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(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的不斷深入，新興的信息通信技術(shù)正在向各行各業(yè)不斷融合滲透，經(jīng)濟社會各領域向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的愿望和趨勢愈發(fā)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(shù)實現(xiàn)場外嘉賓的現(xiàn)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(wǎng)絡和安全能力，但是在萬物互聯(lián)、大帶寬數(shù)據(jù)傳輸和低時延通信的需求背景下，位于網(wǎng)絡邊緣的終端設備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到海量的級別，這給當前的云計算模型帶來了諸多挑戰(zhàn)。

5G 邊緣計算（MEC）作為一種新的計算模式，架起邊緣設備與數(shù)據(jù)中心之間的橋梁，使原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)計算、存儲、網(wǎng)絡能力下沉到網(wǎng)絡的邊緣，通過5G切片通信技術(shù)實現(xiàn)不同用戶間的邊緣數(shù)據(jù)與邊緣網(wǎng)絡的安全隔離通信，讓現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠就近獲得計算、存儲、網(wǎng)絡和安全能力，而無需傳輸?shù)皆贫恕?G 技術(shù)的三大技術(shù)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(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，一方面，根據(jù)電磁波的波長與頻率的關(guān)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(yè)務。另一方面，隨著無人駕駛、AR/VR 沉浸式體驗、智能視頻監(jiān)控、AI 圖像識別、遠程手術(shù)等技術(shù)應用的興起，海量數(shù)據(jù)的處理需要借助靠近數(shù)據(jù)源的本地化計算、存儲、網(wǎng)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(yè)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(shù)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(wǎng)絡和信息通信設備等資源，這將大大增加邊緣計算節(jié)點的建設成本和整體規(guī)劃難度。

無獨有偶，2019 年國家電網(wǎng)公司在其“兩會”上提出了全面推進“三型兩網(wǎng)，世界一流”戰(zhàn)略，加快推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的目標。即通過廣泛應用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等信息技術(shù)匯集各方資源，為規(guī)劃建設、經(jīng)營管理、綜合服務等各方面提供有效的信息和數(shù)據(jù)支撐。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設對云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)企業(yè)靠近終端用戶建設的大量電力設施互補。構(gòu)建基于電力設施的邊緣計算節(jié)點有助于加快泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和泛在信息通信網(wǎng)的建設，也有助于加速5G技術(shù)的應用和推廣。

2 5G邊緣計算的建設原則

5G 網(wǎng)絡的三大技術(shù)特性及5G 邊緣計算能力下沉到網(wǎng)絡邊緣，決定了5G邊緣計算的應用及業(yè)務接入方式將呈現(xiàn)多樣化。同時，泛在的物聯(lián)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要盡可能靠近網(wǎng)絡邊緣，以便于現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(jié)點部署的分散性。統(tǒng)籌考慮5G 邊緣計算的位置、應用場景、建設規(guī)模和性能規(guī)劃，按照一定的原則進行規(guī)劃部署，將有利于實現(xiàn)5G邊緣計算節(jié)點的最佳實踐效果。

2.1 輕量部署原則

5G 邊緣計算節(jié)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(yè)控制等具體應用場景。相對于大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的云計算平臺而言，5G 邊緣計算的計算和存儲資源規(guī)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(jù)特定的業(yè)務場景需要調(diào)整邊緣計算節(jié)點的計算（如GPU 計算等）和存儲（如SSD 存儲等）規(guī)模。從通信網(wǎng)絡的角度出發(fā)，在中心側(cè)集中部署的網(wǎng)絡功能虛擬化編排器（NFVO）和網(wǎng)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(cè)部署的邊緣管理平臺（ECPM）和虛擬網(wǎng)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(shù)減少邊緣計算節(jié)點對物理資源的消耗。

2.2 統(tǒng)一架構(gòu)部署原則

5G 邊緣計算由于節(jié)點分散，從業(yè)務連續(xù)性及運維管理的便利性角度，宜采用統(tǒng)一的架構(gòu)。這里的統(tǒng)一架構(gòu)有2 層意思：一是不同地區(qū)及相同地區(qū)不同業(yè)務的邊緣節(jié)點采用相同的邊緣計算架構(gòu)；二是與上層的云計算平臺統(tǒng)一架構(gòu)。由于業(yè)務下沉到網(wǎng)絡邊緣，對于同一區(qū)域的同類型業(yè)務而言，邊緣云平臺可采用統(tǒng)一架構(gòu)部署，共享底層物理設施，通過5G網(wǎng)絡切片、計算和存儲虛擬化實現(xiàn)不同業(yè)務的邏輯隔離。而通過統(tǒng)一不同地區(qū)的邊緣計算架構(gòu)和云計算平臺架構(gòu)，則有利于云邊協(xié)同，更大程度地發(fā)揮云端網(wǎng)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(qū)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(shù)據(jù)源是該智慧工廠的各種智能設備，因此邊緣計算節(jié)點不應離這些智能設備太遠；再如面向視頻監(jiān)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(jié)點的部署通常不會在沒有業(yè)務（或規(guī)劃中的業(yè)務）的情況下大規(guī)模預先建設。因此，5G 邊緣計算節(jié)點的建設應遵循按需建設原則。此外，考慮到邊緣計算節(jié)點分散、數(shù)量眾多、協(xié)議眾多等特點，通過部署SDN 化網(wǎng)絡將有利于提高網(wǎng)絡配置效率和網(wǎng)元的QoS保障能力，并可按需靈活下發(fā)網(wǎng)絡策略。

2.4 邊云協(xié)同部署原則

由于5G 邊緣計算主要為低時延數(shù)據(jù)交互等場景提供本地計算存儲服務，平臺規(guī)模相對較小，且計算能力和存儲容量較為有限，如果現(xiàn)場ME-APP 涉及大量存儲，或者節(jié)點數(shù)據(jù)需與云計算中心或多個邊緣節(jié)點進行協(xié)同，則往往需要借助云計算中心的資源能力。例如，在視頻監(jiān)控存儲與AI 圖像分析場景中，如果要求長期保存錄像數(shù)據(jù)，則邊緣節(jié)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?shù)皆朴嬎闫脚_中存儲，對云平臺互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬也將是個巨大的壓力。而如果將視頻信號傳輸?shù)奖镜豈EC 節(jié)點進行處理，并將歷史數(shù)據(jù)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(fā)揮資源的配置效率，為現(xiàn)場應用提供最優(yōu)性價比的云網(wǎng)資源。因此，云計算平臺與邊緣計算的協(xié)同部署顯得尤為重要。面對多級聯(lián)動的業(yè)務場景需求，邊緣計算節(jié)點建設模式可以采用分層協(xié)同建設模式，云邊協(xié)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(wǎng)絡和安全資源，而邊緣節(jié)點的功能相對精簡，邊緣計算節(jié)點與云計算中心之間的通信可以通過5G MEC 的UPF實現(xiàn)業(yè)務網(wǎng)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(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的定時存儲。通過分級分層部署，最終實現(xiàn)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(lián)時代，數(shù)百億的傳感器將應用于各行各業(yè)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集。從如此龐大的輸入源中獲取和分析有用數(shù)據(jù)需要大量的邊緣計算節(jié)點。5G 邊緣節(jié)點作為微型數(shù)據(jù)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(jié)點的融合可以在一定程度上緩解上述難題。根據(jù)《城市電力規(guī)劃規(guī)范》（GB/T 50293-2014）（下稱《規(guī)范》），城市供電設施一般包括城市變電站、開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)單元、配電室等，這些電力設施的建設規(guī)劃各有特點，其與5G邊緣計算節(jié)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(guī)劃選址需符合《規(guī)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(qū)及嚴重鹽霧區(qū)，并選址良好地質(zhì)條件的地段。《規(guī)范》中對城市變電站的占地面積也做了要求：35 kV 戶內(nèi)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(jié)點或小型云計算平臺。

3.2 MEC與電力開關(guān)站融合

圖1 云邊協(xié)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(guān)站或“箱式變電站”或“環(huán)網(wǎng)單元”?！兑?guī)范》指出，“10（20）kV 開關(guān)站宜與10（20）kV配電室聯(lián)體建設”。由于開關(guān)站或環(huán)網(wǎng)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(yè)務專用門，便于MEC 部署和運維作業(yè)等。MEC 與電力開關(guān)站融合部署的示意圖如圖2所示。

圖2 MEC與箱變?nèi)诤喜渴鹗疽鈭D

城市開關(guān)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(lián)網(wǎng)、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(qū)、建筑物內(nèi)必須設置的公用設施，通常建于建筑物的屋內(nèi)。對于公用配電室，《規(guī)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(qū)，住宅小區(qū)、高層樓群、旅游網(wǎng)點和對市容有特殊要求的街區(qū)及分散的大用電戶，規(guī)劃新建的配電室宜采用戶內(nèi)型結(jié)構(gòu)”。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(qū)、產(chǎn)業(yè)園、寫字樓等局部區(qū)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(qū)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(qū)域內(nèi)電力設施可用于5G 邊緣計算節(jié)點部署的邊緣計算機柜數(shù)量。以某市某縣區(qū)內(nèi)電力變電站、開關(guān)站和配電設施規(guī)劃為例，測算其可提供邊緣計算節(jié)點部署的機柜數(shù)量，結(jié)果如表1所示。

由表1 可知，一個縣區(qū)內(nèi)的電力設施可用于部署5G 邊緣計算節(jié)點的機柜數(shù)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(diào)、消防、IT 等費用）10 萬元計算，則可節(jié)約一次性投資成本2 744×10=2.744 億元，節(jié)約土地面積約2 744×5 m2=13 720 m2。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年全國共有2 846個縣級區(qū)劃數(shù)，則初略估計，可節(jié)約MEC建設投資2.744×2 846=7 809.42億元，考慮縣區(qū)地區(qū)MEC節(jié)點數(shù)量差異，選取平均系數(shù)為0.682（2017 年全國地區(qū)生產(chǎn)總值整體相對差異水平變異系數(shù)為0.318，全國地區(qū)差異水平為1-0.318=0.682），則全國MEC 建設投資可節(jié)約0.682×7 809.42=5 326.02 億元，節(jié)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(guī)劃5G 邊緣計算節(jié)點，對節(jié)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(yè)務體驗感知都將發(fā)揮積極作用。

表1 某縣區(qū)內(nèi)電力設施可提供的MEC節(jié)點機柜數(shù)量預估表

4 邊緣計算與電力設施融合建站的關(guān)鍵問題

5G 邊緣計算節(jié)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(tǒng)無法穩(wěn)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(wǎng)絡設備、安全設備等。這些設備在運行過程中都將產(chǎn)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(shù)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(tǒng)安全。邊緣計算節(jié)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(fā)熱，通過風扇將熱量及時排到設備之外，如果設備所處環(huán)境沒有冷卻措施，環(huán)境溫度將不斷提高。因此，為了降低環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度維持在服務器安全運行的溫度范圍內(nèi)，可以有如下幾種處理方法：一是空調(diào)降溫法，針對大規(guī)模的邊緣計算節(jié)點采用精密空調(diào)集中降溫，針對小規(guī)模的邊緣計算節(jié)點采用家用空調(diào)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(huán)境；三是盡量選擇低功耗、發(fā)熱量小的服務器，或通過平臺調(diào)度算法合理調(diào)度服務器的執(zhí)行任務，降低服務器總發(fā)熱量。

考慮到邊緣節(jié)點主要負責處理特定區(qū)域內(nèi)的邊緣計算任務，業(yè)務規(guī)模相對較小，對于面向園區(qū)或廠區(qū)的MEC節(jié)點，通常1～2個業(yè)務機柜即可滿足業(yè)務需要，且變電站內(nèi)要求防火、防塵、防潮、防腐，外部空氣不允許進入柜體內(nèi)。對于低密度機柜，在機柜環(huán)境較好的室內(nèi)，特別是在恒溫恒濕環(huán)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(diào)循環(huán)制冷的方式更符合通信和數(shù)據(jù)機柜對散熱環(huán)境的要求。

4.2 電磁兼容問題

根據(jù)國際電工委員會IEC 對設備電磁兼容（EMC）的規(guī)定，電子產(chǎn)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(tǒng)自身產(chǎn)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(fā)出超過標準規(guī)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(jié)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(qū)域內(nèi)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(chǎn)生的電磁干擾和輻射能量；同時，對業(yè)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(nèi)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(nèi)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(guān)柜及配電房內(nèi)都有高壓設備，因此現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(wěn)定是確保ME-APP安全部署的前提。由于設備的開放性和異構(gòu)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(jié)點的分散性、“數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)后進行數(shù)據(jù)的獲取、篡改和破壞。

二是在平臺側(cè)部署安全一體機，對邊緣計算系統(tǒng)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(qū)塊鏈技術(shù)對生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行區(qū)塊存儲，使重要數(shù)據(jù)不可篡改并且可溯源。

5 結(jié)束語

5G 技術(shù)的高帶寬、低時延和海量連接等技術(shù)特性預示著未來的行業(yè)應用場景將向著大帶寬、短時延、大連接的方向發(fā)展。隨著5G及邊緣計算的普及應用，邊緣計算節(jié)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(jié)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(fā)商的投資成本，提高5G邊緣計算節(jié)點的安全性、可靠性和靈活性，助力泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設，進一步促進產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級。