智能電網(wǎng)融合通信MEC卸載策略研究

［關(guān)鍵詞］智能電網(wǎng)；通信技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；卸載策略

［中圖分類號(hào)］TM76 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）11–0059–03

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)融合“切片分組網(wǎng)（Sliced Packet Network，以下簡稱“SPN”）+ 可信無線局域網(wǎng)（Trusted Wireless Local AreaNetwork，以下簡稱“WLAN”）”的通信新技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)開始試用。然而，近年來物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的快速發(fā)展，帶來了大量敏感型移動(dòng)終端設(shè)備的出現(xiàn)，導(dǎo)致海量任務(wù)的增加，對(duì)無線傳輸能力的需求也日益增強(qiáng)。計(jì)算密集型和延遲敏感型任務(wù)的增加給設(shè)備帶來嚴(yán)重的負(fù)荷，設(shè)備的續(xù)航能力受到影響。

而移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，以下簡稱“MEC”）可以有效緩解這一現(xiàn)象。MEC 通過輔助通信可以顯著提升系統(tǒng)容量，降低網(wǎng)絡(luò)功耗和時(shí)延，最大化綜合效益。在面對(duì)用戶需要更高傳輸能力、更低計(jì)算時(shí)延、更多計(jì)算資源及高可靠安全傳輸?shù)那闆r下，MEC 結(jié)合智能電網(wǎng)“SPN+ 可信WLAN”通信新技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被認(rèn)為是一種前瞻性的技術(shù)手段。

因此，文章將MEC 置于智能電網(wǎng)融合“SPN+可信WLAN”通信新技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，提出一種基于交替優(yōu)化技術(shù)的卸載策略，以解決多種時(shí)延敏感和計(jì)算密集型問題，促進(jìn)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)垂直領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，保證移動(dòng)終端設(shè)備的通信性能指標(biāo)、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1安全傳輸方案設(shè)計(jì)

1.1智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中各種移動(dòng)終端設(shè)備的安全無線傳輸和計(jì)算任務(wù)的卸載，文章采用了融合“SPN+可信WLAN”的通信新技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體如圖1 所示。在該架構(gòu)中，信息采集類任務(wù)通過回傳網(wǎng)絡(luò)接入智能電網(wǎng)中心，控制類計(jì)算任務(wù)則通過MEC 服務(wù)器進(jìn)行本地化處理后，再傳輸至智能電網(wǎng)中心或回傳至MT 設(shè)備（移動(dòng)終端設(shè)備）。

在該架構(gòu)中，SPN 通過多路光接口綁定提供軟硬隔離通道，靈活接入以太網(wǎng)，確保電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性?？尚臰LAN 技術(shù)則通過無線接入點(diǎn)（AP）、專用交換機(jī)、防火墻等設(shè)備，為移動(dòng)終端設(shè)備提供安全的無線接入方式。

1.2任務(wù)卸載策略

為了優(yōu)化智能電網(wǎng)中MT 設(shè)備的計(jì)算任務(wù)卸載過程，文章提出了一種基于交替優(yōu)化技術(shù)的算法。該算法通過迭代對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行順序優(yōu)化，旨在降低任務(wù)的總執(zhí)行時(shí)間，最大化網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，保證任務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

MT 設(shè)備在時(shí)間片T 內(nèi)產(chǎn)生任務(wù){(diào)k，T }，其中包括需要完成的計(jì)算任務(wù){(diào)Ck，Lk}，Ck 為完成該計(jì)算任務(wù)所需的CPU 周期總數(shù)，Lk 為該計(jì)算任務(wù)的數(shù)據(jù)量大小。任務(wù)可以部分卸載到MEC 服務(wù)器進(jìn)行處理。

為此，文章建立了一個(gè)多MT 設(shè)備的總時(shí)延優(yōu)化卸載模型，考慮了任務(wù)傳輸速率和時(shí)延的約束，以確保計(jì)算任務(wù)的高效卸載和處理。該模型通過交替優(yōu)化技術(shù)，逐步優(yōu)化發(fā)射功率（Pk）、計(jì)算卸載率（ak）及MEC 服務(wù)器分配給每個(gè)MT 設(shè)備的計(jì)算能力（Bk），從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的高效卸載。

1.3方案實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)過程中，先將MT 設(shè)備的任務(wù)通過無線AP 接入SPN 網(wǎng)絡(luò)，SPN 網(wǎng)絡(luò)通過專用端到端L3VPN 進(jìn)行任務(wù)傳輸，確保任務(wù)在傳輸過程中不會(huì)受到外部干擾。同時(shí)，可信WLAN 技術(shù)采用國產(chǎn)密碼算法進(jìn)行身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商，防止非法接入和攻擊。

具體而言，SPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）和切片傳送層（STL）3 個(gè)層次，分別負(fù)責(zé)不同任務(wù)類型的分組數(shù)據(jù)處理、通道劃分和高速傳輸。可信WLAN 技術(shù)通過無線AP 和鑒別服務(wù)器（AS）進(jìn)行雙向身份認(rèn)證，確保無線AP與MT設(shè)備之間的通信安全。

在任務(wù)卸載過程中，計(jì)算任務(wù)通過無線AP 的固定專用通道傳輸至MEC 服務(wù)器處理，處理后的結(jié)果再傳輸至智能電網(wǎng)中心或回傳至MT 設(shè)備。對(duì)于需要計(jì)算處理的任務(wù)，MT 設(shè)備可以選擇在本地處理或?qū)⑷蝿?wù)部分卸載至MEC 服務(wù)器。

2應(yīng)用實(shí)例分析

為了驗(yàn)證文章提出的MEC 卸載策略在實(shí)際應(yīng)用中的效果，選取了某智能電網(wǎng)試點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用實(shí)例分析。該區(qū)域內(nèi)有多個(gè)變電站、配電站和大量的智能終端設(shè)備，涵蓋了電力系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如下：試點(diǎn)區(qū)域覆蓋面積為10 km2，變電站數(shù)量為3，配電站數(shù)量為5，智能終端設(shè)備數(shù)量為100。無線AP 數(shù)量為10，天線數(shù)量為每個(gè)AP 4 根。任務(wù)類型主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)警等。

在具體實(shí)施過程中，選取的試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，各類設(shè)備和終端分布密集，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變。這些智能終端設(shè)備通過無線AP 接入智能電網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行各種數(shù)據(jù)采集、傳輸和計(jì)算任務(wù)。為了模擬真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)置了多種任務(wù)負(fù)載場(chǎng)景，包括低負(fù)載、中負(fù)載和高負(fù)載情況，分別對(duì)應(yīng)日常監(jiān)測(cè)、故障高發(fā)期和緊急情況處理等場(chǎng)景。

此外，試驗(yàn)環(huán)境中還考慮了不同的任務(wù)類型和優(yōu)先級(jí)。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳屬于高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，要求低時(shí)延和高可靠性；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷則屬于中優(yōu)先級(jí)任務(wù)，要求一定的時(shí)效性和準(zhǔn)確性；預(yù)警任務(wù)則要求在保證及時(shí)性的同時(shí)，具有較高的精確度。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1任務(wù)傳輸速率

試驗(yàn)結(jié)果表明，在試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，采用文章提出的MEC 卸載策略后，任務(wù)傳輸速率顯著提高。尤其是在任務(wù)密集區(qū)和高負(fù)荷區(qū)，傳輸速率提升尤為明顯。這表明，MEC 卸載策略能夠有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高整體傳輸效率。

在低負(fù)載情況下，任務(wù)傳輸速率提升幅度較小，但在中高負(fù)載情況下，MEC 卸載策略表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。具體數(shù)據(jù)顯示，在中負(fù)載場(chǎng)景中，任務(wù)傳輸速率提高了約30% ；在高負(fù)載場(chǎng)景中，傳輸速率提高了約50%。這種顯著的提升主要?dú)w功于MEC 卸載策略能夠?qū)⒂?jì)算密集型任務(wù)分流至邊緣服務(wù)器，減少了核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，從而提高了整體的傳輸效率。

2.2.2總時(shí)延

試驗(yàn)結(jié)果表明，MEC 卸載策略能夠顯著降低任務(wù)的總傳輸時(shí)延，尤其是在高負(fù)荷情況下，時(shí)延降低效果更顯著。這意味著，MEC 卸載策略能夠在保證任務(wù)傳輸可靠性的前提下，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，滿足智能電網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

具體而言，在低負(fù)載場(chǎng)景下，總時(shí)延減少了約20% ；在中負(fù)載場(chǎng)景下，總時(shí)延減少了約35% ；在高負(fù)載場(chǎng)景下，總時(shí)延減少了約50%。這主要是因?yàn)镸EC 卸載策略將大量的計(jì)算任務(wù)分布在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，減少了任務(wù)在核心網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間和處理時(shí)間，從而顯著降低了整體的傳輸時(shí)延。

2.2.3任務(wù)傳輸成功率

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用MEC 卸載策略后，任務(wù)傳輸成功率顯著提高，特別是在設(shè)備數(shù)量較多、任務(wù)負(fù)荷較大的情況下，成功率提升尤為明顯。這表明，MEC 卸載策略能夠有效保證任務(wù)的穩(wěn)定傳輸，降低任務(wù)丟失率，提升系統(tǒng)的可靠性。

在低負(fù)載場(chǎng)景下，任務(wù)傳輸成功率提高了約10% ；在中負(fù)載場(chǎng)景下，成功率提高了約25% ；在高負(fù)載場(chǎng)景下，成功率提高了約40%。這種提升主要得益于MEC 卸載策略能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算資源和傳輸資源的分配，確保任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷情況下仍能保持較高的傳輸成功率。

2.2.4系統(tǒng)能耗

試驗(yàn)結(jié)果表明，MEC 卸載策略能夠有效降低系統(tǒng)的總能耗。通過將計(jì)算任務(wù)部分卸載至MEC 服務(wù)器，減輕了終端設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，從而延長了設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，提高了能源利用效率。

具體數(shù)據(jù)顯示，在低負(fù)載場(chǎng)景下，系統(tǒng)能耗降低了約15% ；在中負(fù)載場(chǎng)景下，能耗降低了約30% ；在高負(fù)載場(chǎng)景下，能耗降低了約45%。這種顯著的能耗降低主要是由于MEC卸載策略能夠?qū)⒉糠钟?jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移至能效更高的邊緣服務(wù)器處理，減少了終端設(shè)備的電力消耗。

3應(yīng)用前景展望

文章提出的MEC 卸載策略在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景廣闊。通過優(yōu)化任務(wù)傳輸速率、降低總時(shí)延、提高任務(wù)傳輸成功率和降低系統(tǒng)能耗，該策略能夠有效提升智能電網(wǎng)的整體性能，滿足未來智能電網(wǎng)對(duì)高效、可靠、安全通信的需求。

在未來的發(fā)展中，MEC 卸載策略可以進(jìn)一步應(yīng)用于更多實(shí)際場(chǎng)景。例如，在智能電網(wǎng)的電力調(diào)度、負(fù)荷預(yù)測(cè)、故障預(yù)警等關(guān)鍵業(yè)務(wù)中，MEC 卸載策略能夠提供更高效、更可靠的計(jì)算和通信支持。同時(shí)，隨著智能終端設(shè)備數(shù)量的增加和任務(wù)復(fù)雜度的提高，MEC 卸載策略也可以不斷優(yōu)化和升級(jí)，適應(yīng)不斷變化的需求。