物联网开发

5g边缘计算网关在电网中的应用

  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。首先研究了5g和边缘计算的特点,然后研究了两种技术在网关中的集成。基于变电站的业务背景,提出了一种基于5g的边缘计算网关应用解决方案。


5g边缘计算


  介绍


  随着5g网络技术的发展,基于5g的边缘计算技术受到了广泛关注。业务需求和网络升级进一步推动了边缘计算的发展。云计算能力不足以满足爆炸式增长的海量数据需求。此外,传输负载的急剧增加会导致较长的时延,不能满足实时性要求,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。通过边缘计算的手段,可以在边缘网关中对数据进行初步筛选和处理,将重要的安全信息发送到监管平台并发出预警,从而提高信息处理效率,更及时地获取隐患信息。随着物联网技术的发展,变电站在智能电网中扮演着越来越重要的角色。然而,随着传感器数量的增加和智能检测机器人的普及,数据传输也在不断增加。如果所有数据都发送到云处理,会增加延迟,处理不及时,无法及时发现安全隐患。基于5g的边缘计算技术可以解决这些问题。


  本文首先研究了5g和edge计算的特点,然后研究了这两种技术在网关中的集成,并提出了一种基于电网变电站业务背景的解决方案。


  1、5g技术特性


  2019年6月,工信部颁发5g商用许可证,标志着5g商用在中国的第一年。然而,5g技术的发展仍在继续,并不断为我们的生活提供更便捷的应用。


  5g是第五代通信技术的全称,是新一代蜂窝移动通信技术,具有以下特点:


  1.1数据传输速率高,可达10Gb/s,可满足大数据量的传输;


  1.2低延迟。LTE网络使移动网络的时延达到100ms,而5g网络的时延可以达到1ms,可以满足低时延的业务要求;


  1.3提高系统容量和大型设备连接,可以满足物联网的要求,连接所有终端。


  5g不仅是移动通信的一大进步,也是物联网的一项非常有用的技术。其便利性和技术变革将促进经济发展。


  支持二次开发


  2、边缘计算技术的特点


  在边缘计算中,将数据处理集成到边缘设备的目的是减少延迟,以便可以快速处理数据,而无需等待数据传输到传统数据中心。延迟减少后,相应的应用程序可以更早地运行。同时,本地设备的数据管理成本低于云和数据中心网络,因此可以降低成本[2]。具体来说,边缘计算的特点如下:


  2.1低延迟:采用边缘设备进行数据处理,实现实时数据处理,缩短响应时间。


  2.2低成本:使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,降低网络带宽要求,从而降低数据处理成本和设备能耗。


  2.3高可靠性:边缘设备本身具有计算和处理能力。即使上层数据处理中心出现问题,也不会影响用户的正常使用。


  边缘计算是为解决云计算的分散性而提出的一种方法。目前,云计算将服务器放在一个数据中心,


  在集中处理之前,数据需要传输到数据中心。然而,随着终端设备数量的增加,数据量变得越来越大。传输如此巨大数据量的成本非常高,延迟已成为瓶颈。边缘计算分布在设备端,即各种终端设备增加存储、处理等功能,从而减少数据传输量,减少延迟,降低成本。同时,在向云传输私有数据的过程中可能会出现泄漏。使用边缘计算可以减少数据泄漏的可能性。


  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具有低延迟、高可靠性的特点,将进一步推动移动边缘计算的发展。本文结合ITU-T定义的5g网络应用场景和边缘计算技术的特点,研究了基于5g移动边缘计算技术的应用场景。


  3.1增强移动带宽方案(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,进一步扩展频谱带宽。5g的整体频谱效率是4G的三倍,用户体验速率可达1GB/s,这不仅给人们带来了不同的网络体验,也给核心网络带来了巨大的挑战。


  为了满足5g网络的灵活性和低延迟,减轻网络回报负担,核心网下沉和云边缘化已成为必然趋势。云边缘化是使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。


  以电网输电线路无人机巡检为例,无人机通过控制台与5g基站连接,在5g基站侧部署边缘计算服务器,实现视频、图像、控制信息的本地存储和处理,然后将相关处理结果直接传回控制台,确保巡检工作顺利进行。


  边缘计算网关


  3.2大众机器通信(mmtc)


  与4G相比,5g每平方公里的可连接设备数量高达100万台,增长了10倍。同时,5g海量机通信具有数据包小、功耗低的特点。


  根据数据预测,到2020年,全球物联网终端数量将达到500亿。物联网终端的大规模部署不仅给物联网网络系统带来了挑战,也测试了物联网终端的电池容量。可以说,5g海量机通信技术极大地满足了物联网终端快速增长的需求;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。


  以电网采集业务为例,随着智能电网的发展,采集对象的数量、采集内容的类型和采集频率都大大增加。通过部署5g,可实现准实时采集,采集内容多样化,采集范围更广,采集数量更多。


  3.3低延迟和高可靠性通信(urllc)


  与4G相比,在端到端延迟方面,5g将达到1ms,增加10倍;在移动性方面,5g支持速度高达500km/h的通信环境,增长了1.43倍。因此,5g网络具有高速、低延迟的处理能力。这可以满足垂直行业的特殊应用需求,如车辆互联网和工业控制。


  以电网变电站机械巡检为例,通过5g网络实现机器人远程控制。结合边缘计算技术,实现毫秒响应,确保在检测中发现问题时及时返回和处理故障信息,确保生产经营安全。


  4、基于5g的边缘计算网关


  基于5g的边缘计算网关作为一种网络互联设备,通过协议转换实现信息交换。一方面,它使用边缘计算来提高数据计算性能;另一方面,5g用于提高信息传输效率。


  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和边缘计算平台组成:数据采集模块采集传感器等终端设备的数据,由边缘计算平台统一控制和管理采集的数据。edge应用提供一个运行环境,包括信息采集和edge数据处理,接收ECS的指令并执行相应的操作。用户需要做的是在云服务器上完成指令传输。云服务器通过无线信号(如WiFi)、以太网、4G、5g等方式向网关设备发送指令,经过协议转换后,网关向边缘计算模块中的终端设备发送操作指令。在现阶段的5g发展中,由于还处于起步阶段,运营商在部署5g时使用非独立组网,需要通过4G基站、增强型4G基站和少量5g基站来实现。然而,由于使用4G核心网络,它不能提供特别低的延迟。需要等到5g技术通过独立组网SA技术继续发展,5g核心网利用网络片灵活使用网络资源,从而大大提高网络服务质量,提供低延迟。


  基于5g的边缘计算可以充分利用5g高速、大容量、低延迟三大特点,实现海量数据的访问和处理,保证业务的实时性。


  5、基于5g的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、接收电能和分配电能的场所。它提高发电机发送的电能,并将其输送到高压电网。


  随着智能电网的发展,变电站需要处理的信息越来越多,包括数据信息、视频监控、安全信息等。变电站一般分布在人口相对稀少的地区。由于需要随时掌握其情况以确保安全,相关人员需要实时监控变电站的内部部件。


  在现代变电站中,由于增加了智能机器人等智能检测设备,不再需要像以前那样需要人工频繁监控现场,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越来越大,消耗了大量的交通资源。


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