林尾金

（國(guó)網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

傳統(tǒng)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)終端通信主流是通過專用光纜進(jìn)行信息流承載，具有低延時(shí)、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在敷設(shè)費(fèi)用高昂，大量占用管溝資源，維護(hù)費(fèi)用較高等一系列問題。如與電網(wǎng)其他業(yè)務(wù)共用光纜，則需要在差動(dòng)保護(hù)終端間多次跳纖，容易造成網(wǎng)絡(luò)丟包通信不穩(wěn)定等問題[1]。

研究5G移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)場(chǎng)景適配，使低延時(shí)業(yè)務(wù)信息流無需回傳至5G核心網(wǎng)，所有低時(shí)延業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)完成計(jì)算、分析、處理以及轉(zhuǎn)發(fā)等功能，以滿足配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)場(chǎng)景業(yè)務(wù)通信10～40 ms的時(shí)延要求，實(shí)現(xiàn)5G無線網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖通信方式為配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)提供低延時(shí)、高可靠通信服務(wù)，為能源電力物聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延、高可靠應(yīng)用場(chǎng)景提供支撐[2]。

1 面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)現(xiàn)狀及重要意義

1.1 現(xiàn) 狀

面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的MEC平臺(tái)主要功能是通過業(yè)務(wù)分流機(jī)制、計(jì)算卸載技術(shù)將部分網(wǎng)絡(luò)功能遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，使用戶的部分業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)得到分析處理，縮短信息流的通信路徑降低延時(shí)，實(shí)現(xiàn)部分云端平臺(tái)計(jì)算功能向網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)遷移，最終滿足低時(shí)延電網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景目的。

近年來，5G配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)移動(dòng)邊緣平臺(tái)技術(shù)快速發(fā)展，其中計(jì)算存儲(chǔ)能力與業(yè)務(wù)服務(wù)能力不斷向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移技術(shù)發(fā)展最為迅速。移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括計(jì)算卸載技術(shù)、接入控制技術(shù)和基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的本地分流技術(shù)等[3]。通過上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，使面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的MEC平臺(tái)具備部分云端平臺(tái)功能，能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)上下文感知和云計(jì)算技術(shù)有機(jī)地融合在一起，進(jìn)一步提升5G配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)MEC平臺(tái)的功能。

1.2 重要意義

傳統(tǒng)光纖通信存在費(fèi)用高、敷設(shè)難、占用地下管溝資源多等問題，制約著配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，其在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。未來電網(wǎng)業(yè)務(wù)通信需求，向著低延時(shí)、大帶寬、海量接入的網(wǎng)絡(luò)承載能力發(fā)展，區(qū)域的終端設(shè)備數(shù)量將達(dá)到萬級(jí)，端到端通信時(shí)延需求為毫秒級(jí)，網(wǎng)絡(luò)通信可靠性要求99.999%，對(duì)電網(wǎng)的承載能力、接入能力、響應(yīng)速度提出了更高的要求，迫切需要對(duì)電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)及平臺(tái)服務(wù)進(jìn)行演進(jìn)升級(jí)，以滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需要。其中5G配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)邊緣計(jì)算平臺(tái)研究可以有效推動(dòng)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)在配電自動(dòng)化低延時(shí)、高可靠等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[4]。

2 面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的MEC平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

本文針對(duì)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)通信需求及可行方案，設(shè)計(jì)了一款以計(jì)算卸載、接入控制、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流等為主要功能的MEC平臺(tái)，能更好地適配配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的MEC平臺(tái)設(shè)計(jì)采用如圖1所示的移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，平臺(tái)接口節(jié)點(diǎn)一共有3組，分別為平臺(tái)內(nèi)部功能接口（Fp）、管理服務(wù)接口（Fm）以及邊緣節(jié)點(diǎn)外部接口（Fc）。

依據(jù)面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的MEC平臺(tái)架構(gòu)，差動(dòng)保護(hù)終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)接入MEC平臺(tái)，平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)層通過GPRS隧道協(xié)議（GPRS Turning Protocol，GTP）解析封裝及流量卸載服務(wù)（Traffic Offload Function，TOF）將差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分流，其中需要上主站處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過核心網(wǎng)傳輸至云端主站，而需要在本地處理轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)則通過平臺(tái)的數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件向平臺(tái)的虛擬容器和業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。平臺(tái)的虛擬容器將平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)進(jìn)行軟件抽象，并通過虛擬化管理給差異化業(yè)務(wù)分配不同的通信服務(wù)，最終連接到應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用運(yùn)行于各個(gè)虛擬容器中，通過Fp1接口從容器的應(yīng)用中獲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，各個(gè)虛擬容器主要提供運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)通信、功能管理等服務(wù)[5]。平臺(tái)管理器與平臺(tái)內(nèi)部通過接口Fm5連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫信息管理以及數(shù)據(jù)處理等，并與云端業(yè)務(wù)主站相連。云端業(yè)務(wù)主站收到MEC平臺(tái)上報(bào)數(shù)據(jù)后進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理，同時(shí)可以通過云邊協(xié)同機(jī)制更新MEC平臺(tái)應(yīng)用的算法。

2.2 分流機(jī)制

根據(jù)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的特征，MEC平臺(tái)給有主站模式業(yè)務(wù)和無主站模式業(yè)務(wù)提供了不同分流機(jī)制，保障低時(shí)延電力業(yè)務(wù)通信路徑最短。

根據(jù)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的差異化處理需求，MEC平臺(tái)在數(shù)據(jù)分流層進(jìn)行了TOF分流以及Fp1和Fm接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分流策略管理、服務(wù)質(zhì)量管理和回傳轉(zhuǎn)發(fā)等功能。TOF的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流機(jī)制是將5G基站以及核心網(wǎng)相關(guān)GTP數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地分流，部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到MEC服務(wù)器進(jìn)行處理后直接轉(zhuǎn)發(fā)，部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流則經(jīng)過核心網(wǎng)上云端主站后回傳。本文主要實(shí)現(xiàn)低時(shí)延業(yè)務(wù)分流處理，需要對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行GTP解析封裝，其流程如下。

（1）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)封裝成GTP數(shù)據(jù)流，并轉(zhuǎn)發(fā)給基站和MEC平臺(tái)；

（2）平臺(tái)接收到基站上傳的業(yè)務(wù)GTP數(shù)據(jù)流，以IP包的形式將數(shù)據(jù)傳給平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用；

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用根據(jù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，時(shí)延要求選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流處理策略，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 接口設(shè)計(jì)

MEC平臺(tái)接口主要為生產(chǎn)者、訂閱者、數(shù)據(jù)庫等實(shí)體提供了通信服務(wù)。平臺(tái)接口實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用與底層數(shù)據(jù)流的通信服務(wù)、各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的通信服務(wù)、與外部實(shí)體之間的通信服務(wù)，主要是通過消息生產(chǎn)與消息訂閱的方式完成傳輸規(guī)則控制。MEC平臺(tái)可提供4種數(shù)據(jù)模式，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流如圖2所示。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模式1：平臺(tái)數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，給運(yùn)維應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模式2：各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用消息生產(chǎn)者，通過平臺(tái)發(fā)布消息，給需要的應(yīng)用訂閱。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模式3：各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用作為消息消費(fèi)者，訂閱其他消息生產(chǎn)者消息。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模式4：平臺(tái)數(shù)據(jù)訂閱者，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，訂閱平臺(tái)發(fā)布的相關(guān)信息。

2.4 計(jì)算卸載

部分配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求高，需要本地決策，因此可將此部分業(yè)務(wù)卸載到本地MEC進(jìn)行中轉(zhuǎn)，主要解決業(yè)務(wù)終端數(shù)據(jù)在上傳到主站后再到另一業(yè)務(wù)終端通信路徑過長(zhǎng)不滿足業(yè)務(wù)時(shí)延要求。通過分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及要求，制定數(shù)據(jù)卸載策略，不僅可以縮短通信路徑降低時(shí)延，同時(shí)可以減輕核心網(wǎng)計(jì)算壓力。

本文通過深入分析配電差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)規(guī)則充分合理調(diào)配計(jì)算資源，將部分可本地決策的業(yè)務(wù)卸載到MEC平臺(tái)處理，利用邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算分析能力處理相關(guān)業(yè)務(wù)，縮短部分業(yè)務(wù)的通信路徑，保證端到端的通信時(shí)延，以此來滿足部分配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。本文計(jì)算卸載流程，包括選擇合適計(jì)算節(jié)點(diǎn)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分類、卸載判斷、本地計(jì)算分析以及結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)，如圖3所示[6]。

2.5 接入控制技術(shù)

首先，面向配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投嗑S異構(gòu)資源可用性的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建長(zhǎng)期的端到端時(shí)延保障優(yōu)化目標(biāo)。其次，利用上下文感知技術(shù)，以可靠性、時(shí)延、抖動(dòng)等實(shí)際性能與約束條件之間的差距作為反饋信號(hào)，綜合調(diào)度功率、頻率、時(shí)隙等通信資源和存儲(chǔ)、計(jì)算等資源。最后，基于深度學(xué)習(xí)的邏輯抓取能力與強(qiáng)化學(xué)習(xí)的連續(xù)決策能力，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交互的歷史經(jīng)驗(yàn)與上下文信息，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)接入控制策略，實(shí)現(xiàn)終端的低時(shí)延接入控制，從而滿足配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的端到端低時(shí)延需求[7]。

針對(duì)本地局域網(wǎng)級(jí)聯(lián)節(jié)點(diǎn)時(shí)延抖動(dòng)特性，以電力業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)刻為視角，觀察系統(tǒng)隊(duì)長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化，研究業(yè)務(wù)包離去過程，并分析每個(gè)時(shí)隙系統(tǒng)隊(duì)長(zhǎng)，利用排隊(duì)論等數(shù)學(xué)工具，結(jié)合數(shù)學(xué)概率生成理論，獲得時(shí)延抖動(dòng)概率生成函數(shù)及分布函數(shù)。從終端數(shù)量、協(xié)議對(duì)比指數(shù)、最大重傳次數(shù)的設(shè)置、傳輸節(jié)點(diǎn)跳數(shù)等因素入手，監(jiān)控相關(guān)因素對(duì)時(shí)延抖動(dòng)特性的影響，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)相關(guān)因素的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本地局域網(wǎng)內(nèi)部電力業(yè)務(wù)流量的準(zhǔn)入控制和合理配置，動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在控制時(shí)延抖動(dòng)的前提下最大化利用無線資源。

3 測(cè)試驗(yàn)證

依托中國(guó)移動(dòng)福州某地區(qū)5G ToB現(xiàn)網(wǎng)。ToB網(wǎng)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network，DNN）為CMIOT5GCSJT.FJ。ToB、ToC共享基站及承載網(wǎng)，無線側(cè)采用物理資源模塊（Physical Resource Block，PRB）資源預(yù)留（8%），承載網(wǎng)基于虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Privaate Network，VPN）隔離。ToB 配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)MEC平臺(tái)下沉至福州某片區(qū)，與其他行業(yè)共享?；静捎肗41頻段、100 MHz帶寬，上下行時(shí)隙比為8∶2。將電力業(yè)務(wù)終端、業(yè)務(wù)主站系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)及MEC平臺(tái)進(jìn)行串聯(lián)，開展業(yè)務(wù)終端間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、丟包率、速率及流量等參數(shù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

通過圖4可知，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)MEC平臺(tái)下沉至用戶端后，結(jié)合計(jì)算卸載、業(yè)務(wù)分流、接入控制等技術(shù)，使得通信終端之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、丟包率、速率及流量等參數(shù)得到較大的優(yōu)化，驗(yàn)證了基于5G網(wǎng)絡(luò)的MEC平臺(tái)可以承載配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)低時(shí)延業(yè)務(wù)。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)通信需求，設(shè)計(jì)了MEC平臺(tái)架構(gòu)，通過優(yōu)化MEC平臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)承載智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)經(jīng)濟(jì)可行，具有廣闊的應(yīng)用空間。對(duì)5G在配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的落地應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。