基于5G邊緣計算的可調節(jié)負荷互動技術研究

陳兆雁，柴宜，平常，付兵彬，程紫運

（國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，蘭州730050）

0 引言

隨著電網信息化建設的不斷發(fā)展，第四代移動通信技術（4G）∕第五代移動通信技術（5G）無線專網逐漸應用到發(fā)電、輸電、變電、配電、用電的各個環(huán)節(jié)。電力無線服務可分為控制類、采集類和移動應用類，包括配電自動化、精確負荷控制、分布式能源調控、用電信息采集以及智能視頻采集等。為了支撐大量分布式需求側資源參與電網企業(yè)提供的可調節(jié)負荷互動服務，可將云計算與邊緣計算系統(tǒng)集成，使可調節(jié)負荷互動系統(tǒng)實體專注于更高級和更復雜的服務級應用程序，并將基本的、通用的、面向服務的應用程序外包給云，從而提高服務管理和集成水平［1］。需求響應服務商可以借助云端的強大計算能力，輔助可調節(jié)負荷互動系統(tǒng)實現電網的負載平衡和可靠性管理，但已有學者提出了將需求側可調節(jié)負荷連接到聚合商的默認訪問點時，在云環(huán)境中存在業(yè)務通信質量難以保障的問題。盡管云計算具有強大的計算和存儲能力，并且被認為是可調節(jié)負荷互動系統(tǒng)的核心支撐技術，但隨著網絡接入終端的增多，在傳輸和集中計算等方面均表現出不同程度的瓶頸。霧計算是可以在云網絡邊緣提供計算服務的新范例，支持低延遲并提供位置感知服務。已有學者提出基于霧計算平臺，通過邊緣側優(yōu)化實現家庭和微電網級別的能源管理系統(tǒng)原型，具有控制服務定制功能。IEEE 發(fā)布了IEEE 2030 TM《IEEE P2030 能源技術和信息技術與電力系統(tǒng)（EPS）、末端應用及負荷的智能電網互操作性指南》，可用于指導末端用戶負荷與電網之間的互操作。國際電信聯盟電信標準分局（ITU-T）也正致力于從信息與通信技術（ICT）角度進行智能電網的相關標準化工作，分別在電網域、用戶域、智能計量域、通信網絡域以及業(yè)務提供者域進行了相關研究。美國國家標準與技術研究院（NIST）則關注于智能電網的概念模型，目前智能電網概念模型草案也已對外公開發(fā)布。需求側被作為未來參與電網互動的重要資源，越來越受到學者和科研機構的關注［2-3］。OpenADR 是伯克利國家實驗室需求響應研究中心依托高校及科研機構提出的一套相對完整的互操作標準，提供了支持負荷側與電網互動的標準化服務模型。OpenADR 聯盟在1.0 版本的基礎上，陸續(xù)提出了2.0a 和2.0b 等升級版本標準［4］。國外早就已經開始了分布式微網能源市場的建設規(guī)劃和研究［5］，我國需求側發(fā)展起步較晚但發(fā)展迅猛，國家電網有限公司通過參與IEC PC118 的標準化活動，在國內成立了全國智能電網用戶接口標準化委員會SAC∕TC549，并牽頭完成了DL∕T 1867—2018《電力需求響應信息交換規(guī)范》，這也是我國從系統(tǒng)層面提出的首個完整的互操作規(guī)范。該規(guī)范對OpenADR 進行了適當改版，以滿足國內的需求響應互操作要求。本文根據可調節(jié)負荷互動業(yè)務發(fā)展的最新進展，開展了關于基于5G邊緣計算的需求響應（DR）終端接入方式以及邊緣計算動態(tài)策略庫加載技術的研究，并嘗試提出未來5G網絡下可調節(jié)負荷互動業(yè)務的發(fā)展思路。

1 基于5G邊緣計算的DR終端接入方式

移動邊緣計算（MEC）最初是由歐洲電信標準協會提出的，MEC 系統(tǒng)允許設備將計算任務卸載到網絡邊緣節(jié)點，如基站、無線接入點等。由于沒有經歷回程鏈路和核心網絡，不僅可以減少延遲開銷，還可以有效降低網絡傳輸所帶來的能源消耗，從而延長末端物聯網設備的生命周期。由于采用分布式部署方式，單個服務器的服務規(guī)模較小，無需存儲太多有價值的信息，不容易被定位破解，可靠性更高；另一方面，大多數移動邊緣云服務器是私有的，信息泄露的風險較小。邊緣計算旨在通過邊緣端的智能處理模型降低數據傳送到云端的需求［6］，根據NIST 提出的智能電網概念模型，未來客戶側資源將在靈活調度能源、協調本地分布式發(fā)電組件和儲能方面發(fā)揮重要作用。隨著智能計算設備的迅速增加，未來可調節(jié)負荷互動系統(tǒng)需要更加復雜的通信、計算和存儲能力，需要有超越傳統(tǒng)的15 min報告服務的能力，包括支持實時測量、服務發(fā)現、基礎設施自動化和安全認證；同時，可調節(jié)負荷需要參與源荷互動的調峰［7］。然而，考慮到安全、成本和操作合理性因素，通過現有的電力通信網絡難以實現上述功能，5G時代將有更多的控制終端接入可調節(jié)負荷（如需求響應控制終端），需要訪問網絡的設備將會更多。邊緣計算已經被證明可以有效降低網絡的核心負載率［8］，未來基于5G 邊緣計算的DR終端將具有極大的應用前景。

工業(yè)互聯網產業(yè)聯盟提出的邊緣計算參考架構3.0 由云層、邊緣層和站點層組成。邊緣層位于云層和站點層之間，提供了云層和站點層間的邏輯關聯，可以針對站點層的信息進行處理并執(zhí)行特定的業(yè)務邏輯，以降低向云端發(fā)送數據的需求。邊緣層包括邊緣節(jié)點和邊緣管理器：邊緣節(jié)點由邊緣網關、邊緣控制器、邊緣云、邊緣傳感器等硬件實體組成，提供計算、網絡和存儲等資源；邊緣管理器的核心是軟件，統(tǒng)一管理邊緣節(jié)點。邊緣計算系統(tǒng)通常通過以下方式使用資源：對于大量的需求響應終端群，可通過5G 基站接入網絡的匯聚層和核心層，通過5G 核心網連接到上一級聚合商（如圖1 所示）；針對可調節(jié)負荷互動參與的不同DR 項目，調整使用5G 網絡的切片資源。5G 采用高頻、中低頻雙連接方式合并網絡，高頻用于熱點覆蓋，中低頻實現連續(xù)覆蓋。目前共支持3 種不同的切片方案：其中增強移動寬帶（eMBB）可以提供大容量、高帶寬的傳輸；超可靠低延遲通信（uRLLC）主要用于對象之間的實時通信，對延遲和可靠性要求極高，為了滿足低延遲的要求［9］，5G 采用了靈活的參數設置和帶寬管理機制，通過改變每個正交頻分復用（OFDM）符號持續(xù)時間來減少延遲；大規(guī)模機器類型通信（mMTC）的特點是有大量的連接設備，但每個設備傳輸的數據很少。在傳統(tǒng)的正交多址接入技術中，用戶只能獲得單一的無線資源，不能適應這種上行鏈路密集的情況。因此，5G 采用非正交多址技術，將資源分配給多個用戶，從而獲得更高的頻譜效率?？烧{節(jié)負荷互動可以分為緊急型和常規(guī)型：緊急型大多涉及電網的安全管理，應采用uRLLC 方式；常規(guī)型的需求響應則根據上下行業(yè)務需求進行細分，如上行采用mMTC 方式，而下行采用uRLLC。對于中小型聚合商和區(qū)域聚合商而言，由于接入了所轄區(qū)域內的眾多終端，每個互動終端所產生的非實時報告數據可以根據時間進行靈活調度管理，采用eMBB方式有利于提高系統(tǒng)的傳輸效率。

圖1 基于5G的DR終端接入網絡結構Fig.1 Architecture of networked DR terminals based on 5G

網絡切片實際上是一組建立在物理資源上的虛擬網絡［10］，利用網絡虛擬化技術對物理資源進行虛擬化，采用軟件定義網絡技術對其進行管理，為特定的服務提供合適的服務級別，從而達到專用網絡傳輸的效果并節(jié)約成本［11］。網絡切片技術涉及端到端的過程，具體包括接入網切片、傳輸網切片、核心網切片以及虛擬資源分配、切片部署、切片連接等。DR 業(yè)務關心的是端到端時延特性，圖2給出了基于5G 的端到端DR 業(yè)務分段延時，可以看出，從DR 終端經過5G 的射頻處理單元（RRU）、分布式單元（DU）、集中單元（CU）以及核心網到DR 邊緣側的主站，每一段都包括了無線電波的傳播時延和處理時延。為了進一步提升業(yè)務的端到端性能指標，可以選擇在某些中間環(huán)節(jié)進行透傳或通過隊列管理技術提升性能，未來可以考慮引入深度學習策略增強DR業(yè)務的性能指標［12］。

圖2 基于5G的端到端業(yè)務分段時延分析Fig.2 Piecewise and time-delay analysis on 5G based end-to-end service

2 邊緣計算動態(tài)策略庫加載技術

2.1 基于邊緣計算的可調節(jié)負荷互動架構

在當前的邊緣計算框架中，邊緣節(jié)點的資源通過接口封裝，邊緣管理器通過代碼下載、網絡策略配置和數據庫操作使用。資源被封裝到功能模塊中，邊緣管理節(jié)點通過模型驅動的服務編排來組合和調用功能模塊。5G 網絡邊緣計算總體架構可以由第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準化組織定義的5G 網絡架構中的分布式用戶平面功能（UPF）和歐洲電信標準化協會（ETSI）MEC 工作組定義的邊緣計算平臺（ECP）組成。可調節(jié)負荷互動的網絡架構中包括3 種實體：邊緣計算節(jié)點（ECN）、聚合計算節(jié)點（ACN）和中央計算節(jié)點（CCN）。其中：ECN 最靠近用戶側，可以用于感知分析用戶的各種需求側資源和設備的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)上報給上級管理機構；ACN 則匯聚所轄區(qū)域內的ECN 節(jié)點信息，經過簡單的計算上報給ACN 或直接對接上級服務商；CCN 具有全局信息，可以借助人工智能（AI）技術計算分析最優(yōu)化的策略和運行方式。圖3 給出了5G邊緣計算的可調節(jié)負荷互動邏輯架構，整個架構可分為用戶層、網絡層、服務層，各層功能簡要描述如下。

圖3 基于5G邊緣計算的可調節(jié)負荷互動邏輯架構Fig.3 Adjustable load interaction logic architecture of edge computing based on 5G

用戶層由各種類型的需求側資源以及配套的ECN 節(jié)點組成，需求側資源包括可調節(jié)負荷互動系統(tǒng)中的物理設備、控制器等。用戶可以通過服務訪問點（SAP）向上層發(fā)起服務請求，上層將按需響應服務請求，并且通過類似的SAP 從上層接收服務響應。

網絡層可由中小型聚合商、區(qū)域聚合商以及對應的多種通信設備組成，旨在實現需求側資源用戶與計算資源之間的交互，此外還可用于啟用需求側資源之間的交互以及服務層中已定義的2個子層之間的互操作。目前，除了5G 網絡，還有包括3G ∕4G、光纖等可支撐控制器局域網絡（CAN）互聯的多種異構的融合網絡。此外，還可以借助軟件定義網絡技術屏蔽底層通信設施的異質性，實現異構網絡間的協作管理。

服務層包括2 個子層，涉及ACN 和CCN 2 個實體，支持常規(guī)云的永久云層和臨時霧的動態(tài)層。由永久云和臨時霧中的計算能力支持的服務層，可以通過SAP 為需求側資源和用戶提供各種類型的可調節(jié)負荷互動服務。在永久云層中，可以通過各種方式提供3 種不同類型的服務，即SaaS（如營銷、調度等配備的高級應用程序），PaaS（如操作系統(tǒng)、數據庫）和IaaS（如服務器、存儲、網絡），并以虛擬化形式組織可用的固定計算資源。

2.2 可調節(jié)負荷動態(tài)互動策略加載模型

在以往的可調節(jié)負荷互動過程中，每個控制設備和終端所加載的策略通常是固定的，但隨著能源互聯網的快速發(fā)展，電力供需多方之間出現多種不同的業(yè)務場景［13-16］，雖然5G 網絡在技術上支持邊緣計算的管道能力，但實際部署時仍面臨一系列問題。在組網方面，接入網和核心網的部署方式復雜多樣。需要明確邊緣計算與接入網絡要素之間的關系以及邊緣計算在網絡中的定位，根據協議棧的不同，將接入網分為DU 和CU。由于核心網UPF 和邊緣計算平臺系統(tǒng)不能完全解析和識別DU 處理的數據，需要在CU 之后部署UPF 和ECP。服務時延要求為10 ms 或以下時可部署在接入機房，反之部署在邊緣云數據中心。

針對未來復雜能源互聯場景，可以加載動態(tài)策略庫以滿足不同的業(yè)務需要（如圖4所示）。針對削峰填谷、新能源消納、輔助服務3 種不同的業(yè)務場景，可以通過設定不同的業(yè)務目標和優(yōu)化目標，動態(tài)選擇邊緣計算策略庫最優(yōu)模型，再根據執(zhí)行效果，通過閉環(huán)反饋方式改變和調整在層級智能化終端內部的運行策略，即可調節(jié)負荷的信息物理深度融合模型。

圖4 邊緣計算動態(tài)策略庫加載模型Fig.4 Loading model of the edge computing dynamic policy library

目前已有一些關于邊緣智能和云端智能融合的應用案例［17］，云邊協同架構也是未來5G邊緣計算在可調節(jié)負荷應用的優(yōu)選發(fā)展路徑［18］，需要重點考慮不同可調節(jié)負荷互動業(yè)務場景下的具體任務切割方法，尤其是針對時延敏感型的業(yè)務，需要采用差異化設計方式［19］。參考目前邊緣計算白皮書和一些典型的邊緣計算應用［20-21］，可以考慮將任務遷移過程中的核心任務進行分解［22］，針對不同的可調節(jié)負荷互動業(yè)務場景，結合各自目標進行本地化的任務處理；同時，考慮云端的優(yōu)化目標，將每個計算步驟進行拆分，從而降低每個邊緣智能設備的計算任務量。針對基于5G 邊緣計算的可調節(jié)負荷互動終端，在嵌入式板卡中引入開放計算能力，通過對外部環(huán)境和電網參量的智能感知計算，實現電網側和用戶側的深度信息物理融合，有效提升可調節(jié)負荷互動的參與度。可調節(jié)負荷互動業(yè)務所代表的垂直行業(yè)服務種類很多，服務水平的要求也有很大差異，因此，如何在一個網絡中滿足不同業(yè)務的差異化需求是一個值得關注的問題，而移動邊緣計算、計算緩存技術、網絡切片技術等5G 關鍵技術可以提供更為有效的解決方案。

3 結束語

本文分析了可調節(jié)負荷互動業(yè)務對5G 邊緣計算業(yè)務場景的需要，根據可調節(jié)負荷互動的業(yè)務流特征和參與互動的項目類型，可分別采用uRLLC，mMTC，eMBB 等不同的5G 傳輸方式。由于電網中的工業(yè)控制服務對時延要求非常嚴格，在向核心網傳輸時很難滿足時延要求；同時，可調節(jié)負荷互動業(yè)務涉及大量終端，降低能耗也是剛性需求：因此，可將這種時延敏感或能耗敏感的業(yè)務轉移到網絡邊緣進行處理。未來5G邊緣計算中，網絡編排功能是切片技術的核心，需要根據服務需求實例化特定的切片，根據網絡實際情況分配資源并進行路由和切片部署。實時運行網絡中的業(yè)務需求和網絡資源是動態(tài)變化的，可調節(jié)負荷互動業(yè)務運營者需要同時考慮基礎設施的物理資源利用率和業(yè)務服務質量，才能保證可調節(jié)負荷互動業(yè)務順利開展。