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            物聯網開發

            5g邊緣計算網關在電網中的應用

              隨著數據信息量的大幅增加和5g技術的發展,基于5g的邊緣計算技術作為一種實時、快速的數據處理方法,具有廣闊的應用前景。首先研究了5g和邊緣計算的特點,然后研究了兩種技術在網關中的集成?;谧冸娬镜臉I務背景,提出了一種基于5g的邊緣計算網關應用解決方案。


            5g邊緣計算


              介紹


              隨著5g網絡技術的發展,基于5g的邊緣計算技術受到了廣泛關注。業務需求和網絡升級進一步推動了邊緣計算的發展。云計算能力不足以滿足爆炸式增長的海量數據需求。此外,傳輸負載的急劇增加會導致較長的時延,不能滿足實時性要求,這使得邊緣計算成為研究熱點。


              網關作為網絡數據傳輸的關鍵設備,起著協議轉換和數據處理的作用。通過邊緣計算的手段,可以在邊緣網關中對數據進行初步篩選和處理,將重要的安全信息發送到監管平臺并發出預警,從而提高信息處理效率,更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扮演著越來越重要的角色。然而,隨著傳感器數量的增加和智能檢測機器人的普及,數據傳輸也在不斷增加。如果所有數據都發送到云處理,會增加延遲,處理不及時,無法及時發現安全隱患?;?g的邊緣計算技術可以解決這些問題。


              本文首先研究了5g和edge計算的特點,然后研究了這兩種技術在網關中的集成,并提出了一種基于電網變電站業務背景的解決方案。


              1、5g技術特性


              2019年6月,工信部頒發5g商用許可證,標志著5g商用在中國的第一年。然而,5g技術的發展仍在繼續,并不斷為我們的生活提供更便捷的應用。


              5g是第五代通信技術的全稱,是新一代蜂窩移動通信技術,具有以下特點:


              1.1數據傳輸速率高,可達10Gb/s,可滿足大數據量的傳輸;


              1.2低延遲。LTE網絡使移動網絡的時延達到100ms,而5g網絡的時延可以達到1ms,可以滿足低時延的業務要求;


              1.3提高系統容量和大型設備連接,可以滿足物聯網的要求,連接所有終端。


              5g不僅是移動通信的一大進步,也是物聯網的一項非常有用的技術。其便利性和技術變革將促進經濟發展。


              支持二次開發


              2、邊緣計算技術的特點


              在邊緣計算中,將數據處理集成到邊緣設備的目的是減少延遲,以便可以快速處理數據,而無需等待數據傳輸到傳統數據中心。延遲減少后,相應的應用程序可以更早地運行。同時,本地設備的數據管理成本低于云和數據中心網絡,因此可以降低成本[2]。具體來說,邊緣計算的特點如下:


              2.1低延遲:采用邊緣設備進行數據處理,實現實時數據處理,縮短響應時間。


              2.2低成本:使用邊緣設備對數據進行過濾、計算和分析,減少骨干網絡中的數據傳輸,降低網絡帶寬要求,從而降低數據處理成本和設備能耗。


              2.3高可靠性:邊緣設備本身具有計算和處理能力。即使上層數據處理中心出現問題,也不會影響用戶的正常使用。


              邊緣計算是為解決云計算的分散性而提出的一種方法。目前,云計算將服務器放在一個數據中心,


              在集中處理之前,數據需要傳輸到數據中心。然而,隨著終端設備數量的增加,數據量變得越來越大。傳輸如此巨大數據量的成本非常高,延遲已成為瓶頸。邊緣計算分布在設備端,即各種終端設備增加存儲、處理等功能,從而減少數據傳輸量,減少延遲,降低成本。同時,在向云傳輸私有數據的過程中可能會出現泄漏。使用邊緣計算可以減少數據泄漏的可能性。


              3、基于5g的移動邊緣計算技術應用場景


              傳統的移動邊緣計算技術是指在移動通信網絡側配置具有計算和管理能力的服務器,以提高無線接入網的信息處理能力,降低移動骨干網的傳輸帶寬。5g具有低延遲、高可靠性的特點,將進一步推動移動邊緣計算的發展。本文結合ITU-T定義的5g網絡應用場景和邊緣計算技術的特點,研究了基于5g移動邊緣計算技術的應用場景。


              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的整體頻譜效率是4G的三倍,用戶體驗速率可達1GB/s,這不僅給人們帶來了不同的網絡體驗,也給核心網絡帶來了巨大的挑戰。


              為了滿足5g網絡的靈活性和低延遲,減輕網絡回報負擔,核心網下沉和云邊緣化已成為必然趨勢。云邊緣化是使5g無線接入網具備云計算能力,實現業務本地化、數據緩存、數據本地計算等功能。


              以電網輸電線路無人機巡檢為例,無人機通過控制臺與5g基站連接,在5g基站側部署邊緣計算服務器,實現視頻、圖像、控制信息的本地存儲和處理,然后將相關處理結果直接傳回控制臺,確保巡檢工作順利進行。


              邊緣計算網關


              3.2大眾機器通信(mmtc)


              與4G相比,5g每平方公里的可連接設備數量高達100萬臺,增長了10倍。同時,5g海量機通信具有數據包小、功耗低的特點。


              根據數據預測,到2020年,全球物聯網終端數量將達到500億。物聯網終端的大規模部署不僅給物聯網網絡系統帶來了挑戰,也測試了物聯網終端的電池容量??梢哉f,5g海量機通信技術極大地滿足了物聯網終端快速增長的需求;此外,結合邊緣計算,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。


              以電網采集業務為例,隨著智能電網的發展,采集對象的數量、采集內容的類型和采集頻率都大大增加。通過部署5g,可實現準實時采集,采集內容多樣化,采集范圍更廣,采集數量更多。


              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將達到1ms,增加10倍;在移動性方面,5g支持速度高達500km/h的通信環境,增長了1.43倍。因此,5g網絡具有高速、低延遲的處理能力。這可以滿足垂直行業的特殊應用需求,如車輛互聯網和工業控制。


              以電網變電站機械巡檢為例,通過5g網絡實現機器人遠程控制。結合邊緣計算技術,實現毫秒響應,確保在檢測中發現問題時及時返回和處理故障信息,確保生產經營安全。


              4、基于5g的邊緣計算網關


              基于5g的邊緣計算網關作為一種網絡互聯設備,通過協議轉換實現信息交換。一方面,它使用邊緣計算來提高數據計算性能;另一方面,5g用于提高信息傳輸效率。


              5g邊緣計算網關系統結構圖如圖1所示。網關系統由云服務器、邊緣計算網關設備、傳感器等終端設備組成。邊緣計算模塊由邊緣應用和邊緣計算平臺組成:數據采集模塊采集傳感器等終端設備的數據,由邊緣計算平臺統一控制和管理采集的數據。edge應用提供一個運行環境,包括信息采集和edge數據處理,接收ECS的指令并執行相應的操作。用戶需要做的是在云服務器上完成指令傳輸。云服務器通過無線信號(如WiFi)、以太網、4G、5g等方式向網關設備發送指令,經過協議轉換后,網關向邊緣計算模塊中的終端設備發送操作指令。在現階段的5g發展中,由于還處于起步階段,運營商在部署5g時使用非獨立組網,需要通過4G基站、增強型4G基站和少量5g基站來實現。然而,由于使用4G核心網絡,它不能提供特別低的延遲。需要等到5g技術通過獨立組網SA技術繼續發展,5g核心網利用網絡片靈活使用網絡資源,從而大大提高網絡服務質量,提供低延遲。


              基于5g的邊緣計算可以充分利用5g高速、大容量、低延遲三大特點,實現海量數據的訪問和處理,保證業務的實時性。


              5、基于5g的邊緣計算網關在電網中的應用


              5.1業務背景


              在電網傳輸中,變電站起著非常重要的作用,它是電力系統中交換電壓和電流、接收電能和分配電能的場所。它提高發電機發送的電能,并將其輸送到高壓電網。


              隨著智能電網的發展,變電站需要處理的信息越來越多,包括數據信息、視頻監控、安全信息等。變電站一般分布在人口相對稀少的地區。由于需要隨時掌握其情況以確保安全,相關人員需要實時監控變電站的內部部件。


              在現代變電站中,由于增加了智能機器人等智能檢測設備,不再需要像以前那樣需要人工頻繁監控現場,減少了一定的安全隱患,提高了效率。然而,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,消耗了大量的交通資源。


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