面向配网差动保护业务的移动边缘计算平台研究

2022-12-02林尾金

通信电源技术 2022年14期

林尾金

（国网信通亿力科技有限责任公司，福建福州 350003）

0 引言

传统配网差动保护终端通信主流是通过专用光缆进行信息流承载，具有低延时、高可靠等优点，同时也存在敷设费用高昂，大量占用管沟资源，维护费用较高等一系列问题。如与电网其他业务共用光缆，则需要在差动保护终端间多次跳纤，容易造成网络丢包通信不稳定等问题[1]。

研究5G移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）平台关键技术，实现5G网络与配网差动保护场景适配，使低延时业务信息流无需回传至5G核心网，所有低时延业务在网络边缘节点完成计算、分析、处理以及转发等功能，以满足配网差动保护场景业务通信10～40 ms的时延要求，实现5G无线网络代替传统光纤通信方式为配网差动保护提供低延时、高可靠通信服务，为能源电力物联网低时延、高可靠应用场景提供支撑[2]。

1 面向配网差动保护业务的移动边缘计算平台现状及重要意义

1.1 现状

面向配网差动保护业务场景的MEC平台主要功能是通过业务分流机制、计算卸载技术将部分网络功能迁移到网络边缘节点，使用户的部分业务在网络边缘节点得到分析处理，缩短信息流的通信路径降低延时，实现部分云端平台计算功能向网络边缘节点迁移，最终满足低时延电网业务场景目的。

近年来，5G配网差动保护移动边缘平台技术快速发展，其中计算存储能力与业务服务能力不断向网络边缘迁移技术发展最为迅速。移动边缘计算平台的关键技术主要包括计算卸载技术、接入控制技术和基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的本地分流技术等[3]。通过上述关键技术的研究，使面向配网差动保护业务的MEC平台具备部分云端平台功能，能够将无线网络、网络上下文感知和云计算技术有机地融合在一起，进一步提升5G配网差动保护MEC平台的功能。

1.2 重要意义

传统光纤通信存在费用高、敷设难、占用地下管沟资源多等问题，制约着配网自动化的发展。随着5G网络的快速发展，其在各行各业广泛应用，优势愈发明显。未来电网业务通信需求，向着低延时、大带宽、海量接入的网络承载能力发展，区域的终端设备数量将达到万级，端到端通信时延需求为毫秒级，网络通信可靠性要求99.999%，对电网的承载能力、接入能力、响应速度提出了更高的要求，迫切需要对电网的通信网络及平台服务进行演进升级，以满足电网业务的发展需要。其中5G配网差动保护边缘计算平台研究可以有效推动5G移动通信系统在配电自动化低延时、高可靠等领域的应用和发展[4]。

2 面向配网差动保护业务的MEC平台关键技术研究

本文针对配网差动保护通信需求及可行方案，设计了一款以计算卸载、接入控制、业务数据分流等为主要功能的MEC平台，能更好地适配配网差动保护业务应用场景。

2.1 平台架构

面向配网差动保护业务的MEC平台设计采用如图1所示的移动边缘计算平台架构，平台接口节点一共有3组，分别为平台内部功能接口（Fp）、管理服务接口（Fm）以及边缘节点外部接口（Fc）。

依据面向配网差动保护业务的MEC平台架构，差动保护终端的业务数据通过5G网络接入MEC平台，平台网络层通过GPRS隧道协议（GPRS Turning Protocol，GTP）解析封装及流量卸载服务（Traffic Offload Function，TOF）将差动保护业务数据按应用场景进行分流，其中需要上主站处理的业务数据通过核心网传输至云端主站，而需要在本地处理转发的数据则通过平台的数据平面开发套件向平台的虚拟容器和业务应用层进行对应的数据处理。平台的虚拟容器将平台的硬件基础进行软件抽象，并通过虚拟化管理给差异化业务分配不同的通信服务，最终连接到应用层。业务应用运行于各个虚拟容器中，通过Fp1接口从容器的应用中获业务数据进行分析处理，各个虚拟容器主要提供运行环境、数据通信、功能管理等服务[5]。平台管理器与平台内部通过接口Fm5连接，负责数据库信息管理以及数据处理等，并与云端业务主站相连。云端业务主站收到MEC平台上报数据后进行业务数据处理，同时可以通过云边协同机制更新MEC平台应用的算法。

2.2 分流机制

根据电力业务数据的特征，MEC平台给有主站模式业务和无主站模式业务提供了不同分流机制，保障低时延电力业务通信路径最短。

根据配网差动保护业务数据的差异化处理需求，MEC平台在数据分流层进行了TOF分流以及Fp1和Fm接口设计，实现低时延业务数据的分流策略管理、服务质量管理和回传转发等功能。TOF的业务数据分流机制是将5G基站以及核心网相关GTP数据流进行本地分流，部分业务数据流转发到MEC服务器进行处理后直接转发，部分业务数据流则经过核心网上云端主站后回传。本文主要实现低时延业务分流处理，需要对业务数据进行GTP解析封装，其流程如下。

（1）业务数据封装成GTP数据流，并转发给基站和MEC平台；

（2）平台接收到基站上传的业务GTP数据流，以IP包的形式将数据传给平台业务应用；

（3）业务应用根据数据的应用场景，时延要求选择对应的数据流处理策略，完成数据转发。

2.3 接口设计

MEC平台接口主要为生产者、订阅者、数据库等实体提供了通信服务。平台接口实现业务应用与底层数据流的通信服务、各个业务应用之间的通信服务、与外部实体之间的通信服务，主要是通过消息生产与消息订阅的方式完成传输规则控制。MEC平台可提供4种数据模式，其业务数据流如图2所示。

业务数据模式1：平台数据生产者，数据主要是系统运行参数，给运维应用提供相关数据。

业务数据模式2：各个业务应用消息生产者，通过平台发布消息，给需要的应用订阅。

业务数据模式3：各个业务应用作为消息消费者，订阅其他消息生产者消息。

业务数据模式4：平台数据订阅者，数据存储于数据库中，订阅平台发布的相关信息。

2.4 计算卸载

部分配电自动化业务实时性要求高，需要本地决策，因此可将此部分业务卸载到本地MEC进行中转，主要解决业务终端数据在上传到主站后再到另一业务终端通信路径过长不满足业务时延要求。通过分析业务数据特点及要求，制定数据卸载策略，不仅可以缩短通信路径降低时延，同时可以减轻核心网计算压力。

本文通过深入分析配电差动保护业务规则充分合理调配计算资源，将部分可本地决策的业务卸载到MEC平台处理，利用边缘节点的计算分析能力处理相关业务，缩短部分业务的通信路径，保证端到端的通信时延，以此来满足部分配网差动保护业务的时延要求。本文计算卸载流程，包括选择合适计算节点、业务数据分类、卸载判断、本地计算分析以及结果转发，如图3所示[6]。

2.5 接入控制技术

首先，面向配网差动保护业务场景，考虑网络拓扑和多维异构资源可用性的动态变化，构建长期的端到端时延保障优化目标。其次，利用上下文感知技术，以可靠性、时延、抖动等实际性能与约束条件之间的差距作为反馈信号，综合调度功率、频率、时隙等通信资源和存储、计算等资源。最后，基于深度学习的逻辑抓取能力与强化学习的连续决策能力，结合网络交互的历史经验与上下文信息，可以实时动态地优化网络接入控制策略，实现终端的低时延接入控制，从而满足配网差动保护业务的端到端低时延需求[7]。

针对本地局域网级联节点时延抖动特性，以电力业务到达时刻为视角，观察系统队长动态变化，研究业务包离去过程，并分析每个时隙系统队长，利用排队论等数学工具，结合数学概率生成理论，获得时延抖动概率生成函数及分布函数。从终端数量、协议对比指数、最大重传次数的设置、传输节点跳数等因素入手，监控相关因素对时延抖动特性的影响，通过神经网络对相关因素的变化进行预测，从而实现对本地局域网内部电力业务流量的准入控制和合理配置，动态优化网络内部节点数量，在控制时延抖动的前提下最大化利用无线资源。

3 测试验证

依托中国移动福州某地区5G ToB现网。ToB网深度神经网络（Deep Neural Network，DNN）为CMIOT5GCSJT.FJ。ToB、ToC共享基站及承载网，无线侧采用物理资源模块（Physical Resource Block，PRB）资源预留（8%），承载网基于虚拟专用网络（Virtual Privaate Network，VPN）隔离。ToB 配网差动保护MEC平台下沉至福州某片区，与其他行业共享。基站采用N41频段、100 MHz带宽，上下行时隙比为8∶2。将电力业务终端、业务主站系统通过5G网络及MEC平台进行串联，开展业务终端间的网络延时、丢包率、速率及流量等参数测试。测试结果如图4所示。

通过图4可知，实验室环境下，配网差动保护MEC平台下沉至用户端后，结合计算卸载、业务分流、接入控制等技术，使得通信终端之间的网络延时、丢包率、速率及流量等参数得到较大的优化，验证了基于5G网络的MEC平台可以承载配网差动保护低时延业务。