基于六邊形覆蓋模型的邊緣服務(wù)器數(shù)量計(jì)算

聶勤，申佳靈，易婷，李軍成

湖南人文科技學(xué)院 數(shù)學(xué)與金融學(xué)院，湖南 婁底 417000

0 引言

隨著5G技術(shù)的愈發(fā)成熟，5G網(wǎng)絡(luò)也逐漸融入各行各業(yè)。5G網(wǎng)絡(luò)憑借高速率、低延遲、高帶寬和支持大規(guī)模接入等特性，已適應(yīng)于絕大部分電網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求。在電力數(shù)據(jù)采集與傳輸中，邊緣服務(wù)器作為接收5G信號(hào)中轉(zhuǎn)的處理器，具有對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行野值修復(fù)和數(shù)據(jù)壓縮的作用。經(jīng)過(guò)邊緣服務(wù)器的處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心之后的工作量可以大大緩解。因此，邊緣服務(wù)器的研究在電力數(shù)據(jù)采集與傳輸中具有重要的意義，而邊緣服務(wù)器的覆蓋范圍及數(shù)量的計(jì)算顯得尤為重要。

在計(jì)算邊緣服務(wù)器的數(shù)量時(shí)，5G信號(hào)的覆蓋范圍一個(gè)關(guān)鍵步驟。目前，已經(jīng)許多學(xué)者針對(duì)5G信號(hào)的覆蓋問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究。例如，袁周陽(yáng)等人[1]對(duì)UMa和RMa兩種傳播模型的路徑損耗做出了詳細(xì)的對(duì)比，并計(jì)算出5G在各個(gè)場(chǎng)景的覆蓋范圍；許賢澤等人[2]在Uma傳播模型基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的傳播模型并計(jì)算出5G覆蓋面積；呂繼等人[3]研究了5G多種常用頻段下在典型應(yīng)用場(chǎng)景的覆蓋能力；曾云光等人[4]分析對(duì)比了4G與5G NR鏈路預(yù)算和覆蓋面積結(jié)果，提出了4G共存下5G覆蓋的組網(wǎng)策略；卓秀欽[5]對(duì)5G室內(nèi)傳播模型進(jìn)行了覆蓋分析以及鏈路預(yù)算；顏軍[6]分析了700M 5G覆蓋能力，計(jì)算出在頻段在700M各個(gè)場(chǎng)景的覆蓋半徑；尹軍祖[7]對(duì)5G室內(nèi)傳播模型進(jìn)行了覆蓋分析，并對(duì)室內(nèi)的幾類(lèi)典型場(chǎng)景進(jìn)行了討論；朱朝暉[8]對(duì)5G室內(nèi)系統(tǒng)類(lèi)型的演進(jìn)和室內(nèi)分布建設(shè)演進(jìn)進(jìn)行探討，提出了5G室內(nèi)覆蓋的一些思路。

確定5G信號(hào)的覆蓋范圍后，需要將計(jì)算出的覆蓋半徑帶入相應(yīng)的覆蓋模型，才能計(jì)算出滿足需求的邊緣服務(wù)器覆蓋范圍及數(shù)量，其中三扇形覆蓋模型[9]為目前常用的一種覆蓋模型。而本文將大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的六邊形覆蓋[10]應(yīng)用到邊緣服務(wù)器的計(jì)算中，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種覆蓋模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而為邊緣服務(wù)器數(shù)量計(jì)算時(shí)覆蓋模型的選擇提供參考。

1 邊緣服務(wù)器數(shù)量的計(jì)算

在計(jì)算邊緣服務(wù)器的數(shù)量時(shí)，首先應(yīng)選擇合適的5G信號(hào)傳播模型并結(jié)合5G信號(hào)的最大路徑損耗計(jì)算出最大覆蓋半徑，然后將計(jì)算來(lái)的覆蓋半徑帶入相應(yīng)的覆蓋模型，從而最終計(jì)算出滿足需求的邊緣服務(wù)器覆蓋范圍及數(shù)量，其基本步驟如圖1所示。

圖1 邊緣服務(wù)器計(jì)算的基本步驟

1.1 UMa與RMa傳播模型

適用于5G NR的通常UMa（城市宏站）、UMi（城市微站）、RMa（農(nóng)村宏站）、InH（室內(nèi)熱點(diǎn)）等4種傳播模型[11]。由于電力數(shù)據(jù)的采集與傳輸通常使用室外宏站的方式，因此電力數(shù)據(jù)的采集與傳輸傳播模型主要采用UMa（城市宏站）傳播模型和RMa（農(nóng)村宏站）傳播模型[12]。

1.1.1 Uma傳播模型

Uma傳播模型適用于建筑物比較密集的城區(qū)區(qū)域，這些區(qū)域的主要特點(diǎn)是高層建筑比較多且間隔較小，建筑物的平均高度高于普通建筑物。因此，Uma傳播模型的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括高層住宅區(qū)、密集商業(yè)區(qū)、繁榮商貿(mào)區(qū)等。

在視距傳播（LOS）條件下，UMa傳播模型的最大允許路徑損耗為：

在非視距傳播（NLOS）條件下，UMa傳播模型的最大允許路徑損耗為

式中，d3D、fc、hUT與式（1）相同；陰影衰弱量取為6dB。

注1：給定hUT、hBS、fc的取值后，若最大允許路徑損耗給定，即可由式（1）或式（2）反求出UMa傳播模型中的d3D。

1.1.2 RMa傳播模型

RMa傳播模型適用于建筑物非常稀疏的農(nóng)村和郊區(qū)，這些區(qū)域的主要特點(diǎn)是道路環(huán)境比較開(kāi)闊，多以低矮建筑物為主。因此，RMa傳播模型的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括人口比較稀疏的小鎮(zhèn)、零散居住的農(nóng)村區(qū)域等。

在視距傳播（LOS）條件下，RMa傳播模型的最大允許路徑損耗為

式中，fc、d3D與式（1）中相同；h為建筑物的平均高度；陰影衰落取為6dB。

在非視距傳播（NLOS）條件下，RMa傳播模型的最大允許路徑損耗為

式中，d3D、fc、hUT、hBS與式（1）相同；h與式（3）相同；W為街道平均寬度；陰影衰弱取為8dB。

注2：給定fc、hUT、hBS、h、W的取值后，若最大允許路徑損耗給定，則可由式（3）或式（4）反求出RMa傳播模型中的d3D。

1.2 覆蓋模型

覆蓋模型是計(jì)算出邊緣服務(wù)器覆蓋范圍和邊緣服務(wù)器數(shù)量的重要環(huán)節(jié)，常用的覆蓋模型為三扇形覆蓋，而本文將六邊形覆蓋應(yīng)用到邊緣服務(wù)器的計(jì)算中。

1.2.1 三扇形覆蓋模型

在三扇形覆蓋模型中，邊緣服務(wù)器位于三扇形的中央，如圖2所示。

圖2 三扇形覆蓋

1.2.2 六邊形覆蓋模型

在六邊形覆蓋模型中，邊緣服務(wù)器位于六邊形的中央，如圖3所示。

圖3 六邊形覆蓋

1.3 邊緣服務(wù)器的數(shù)量計(jì)算

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由表1可知，在滿足對(duì)該城區(qū)的覆蓋需求時(shí)，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為127～331個(gè)，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為96～247個(gè)；在滿足對(duì)該農(nóng)村的覆蓋需求時(shí)，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為11～98個(gè)，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為8～74個(gè)。由此可知，在第一組實(shí)驗(yàn)中，六邊形覆蓋模型顯然比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器數(shù)量更少。

表1 第一組實(shí)驗(yàn)中兩種覆蓋模型下邊緣服務(wù)器的數(shù)量對(duì)比

表2 第二組實(shí)驗(yàn)中兩種覆蓋模型下邊緣服務(wù)器的數(shù)量對(duì)比

由表2可知，在滿足對(duì)該城區(qū)的覆蓋需求時(shí)，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為583～1515個(gè)，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為437～1137個(gè)；在滿足對(duì)該農(nóng)村的覆蓋需求下，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為3～22個(gè)，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為2～16個(gè)。因此，在第二組實(shí)驗(yàn)中，六邊形覆蓋模型也比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量更少。

通過(guò)以上兩組仿真實(shí)驗(yàn)可知，在滿足對(duì)該地區(qū)的覆蓋需求時(shí)，無(wú)論是某地區(qū)的城區(qū)面積比農(nóng)村面積大，還是農(nóng)村面積比城區(qū)面積大，六邊形覆蓋模型都比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量更少，從而所需的成本更低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)通過(guò)Uma傳播模型、RMa傳播模型和最大允許路徑損耗，求出5G的最大覆蓋半徑，然后再分別利用三扇形覆蓋模型和六邊形覆蓋模型計(jì)算出單個(gè)邊緣服務(wù)器的覆蓋面積，從而計(jì)算出滿足覆蓋要求時(shí)所需的邊緣服務(wù)器數(shù)量。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，六邊形覆蓋模型比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器數(shù)量更少，從而為邊緣服務(wù)器的部署問(wèn)題提供了參考。