面向配網差動保護業務的移動邊緣計算平臺研究

林尾金

（國網信通億力科技有限責任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

傳統配網差動保護終端通信主流是通過專用光纜進行信息流承載，具有低延時、高可靠等優點，同時也存在敷設費用高昂，大量占用管溝資源，維護費用較高等一系列問題。如與電網其他業務共用光纜，則需要在差動保護終端間多次跳纖，容易造成網絡丟包通信不穩定等問題[1]。

研究5G移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）平臺關鍵技術，實現5G網絡與配網差動保護場景適配，使低延時業務信息流無需回傳至5G核心網，所有低時延業務在網絡邊緣節點完成計算、分析、處理以及轉發等功能，以滿足配網差動保護場景業務通信10～40 ms的時延要求，實現5G無線網絡代替傳統光纖通信方式為配網差動保護提供低延時、高可靠通信服務，為能源電力物聯網低時延、高可靠應用場景提供支撐[2]。

1 面向配網差動保護業務的移動邊緣計算平臺現狀及重要意義

1.1 現 狀

面向配網差動保護業務場景的MEC平臺主要功能是通過業務分流機制、計算卸載技術將部分網絡功能遷移到網絡邊緣節點，使用戶的部分業務在網絡邊緣節點得到分析處理，縮短信息流的通信路徑降低延時，實現部分云端平臺計算功能向網絡邊緣節點遷移，最終滿足低時延電網業務場景目的。

近年來，5G配網差動保護移動邊緣平臺技術快速發展，其中計算存儲能力與業務服務能力不斷向網絡邊緣遷移技術發展最為迅速。移動邊緣計算平臺的關鍵技術主要包括計算卸載技術、接入控制技術和基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的本地分流技術等[3]。通過上述關鍵技術的研究，使面向配網差動保護業務的MEC平臺具備部分云端平臺功能，能夠將無線網絡、網絡上下文感知和云計算技術有機地融合在一起，進一步提升5G配網差動保護MEC平臺的功能。

1.2 重要意義

傳統光纖通信存在費用高、敷設難、占用地下管溝資源多等問題，制約著配網自動化的發展。隨著5G網絡的快速發展，其在各行各業廣泛應用，優勢愈發明顯。未來電網業務通信需求，向著低延時、大帶寬、海量接入的網絡承載能力發展，區域的終端設備數量將達到萬級，端到端通信時延需求為毫秒級，網絡通信可靠性要求99.999%，對電網的承載能力、接入能力、響應速度提出了更高的要求，迫切需要對電網的通信網絡及平臺服務進行演進升級，以滿足電網業務的發展需要。其中5G配網差動保護邊緣計算平臺研究可以有效推動5G移動通信系統在配電自動化低延時、高可靠等領域的應用和發展[4]。

2 面向配網差動保護業務的MEC平臺關鍵技術研究

本文針對配網差動保護通信需求及可行方案，設計了一款以計算卸載、接入控制、業務數據分流等為主要功能的MEC平臺，能更好地適配配網差動保護業務應用場景。

2.1 平臺架構

面向配網差動保護業務的MEC平臺設計采用如圖1所示的移動邊緣計算平臺架構，平臺接口節點一共有3組，分別為平臺內部功能接口（Fp）、管理服務接口（Fm）以及邊緣節點外部接口（Fc）。

依據面向配網差動保護業務的MEC平臺架構，差動保護終端的業務數據通過5G網絡接入MEC平臺，平臺網絡層通過GPRS隧道協議（GPRS Turning Protocol，GTP）解析封裝及流量卸載服務（Traffic Offload Function，TOF）將差動保護業務數據按應用場景進行分流，其中需要上主站處理的業務數據通過核心網傳輸至云端主站，而需要在本地處理轉發的數據則通過平臺的數據平面開發套件向平臺的虛擬容器和業務應用層進行對應的數據處理。平臺的虛擬容器將平臺的硬件基礎進行軟件抽象，并通過虛擬化管理給差異化業務分配不同的通信服務，最終連接到應用層。業務應用運行于各個虛擬容器中，通過Fp1接口從容器的應用中獲業務數據進行分析處理，各個虛擬容器主要提供運行環境、數據通信、功能管理等服務[5]。平臺管理器與平臺內部通過接口Fm5連接，負責數據庫信息管理以及數據處理等，并與云端業務主站相連。云端業務主站收到MEC平臺上報數據后進行業務數據處理，同時可以通過云邊協同機制更新MEC平臺應用的算法。

2.2 分流機制

根據電力業務數據的特征，MEC平臺給有主站模式業務和無主站模式業務提供了不同分流機制，保障低時延電力業務通信路徑最短。

根據配網差動保護業務數據的差異化處理需求，MEC平臺在數據分流層進行了TOF分流以及Fp1和Fm接口設計，實現低時延業務數據的分流策略管理、服務質量管理和回傳轉發等功能。TOF的業務數據分流機制是將5G基站以及核心網相關GTP數據流進行本地分流，部分業務數據流轉發到MEC服務器進行處理后直接轉發，部分業務數據流則經過核心網上云端主站后回傳。本文主要實現低時延業務分流處理，需要對業務數據進行GTP解析封裝，其流程如下。

（1）業務數據封裝成GTP數據流，并轉發給基站和MEC平臺；

（2）平臺接收到基站上傳的業務GTP數據流，以IP包的形式將數據傳給平臺業務應用；

（3）業務應用根據數據的應用場景，時延要求選擇對應的數據流處理策略，完成數據轉發。

2.3 接口設計

MEC平臺接口主要為生產者、訂閱者、數據庫等實體提供了通信服務。平臺接口實現業務應用與底層數據流的通信服務、各個業務應用之間的通信服務、與外部實體之間的通信服務，主要是通過消息生產與消息訂閱的方式完成傳輸規則控制。MEC平臺可提供4種數據模式，其業務數據流如圖2所示。

業務數據模式1：平臺數據生產者，數據主要是系統運行參數，給運維應用提供相關數據。

業務數據模式2：各個業務應用消息生產者，通過平臺發布消息，給需要的應用訂閱。

業務數據模式3：各個業務應用作為消息消費者，訂閱其他消息生產者消息。

業務數據模式4：平臺數據訂閱者，數據存儲于數據庫中，訂閱平臺發布的相關信息。

2.4 計算卸載

部分配電自動化業務實時性要求高，需要本地決策，因此可將此部分業務卸載到本地MEC進行中轉，主要解決業務終端數據在上傳到主站后再到另一業務終端通信路徑過長不滿足業務時延要求。通過分析業務數據特點及要求，制定數據卸載策略，不僅可以縮短通信路徑降低時延，同時可以減輕核心網計算壓力。

本文通過深入分析配電差動保護業務規則充分合理調配計算資源，將部分可本地決策的業務卸載到MEC平臺處理，利用邊緣節點的計算分析能力處理相關業務，縮短部分業務的通信路徑，保證端到端的通信時延，以此來滿足部分配網差動保護業務的時延要求。本文計算卸載流程，包括選擇合適計算節點、業務數據分類、卸載判斷、本地計算分析以及結果轉發，如圖3所示[6]。

2.5 接入控制技術

首先，面向配網差動保護業務場景，考慮網絡拓撲和多維異構資源可用性的動態變化，構建長期的端到端時延保障優化目標。其次，利用上下文感知技術，以可靠性、時延、抖動等實際性能與約束條件之間的差距作為反饋信號，綜合調度功率、頻率、時隙等通信資源和存儲、計算等資源。最后，基于深度學習的邏輯抓取能力與強化學習的連續決策能力，結合網絡交互的歷史經驗與上下文信息，可以實時動態地優化網絡接入控制策略，實現終端的低時延接入控制，從而滿足配網差動保護業務的端到端低時延需求[7]。

針對本地局域網級聯節點時延抖動特性，以電力業務到達時刻為視角，觀察系統隊長動態變化，研究業務包離去過程，并分析每個時隙系統隊長，利用排隊論等數學工具，結合數學概率生成理論，獲得時延抖動概率生成函數及分布函數。從終端數量、協議對比指數、最大重傳次數的設置、傳輸節點跳數等因素入手，監控相關因素對時延抖動特性的影響，通過神經網絡對相關因素的變化進行預測，從而實現對本地局域網內部電力業務流量的準入控制和合理配置，動態優化網絡內部節點數量，在控制時延抖動的前提下最大化利用無線資源。

3 測試驗證

依托中國移動福州某地區5G ToB現網。ToB網深度神經網絡（Deep Neural Network，DNN）為CMIOT5GCSJT.FJ。ToB、ToC共享基站及承載網，無線側采用物理資源模塊（Physical Resource Block，PRB）資源預留（8%），承載網基于虛擬專用網絡（Virtual Privaate Network，VPN）隔離。ToB 配網差動保護MEC平臺下沉至福州某片區，與其他行業共享?；静捎肗41頻段、100 MHz帶寬，上下行時隙比為8∶2。將電力業務終端、業務主站系統通過5G網絡及MEC平臺進行串聯，開展業務終端間的網絡延時、丟包率、速率及流量等參數測試。測試結果如圖4所示。

通過圖4可知，實驗室環境下，配網差動保護MEC平臺下沉至用戶端后，結合計算卸載、業務分流、接入控制等技術，使得通信終端之間的網絡延時、丟包率、速率及流量等參數得到較大的優化，驗證了基于5G網絡的MEC平臺可以承載配網差動保護低時延業務。

4 結 論

本文根據配網差動保護業務通信需求，設計了MEC平臺架構，通過優化MEC平臺功能，實現承載智能電網業務經濟可行，具有廣闊的應用空間。對5G在配網差動保護業務場景的落地應用具有一定的指導意義。