5G邊緣計算與電力設施融合部署模式探析

1 概述

隨著國家“互聯網+”戰略的不斷深入，新興的信息通信技術正在向各行各業不斷融合滲透，經濟社會各領域向數字化轉型升級的愿望和趨勢愈發明顯。在第三屆世界人工智能大會上，使用5G+邊緣云計算+全息投影技術實現場外嘉賓的現場演說，讓線上線下的參會者記憶猶新。盡管集中部署的云計算中心能夠提供全面的計算、存儲、網絡和安全能力，但是在萬物互聯、大帶寬數據傳輸和低時延通信的需求背景下，位于網絡邊緣的終端設備所產生的數據量已經達到海量的級別，這給當前的云計算模型帶來了諸多挑戰。

5G 邊緣計算（MEC）作為一種新的計算模式，架起邊緣設備與數據中心之間的橋梁，使原始數據在源頭附近就能得到及時高效的處理。5G 邊緣計算即將原本集中在大型云計算平臺的數據計算、存儲、網絡能力下沉到網絡的邊緣，通過5G切片通信技術實現不同用戶間的邊緣數據與邊緣網絡的安全隔離通信，讓現場數據能夠就近獲得計算、存儲、網絡和安全能力，而無需傳輸到云端。5G 技術的三大技術特點：增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）預示著5G 將成為各行業數字化轉型的關鍵技術之一。然而，一方面，根據電磁波的波長與頻率的關系，頻率越高波長越短，這也意味著相比于4G通信，需要建設更多的5G 基站點來支持5G 通信及5G邊緣云業務。另一方面，隨著無人駕駛、AR/VR 沉浸式體驗、智能視頻監控、AI 圖像識別、遠程手術等技術應用的興起，海量數據的處理需要借助靠近數據源的本地化計算、存儲、網絡和安全能力，這意味著需要部署更多的邊緣接入點以滿足邊緣業務運行的需要。

同時，由于MEC 的部署要求盡可能地靠近終端用戶，這意味著隨著5G 技術應用的不斷深入，MEC 的建設也將更為分散和密集，需要投入大量的電力、土地、網絡和信息通信設備等資源，這將大大增加邊緣計算節點的建設成本和整體規劃難度。

無獨有偶，2019 年國家電網公司在其“兩會”上提出了全面推進“三型兩網，世界一流”戰略，加快推進泛在電力物聯網建設的目標。即通過廣泛應用云計算、大數據、物聯網、邊緣計算等信息技術匯集各方資源，為規劃建設、經營管理、綜合服務等各方面提供有效的信息和數據支撐。泛在電力物聯網建設對云計算、大數據、物聯網和邊緣計算等的需求與通信運營商的IT通信資源互補；而通信運營商對電能、場地、安全防護的需求與電網企業靠近終端用戶建設的大量電力設施互補。構建基于電力設施的邊緣計算節點有助于加快泛在電力物聯網和泛在信息通信網的建設，也有助于加速5G技術的應用和推廣。

2 5G邊緣計算的建設原則

5G 網絡的三大技術特性及5G 邊緣計算能力下沉到網絡邊緣，決定了5G邊緣計算的應用及業務接入方式將呈現多樣化。同時，泛在的物聯系統及數據采集系統需要盡可能靠近網絡邊緣，以便于現場數據采集設備信息的快速傳輸與高效處理。5G 邊緣終端的分散性決定了5G 邊緣計算節點部署的分散性。統籌考慮5G 邊緣計算的位置、應用場景、建設規模和性能規劃，按照一定的原則進行規劃部署，將有利于實現5G邊緣計算節點的最佳實踐效果。

2.1 輕量部署原則

5G 邊緣計算節點主要面向本地化部署的低時延、大帶寬、真實感強的VR/AR、4K/8K 視頻、工業控制等具體應用場景。相對于大型數據中心內的云計算平臺而言，5G 邊緣計算的計算和存儲資源規模較小，可采用超融合服務器部署功能精簡的云平臺。一方面，在云平臺功能組件上，采用精簡的OpenStack 云計算框架，如只保留Nova、Neutron、Glance、Keystone、Ceilometer 等基本功能組件，確保邊緣計算性能；另一方面，根據特定的業務場景需要調整邊緣計算節點的計算（如GPU 計算等）和存儲（如SSD 存儲等）規模。從通信網絡的角度出發，在中心側集中部署的網絡功能虛擬化編排器（NFVO）和網絡功能虛擬化管理器（NFVM）可集中部署在云計算中心或下沉到邊緣；在平臺側部署的邊緣管理平臺（ECPM）和虛擬網絡功能管理（VNFM），可以合設也可以分設。同時，采用容器等輕量級計算技術減少邊緣計算節點對物理資源的消耗。

2.2 統一架構部署原則

5G 邊緣計算由于節點分散，從業務連續性及運維管理的便利性角度，宜采用統一的架構。這里的統一架構有2 層意思：一是不同地區及相同地區不同業務的邊緣節點采用相同的邊緣計算架構；二是與上層的云計算平臺統一架構。由于業務下沉到網絡邊緣，對于同一區域的同類型業務而言，邊緣云平臺可采用統一架構部署，共享底層物理設施，通過5G網絡切片、計算和存儲虛擬化實現不同業務的邏輯隔離。而通過統一不同地區的邊緣計算架構和云計算平臺架構，則有利于云邊協同，更大程度地發揮云端網絡、計算和存儲效能。

2.3 按需部署原則

與通信基站密集預覆蓋的建設模式不同，邊緣計算通常為特定區域、特定場景的用戶群體定制化部署。例如針對某一工廠的智能制造，數據源是該智慧工廠的各種智能設備，因此邊緣計算節點不應離這些智能設備太遠；再如面向視頻監控和AI圖像識別的場景，邊緣服務器一般部署在攝像機附近，以降低攝像機到邊緣服務器之間的時延，避免了攝像機到云計算中心的帶寬消耗。再者，考慮到投資成本及投資回報等因素，5G 邊緣計算節點的部署通常不會在沒有業務（或規劃中的業務）的情況下大規模預先建設。因此，5G 邊緣計算節點的建設應遵循按需建設原則。此外，考慮到邊緣計算節點分散、數量眾多、協議眾多等特點，通過部署SDN 化網絡將有利于提高網絡配置效率和網元的QoS保障能力，并可按需靈活下發網絡策略。

2.4 邊云協同部署原則

由于5G 邊緣計算主要為低時延數據交互等場景提供本地計算存儲服務，平臺規模相對較小，且計算能力和存儲容量較為有限，如果現場ME-APP 涉及大量存儲，或者節點數據需與云計算中心或多個邊緣節點進行協同，則往往需要借助云計算中心的資源能力。例如，在視頻監控存儲與AI 圖像分析場景中，如果要求長期保存錄像數據，則邊緣節點的存儲容量終將無法滿足視頻存儲的需要，同時多路視頻信號傳輸到云計算平臺中存儲，對云平臺互聯網出口帶寬也將是個巨大的壓力。而如果將視頻信號傳輸到本地MEC 節點進行處理，并將歷史數據按照一定的時間間隔上傳至云計算中心，將有助于最大程度地發揮資源的配置效率，為現場應用提供最優性價比的云網資源。因此，云計算平臺與邊緣計算的協同部署顯得尤為重要。面對多級聯動的業務場景需求，邊緣計算節點建設模式可以采用分層協同建設模式，云邊協同示意圖如圖1所示。

圖1 中，云計算中心有著完善的計算、存儲、網絡和安全資源，而邊緣節點的功能相對精簡，邊緣計算節點與云計算中心之間的通信可以通過5G MEC 的UPF實現業務網絡的切片隔離。當MEC 距離云計算中心較遠時，也可以通過光纖通信實現大容量數據的定時存儲。通過分級分層部署，最終實現資源的合理高效配置。

3 5G邊緣計算與電力設施融合建設思路

萬物互聯時代，數百億的傳感器將應用于各行各業的現場數據收集。從如此龐大的輸入源中獲取和分析有用數據需要大量的邊緣計算節點。5G 邊緣節點作為微型數據中心，既需要考慮安全的物理空間，也需要考慮可靠的電力供應。電力設施與5G 邊緣節點的融合可以在一定程度上緩解上述難題。根據《城市電力規劃規范》（GB/T 50293-2014）（下稱《規范》），城市供電設施一般包括城市變電站、開關站、環網單元、配電室等，這些電力設施的建設規劃各有特點，其與5G邊緣計算節點的融合方案也不盡相同。以下將分別針對這3種融合場景進行討論。

3.1 MEC與電力變電站融合

城市變電站的規劃選址需符合《規范》的要求：靠近負荷中心，方便交通運輸，避開易燃易爆危險源和大氣嚴重污穢區及嚴重鹽霧區，并選址良好地質條件的地段。《規范》中對城市變電站的占地面積也做了要求：35 kV 戶內式變電站和戶外式變電站用地面積分別推薦為500～2 000 m2和2 000～3 500 m2。城市變電站占地面積較大，變電容量較大，除了變電站自身用地之外，富余空間和電力容量較多，可預留10～20個機柜的空間（50～100 m2）和50～100 kVA 的電容量用于部署大型邊緣計算節點或小型云計算平臺。

3.2 MEC與電力開關站融合

圖1 云邊協同示意圖

在城市的街頭巷尾常常能看到一些門外寫著“高壓危險”字樣的“小房子”，它們是電力開關站或“箱式變電站”或“環網單元”。《規范》指出，“10（20）kV 開關站宜與10（20）kV配電室聯體建設”。由于開關站或環網單元空間有限，富余空間相對城市變電站較小，可以考慮預留10～15 m2的空間部署2～3 個機柜和10～20 kVA 電源容量，并開設MEC 業務專用門，便于MEC 部署和運維作業等。MEC 與電力開關站融合部署的示意圖如圖2所示。

圖2 MEC與箱變融合部署示意圖

城市開關站常設立于城市的負荷中心，若能與MEC 充分融合，將為電力物聯網、無人駕駛、城市慧眼、智慧城市機器人等場景提供高帶寬、低時延的邊緣計算資源。

3.3 MEC與電力配電房融合

電力配電房是公共小區、建筑物內必須設置的公用設施，通常建于建筑物的屋內。對于公用配電室，《規范》指出“公用配電室的位置，應接近負荷中心。在負荷密度較高的市中心地區，住宅小區、高層樓群、旅游網點和對市容有特殊要求的街區及分散的大用電戶，規劃新建的配電室宜采用戶內型結構”。針對公用配電室，由于富余空間和富余電源容量較小，可以預留10～15 m2的富余空間和10～20 kVA的電源容量部署2～3 個機柜，用于部署邊緣云，面向居民區、產業園、寫字樓等局部區域提供邊緣CDN、邊緣云游戲、邊緣VR/AR、邊緣高性能計算等服務，將大大豐富和提升該區域的智能化體驗。

基于上述3 種電力設施的建設情況分析，可以估算一個行政區域內電力設施可用于5G 邊緣計算節點部署的邊緣計算機柜數量。以某市某縣區內電力變電站、開關站和配電設施規劃為例，測算其可提供邊緣計算節點部署的機柜數量，結果如表1所示。

由表1 可知，一個縣區內的電力設施可用于部署5G 邊緣計算節點的機柜數量可達2 744 個，按照平均每個機柜建設成本（含土地、電力、空調、消防、IT 等費用）10 萬元計算，則可節約一次性投資成本2 744×10=2.744 億元，節約土地面積約2 744×5 m2=13 720 m2。根據國家統計局數據顯示，截至2019 年全國共有2 846個縣級區劃數，則初略估計，可節約MEC建設投資2.744×2 846=7 809.42億元，考慮縣區地區MEC節點數量差異，選取平均系數為0.682（2017 年全國地區生產總值整體相對差異水平變異系數為0.318，全國地區差異水平為1-0.318=0.682），則全國MEC 建設投資可節約0.682×7 809.42=5 326.02 億元，節約土地約13 720×2 846×0.682=2 663.01萬m2。因此，利用電力設施的富余空間規劃5G 邊緣計算節點，對節約土地資源，減少電力及通信線路鋪設長度，降低電力與通信損耗，提升用戶業務體驗感知都將發揮積極作用。

表1 某縣區內電力設施可提供的MEC節點機柜數量預估表

4 邊緣計算與電力設施融合建站的關鍵問題

5G 邊緣計算節點與電力設施的融合建設將面臨設備散熱、電磁兼容、安全等方面的問題，這些問題如果沒有得到有效解決，將可能導致邊緣計算設備和系統無法穩定運行，甚至危及人身安全，上述的融合模式將很難得以推廣。

4.1 散熱問題

5G 邊緣計算設備主要包括：邊緣計算服務器、邊緣存儲服務器、網絡設備、安全設備等。這些設備在運行過程中都將產生熱量，特別是高密度邊緣計算服務器，單臺服務器額定功率可達數百瓦。如果設備沒有及時散熱，高溫將影響服務器設備中電子元器件的使用壽命，危及設備系統安全。邊緣計算節點的散熱問題不容忽視。

邊緣服務器的熱量主要來源于服務器CPU 工作運行發熱，通過風扇將熱量及時排到設備之外，如果設備所處環境沒有冷卻措施，環境溫度將不斷提高。因此，為了降低環境溫度，使環境溫度維持在服務器安全運行的溫度范圍內，可以有如下幾種處理方法：一是空調降溫法，針對大規模的邊緣計算節點采用精密空調集中降溫，針對小規模的邊緣計算節點采用家用空調進行降溫；二是自然通風法，該方法僅適用于年平均氣溫較低，且溫濕度適合服務器正常運行的環境；三是盡量選擇低功耗、發熱量小的服務器，或通過平臺調度算法合理調度服務器的執行任務，降低服務器總發熱量。

考慮到邊緣節點主要負責處理特定區域內的邊緣計算任務，業務規模相對較小，對于面向園區或廠區的MEC節點，通常1～2個業務機柜即可滿足業務需要，且變電站內要求防火、防塵、防潮、防腐，外部空氣不允許進入柜體內。對于低密度機柜，在機柜環境較好的室內，特別是在恒溫恒濕環境中可采用自然通風散熱；而對于密度較高的邊緣計算機柜，因其散熱量較大，采用閉式機柜空調循環制冷的方式更符合通信和數據機柜對散熱環境的要求。

4.2 電磁兼容問題

根據國際電工委員會IEC 對設備電磁兼容（EMC）的規定，電子產品在通電工作時，要求設備能夠承受一定程度的外部或系統自身產生的電磁干擾而正常工作，同時也不通過傳導、輻射、耦合等方式向外部發出超過標準規定的電磁干擾。隨著服務器CPU 芯片工作頻率的不斷提高，元器件在電路板中的布局、走線、阻抗和接地情況等都將影響邊緣節點設備EMC 的性能。常用的EMC 抑制方法包括對輻射源的屏蔽、選擇合適的導磁材料和有效接地。

對5G 邊緣計算而言，一方面選用具有國家3C 認證的服務器，由于設備出廠時已通過電磁兼容檢驗，可以從源頭上降低MEC 設備遭受外界電磁干擾，同時避免對同區域內的其他設備造成電磁干擾。常用的機架式服務器外殼大多為具有鐵磁特性的良導體，能有效吸收設備產生的電磁干擾和輻射能量；同時，對業務機柜采用低阻抗導體進行有效接地，可大大降低柜體對外的電磁輻射和外界對柜內設備的電磁輻射影響。另一方面，選用導磁效果良好的服務器機柜及科學合理的柜內布置，將大大減少服務器遭受外界的電磁干擾。

4.3 安全問題

由于電力變電站、開關柜及配電房內都有高壓設備，因此現場實施、維護人員的人身安全不容忽視。在變電站或配電房內部署邊緣計算平臺時需充分考慮與電力設備間的電氣安全距離，并且需考慮信息通信設備日常維護的便利性。同時，由于變電站或配電房內不同廠商的設備較多，為了防止誤操作導致的平臺故障，邊緣計算機柜的開啟應設立相應的安全防護措施。

另外，由于MEC 平臺對外提供服務，因此平臺自身的安全穩定是確保ME-APP安全部署的前提。由于設備的開放性和異構性，以及與云計算中心相比相對有限的安全防護設備和安全防護措施，使得平臺訪問控制的難度大幅提升。邊緣計算節點的分散性、“數據第一入口”、邊緣安全較為薄弱等特性，使其更容易遭受攻擊。而被攻陷的邊緣節點還可能成為黑客的“肉機”，造成更大的危害和損失。針對MEC 的安全問題，可以采取以下措施。

一是利用邊界防火墻做好訪問控制，可針對訪問的設備進行MAC 地址綁定，防止處于同一地址段的“冒充者”進入系統后進行數據的獲取、篡改和破壞。

二是在平臺側部署安全一體機，對邊緣計算系統進行嚴格的安全訪問控制，通過虛擬的安全服務組件對邊緣計算服務保駕護航。

三是利用區塊鏈技術對生產重要環節產生的數據進行區塊存儲，使重要數據不可篡改并且可溯源。

5 結束語

5G 技術的高帶寬、低時延和海量連接等技術特性預示著未來的行業應用場景將向著大帶寬、短時延、大連接的方向發展。隨著5G及邊緣計算的普及應用，邊緣計算節點的建設、運營和管理等問題將不斷突顯。探索5G邊緣計算節點與電力設施的融合建設模式，將有利于大幅降低邊緣計算運營商、邊緣計算服務商及邊緣應用開發商的投資成本，提高5G邊緣計算節點的安全性、可靠性和靈活性，助力泛在電力物聯網建設，進一步促進產業的技術創新和轉型升級。