务可靠性较高的业务，若出现网络传输问题或云计算中心出现故障，则会导致业务出现中断。在此背景下提出了边缘计算技术的概念，边缘计算节点靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务[5]。

边缘计算节点可以在云计算中心的统一管控下，对采集数据进行处理和存储，用以节约资源，降低成本，以及提高效率和业务连续性。边缘计算节点数据处理存在下列几种情况：一是边缘计算节点对采集数据进行初步处理，再将处理结果上传给云计算中心，主要目的是降低传输成本，提高运营效率；二是有云计算中心将算法下发到边缘计算节点，由边缘计算节点提供算力对本地数据进行处理，可降低海量数据对云计算中心的冲击，实现处理能力负荷分担；三是针对实时控制类业务，边缘计算节点可直接处理原始数据并将处理结果反馈给边侧设备，可降低处理时延，同时提高业务可靠性。

2 电力物联网中边缘计算面临的难点

输电/配电自动化是电力关键业务之一，主要目的是保障供电的可靠性。输电/配电自动化的工作分阶段逐步发展，已经实现的应用包括主干输电线路的光纤联网，以及部分发达区域的分布式FA等应用。随着容易布设光纤的地方都已经布设了光纤，剩下的地方光纤连接成本高昂，配电自动化智能化的推进也受到了一定程度的阻碍。为了解决光纤连接成本高部署不易的问题，电力行业尝试自己建设无线专网，通过集成抄表、遥控等多种应用，提升无线网络的规模，降低无线网络的成本。然而由于4G/3G/2G无线技术受限带宽、时延等性能指标，传统无线通信技术无法满足输电/配电自动化业务的传输要求。

以分布式FA(factory automation)为例，分布式FA主要应用于配电领域，其主要目的是避免发生电力事故时导致大面积停电，从而提高供电的可靠性，分布式FA对时延和可靠性要求极高，需要在很短的时间内完成一系列动作，包括故障检测、故障定位、故障隔离等。整个系统留给通信的时延很短，只有10 ms左右，IEC 61850中规定了Class P1的通信时延为10 ms，如果整个系统不能在上述时间内完成相关动作，那么发生生产事故的概率也就增大，因此低时延和高可靠的通信技术是使能技术，是实现分布式FA的前提条件。

另一个案例是精准负控业务，也就是精确的控制负载的关断和闭合，其主要目的是让电力供应按照优先级来实施。如果设备之间无法通信，电力行业只能进行大颗粒度的断电，会造成很多不必要的经济损失。最合理的方法是根据每个节点的供电优先级别，进行精细化的管理，也就是精准负控，这需要在每个配电末梢节点上安装低时延的遥控设备，若无线通信技术满足低时延性能要求，节点进行本地处理，然后将处理结果上报给周围的节点，或者中央处理中心，无线通信的成本相比光纤来说会低很多。

3 解决方案和策略

3.1 低时延满足电力实时性

在目前的网络架构中，主网络需要进行高位部署，这也就导致了较长的传输延迟，难以提高优质的极端延迟服务。4G技术的应用能够将无线接口的速率提高10倍，但是端到端的延迟优化效果却只有3倍。这主要是由于空中效率得到了大幅提升，但网络架构的不完全优化却不能够保证业务的延迟。虽然说LTE 网络架构过程中采用的是扁平的两跳结构，但是其网络基站却建设在数百公里之外，因此在数据的传输过程中会因为设备的数据传输以及拥堵等问题的随机性，将导致低延迟问题。所以，要减少等待的时间和功耗，就需要减少空中接口的传输延迟，保证源节点和节点之间保持较小的“距离”。新一代无线通信技术5G采用更小时域粒度传输单元、自时隙结构、灵活时隙配置等方案，进一步降低无线空口传输时延[6]。

3.1.1 基于时隙调度

传统4G网络最小资源分配单位为子帧(1毫秒)，而5G为了进一步降低时延，最小资源分配单位为时隙或符号，如图3，其中无线子帧固定10毫秒，子帧固定1毫秒，1个无线帧有10个子帧，1个时隙固定14个符号(见图2)。

每个子帧有n个时隙，且n取决于子载波参数配置(见表1)，子载波宽度配置越大，则每子帧时隙数越多，单个时隙的时间就越短，如子载波宽度配置为480 kHz时，每子帧有32个时隙，1个时隙仅0.031 25毫秒，若采用时隙为单位进行数据传输，则无线传输时延最低仅为4 G传输时延的3%，若采用MINI时隙为单位进行传输，1个时隙有14个符号，最小时域传输单位可以为2、4、7个符号，无线传输时延最低可在正常时隙调度的基础上进一步降低80%。

表1 5G子载波配置Tab.1 5G subcarrier configuration

3.1.2 自时隙调度结构

5G为了进一步降低时延，定义了自包含时隙/子帧结构。同一个时隙/子帧包含下行DL、GAP和上行UL，其中下行自包含时隙/子帧包括DL数据和对象的HARQ反馈(见图3)，上行自包含时隙/子帧包含UL数据和对应的调度信息(见图4)，最短可在一个时隙或一个子帧完成数据传输和响应，最大可比4G降低90%调度等待时延开销[7]。

图3下行自包含时隙/子帧
Fig.3 Downlink self contained slot/subframe

图4上行自包含时隙/子帧
Fig.4 Uplink self contained slot/subframe

3.1.3 灵活时隙配置

5G帧配比支持RRC信令和DCI信令多层嵌套配置，可实现符号级动态TDD，可根据不同的业务需求动态配置，实现低时延目标，5G采用四层结构灵活配置时隙(如图5)，第一层采用小区RRC信令半静态配置，通过小区系统消息对终端进行配置，第二层采用终端专用RRC信令半静态配置，通过终端高层RRC信令对UE配置，第三层为终端-群组SFI信令动态配置，通过PDCCH信道DCI2_0对UE进行配置，第四层为终端特殊DCI信令动态配置，通过PDCCH信道DCI0或DCI1进行配置，通过上述四层配置结构，可根据业务类型实现对终端配比灵活配置，降低用户面业务时延[8]。

3.2 业务差异化管理满足电力业务高可靠性

5G时代到来之后，业务的类型更加丰富多样，为了区分不同业务类型的需求，5G网络能力可以提供不同的QoS保障。网络切片技术可以保证从核心网到接入网，包括终端等环节，能动态、实节、时、有效地分配网络资源，从而保证质量、时延、速时、源量延度、带宽等方面的业务质量。而边缘计算在一定程度量度上与网络切片技术相似，将网络切片和边缘计算结合起来，才能更好的实现端到端网络服务。边缘计算能按照不同业务的需求在5G网络中进行分层部署。切片保证不同类型的业务有专有的网络资源，具有边缘计算能力的端到端的切片网络，为用户提供最佳的、基于服务等级协议的QoS保障。在5G场景下QoS Flow是PDU会话中QoS差异化的最细粒度，不同的电力业务可映射到不同的Qos Flow，每个QoS Flow由一组QoS参数来表述，包括5QI、ARP、GFBR/MFBR、UE-AMBR等[9-11]。

3.2.1 5QI

5QI(5G qos class identifier)是一个标量，用作5G QoS(quality of service)特征的参考。5QI定义在表2，即特定接入节点的参数，这些参数用来控制QoS转发处理方式(例如调度权重，准入门限，队列管理门限，链路层协议配置等)，其中资源类型决定了是否能够永久分配和QoS流保证流比特率关联的特定的网络资源，这些资源由基站的准入控制功能分配。因此，GBR(guaranteed bit rate)QoS流通常被“按需”授予。Non-GBR QoS流可以通过静态策略和计费控制预授予资源。丢包率表示发送端的链路层协议(例如3GPP接入中的RLC层)成功处理，但是没有被接收方对应实体成功发给上层(例如3GPP的PDCP层)的协议数据单元(例如IP报文)的比例上限。优先级水平(priority level)用于同一个终端的不同QoS流，也可以用于不同终端的不同QoS流，用于调度优先级计算。

表2 5QI业务映射表Tab.1 Mapping table of 5QI business

3.2.2 ARP优先级

ARP优先级包含了抢占能力和被抢占属性。优先级水平定义了一个资源请求的相对重要性。这样，在资源受限的情况下，能够决定一个新的QoS Flow应该接受还是拒绝(典型场景是GBR业务的接受控制)。它也可以用于决定在资源受限时，抢占哪个现有QoS Flow。ARP优先级范围从1到15，1是最高优先级。抢占能力(pre-emption capability)定义了一个具有较高优先级的数据流是否能够抢占一个已有的较低优先级的流的资源。被抢占属性(pre-emption vulnerability)定义数据流是否可能丢失分配给它的资源，以允许具有较高优先级的数据流使用这一资源。抢占能力和被抢占属性应设置为yes或no(只有抢占能力或被抢占属性设置为yes，ARP值才能起作用[12]。

3.2.3 业务速率配置

对于保障速率QoS流，5G QoS通过GFBR和MFBR进行速率保证，GFBR(guaranteed flow bit rate)表示Qos流保障速率要求，MFBR(maximum flow bit rate)表示Qos流最大速率要求， GFBR表明了期望由GBR QoS流提供的比特率。MFBR限制了期望由GBR QoS流提供的比特率(例如：超出的业务可以被速率整形功能丢弃)。

对于非保障速率Qos流(Non-GBR QoS flows)，5G Qos通过UE-AMBR进行速率保证，UE-AMBR(UE aggregate maximum bit rate)

表示当前终端下所有non-GBR QoS流提供的聚合速率的期望值。

3.2.4 调度优先级

对于业务保障，5G无线通信技术可根据无线信道质量和业务Qos要求联合计算调度优先级，调度优先级按照一定策略计算优先级，表征的是业务在无线空口传输的调度次序，优先级越高，则该业务优先分配无线空口资源并进行数据传输，从而保证多业务并发场景下的业务传输要求，调度优先级PRI计算公式如下：

(1)

其中eff表示无线信道频谱效率，信道质量越好，SINR越高，则无线信道频谱效率越高，rate表示业务数量，γ5QI表示该业务流对应5QI的优先级，F(delay)表示该业务无线平均传输时延与该业务对应5QI时延要求之比，若信道质量越好或时延要求越高，则该业务优先级越高，传输的速率越高，这样兼顾5G空口传输效率的基础上，优先保证高可靠性业务的传输需求[13-14]。

3.3 业务安全隔离

业务安全隔离是保障电力业务安全运行的关键技术之一，5G对电力业务进行差异化数据传输，采用边缘计算容器技术可继续对电力业务进行差异化数据处理，不同的容器映射到不同的5G Qos流业务，然后将应用程序封装在容器中，对不同的5G Qos流实现细粒度资源控制和隔离。容器可以定义为单个操作系统映像，将一组隔离的应用程序及其从属资源，以便它们与主机分开运行机。同一台主机中可能运行着多个这样的容器。容器分为两类：操作系统级别，整个操作系统在主机内的隔离空间，共享同一内核作为主机；应用程序级别：一个应用程序或服务，最小该应用程序所需的进程在隔离的空间中运行在主机内。

实现操作维护系统和业务系统的隔离，既能保护第三方业务的知识产权(二开需求)，特别是系统安全，又能将责任界定清楚，各自负责业务看护。用户将自定义的第三方APP软件装载在不同的容器进行独立运行，方便业务部署，同时扩大边缘计算设备的通用性[15]。

4 技术实现

5G边缘计算网关主要有北向通信、容器、维护管理、南向通信等模块(见图6)，其中北向通信模块内置5G通信模块，通过无线或有线网络与云端服务器进行通信，可将电力业务无线传输时延控制在1ms以内，实现电力业务低时延精准控制，同时通过5G对电力业务差异化传输，优先保证高可靠性业务Qos性能，内置容器隔离模块，将南向电力传感器、控制器、摄像头原始采集的数据进行处理，且不同的容器可独立负责不同业务的边缘技术处理，且相互隔离，保证业务之间不影响，并将处理结果通过北向通信模块传输到用户监控平台进行后续处理，维护管理模块主要负责网关的设备管理和维护，如参数配置，软件升级、异常监控等功能，且设备管理平台可通过北向通信控制维护管理模块进行远程管理，南向通信模块内置PLC/LORA/RS485等中短距通信子模块，负责与边侧的电力传感器、控制器、摄像头进行数据采集和管理[16-18]。

5 结语

本文结合当前电力业务特点分析了基于边缘计算架构的电力物联网在实际应用中遇到的具体技术问题。通过结合5G无线通信网络技术，指出采用特有的时延保障技术和业务保障方案能够满足电力业务对低时延和高可靠性需求，有效提高电力物联网的处理效率、业务安全和智能化管理水平。采用对基于5G无线传输和边缘计算能力的电力边缘计算网关的软件架构和设计方案的分析，指出改进电力物联网中边缘计算有效性和安全性对于电力业务的重要价值。