5G频率高，波长短，单个5G基站覆盖面小，5G边缘计算需要近最终用户部署，即5G边缘计算节点的建设数量将迅速增加，施工成本高，运行维护管理困难，电力设施需要接近负荷中心的建设特点和5G边缘计算节点的部署要求不谋而合。从5G从边缘计算节点部署特性和电力设施建设规划要求等角度分析了5个G讨论了边缘节点与电力设施一体化建设的可行性G散热、电磁兼容、安全等关键问题是边缘计算节点与电力设施融合部署所面临的。
概述
随着国家的互联网 随着战略的不断深化，新兴的信息通信技术不断融入各行各业，经济社会各领域向数字化转型升级的愿望和趋势越来越明显。在第三届世界人工智能会议上使用5G 边缘云计算 全息投影技术实现场外嘉宾现场演讲，让线上线下参与者记忆犹新。虽然集中部署的云计算中心可以提供全面的计算、存储、网络和安全能力，但在互联网、大带宽数据传输和低延迟通信需求的背景下，网络边缘的终端设备已经达到了大量的水平，给当前的云计算模型带来了许多挑战。
5G边缘计算（MEC）边缘设备与数据中心之间的桥梁作为一种新的计算模式，可以在源附近及时高效地处理原始数据。5G通过5G切片通信技术实现了不同用户之间边缘数据与边缘网络之间的安全隔离通信，使现场数据能够在不传输到云的情况下就近获得计算、存储、网络和安全能力。
5G三大技术特点：增强移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（uRLLC）与大量机器通信（mMTC）预示着5G它将成为各行业数字化转型的关键技术之一。然而，一方面，根据电磁波的波长和频率，频率越高，波长越短，这意味着与4相比G通信需要建设更多的5G支持基站5G通信及5G边缘云业务。另一方面，无人驾驶，AR/VR沉浸式体验，智能视频监控，AI随着图像识别、远程手术等技术应用的兴起，海量数据的处理需要依靠数据源的本地化计算、存储、网络和安全能力，这意味着需要部署更多的边缘接入点来满足边缘业务运行的需要。
同时，由于MEC部署要求尽可能接近终端用户，这意味着5G不断深化技术应用，MEC建设将更加分散和密集，需要大量的电力、土地、网络和信息通信设备，这将大大提高边缘计算节点的建设成本和总体规划难度。
巧合的是，2019年，国家电网公司提出了全面推进三型两网、世界级战略，加快泛在电力物联网建设的目标。即通过云计算、大数据、物联网、边缘计算等信息技术的广泛应用，收集各方资源，为规划建设、运营管理、综合服务的信息和数据支持。云计算、大数据、物联网和边缘计算的需求以及通信运营商的泛在电力物联网建设IT通信资源互补；通信运营商对电能、场地、安全防护的需求，以及大量靠近终端用户的电网企业。构建基于电力设施的边缘计算节点，有助于加快泛在电力物联网和泛在信息通信网络的建设，也有助于加快5G技术的应用和推广。
5G边缘计算的施工原则
5G网络的三大技术特点和5G边缘计算能力下沉到网络边缘，决定了5G边缘计算的应用和业务访问将多样化。同时，泛物联网系统和数据采集系统需要尽可能靠近网络边缘，以便快速传输和高效处理现场数据采集设备信息。5G边缘终端的分散决定了5G节点部署的点部署的分散性。统筹考虑5G按照一定的原则规划和部署边缘计算的位置、应用场景、施工规模和性能规划，将有利于实现5G边缘计算节点的最佳实际效果。
5G边缘计算节点主要面向本地化部署的低延迟、大带宽和强烈的真实性VR/AR、4K/8K视频、工业控制等具体应用场景。与大型数据中心的云计算平台相比，5G边缘计算和存储资源规模较小，可采用超集成服务器部署功能简化的云平台。
一方面，在云平台的功能组件中，采用了简化OpenStack云计算框架，如只保留Nova、Neutron、Glance、Keystone、Ceilome?ter确保边缘计算性能的基本功能组件；另一方面，边缘计算节点的计算应根据特定的业务场景进行调整（如GPU计算等)和存储(如SSD存储等)规模。从通信网络的角度来看，虚拟化编排器集中部署在中心侧（NFVO）网络功能虚拟化管理器（NFVM）可集中部署在云计算中心或下沉到边缘；边缘管理平台部署在平台侧（ECPM）以及虚拟网络功能管理（VN?FM），可合设或分设。同时，采用容器等轻量级计算技术，减少边缘计算节点对物理资源的消耗。
5G由于节点分散，边缘计算应从业务连续性和运维管理便利性的角度采用统一的架构。这里的统一架构有两层含义:一是不同地区、不同业务的边缘节点采用相同的边缘计算架构；二是与上层云计算平台统一架构。由于业务下沉到网络边缘，对于同一区域的同类业务，边缘云平台可以通过5个统一的架构部署，共享底层物理设施G实现不同业务的逻辑隔离，实现网络切片、计算和存储虚拟化。通过统一不同地区的边缘计算架构和云计算平台架构，有利于云边缘协调，充分发挥云网络、计算和存储效率。
与通信基站密集预覆盖的建设模式不同，边缘计算通常是为特定区域和场景的用户组定制的。例如，对于某个工厂的智能制造，数据源是智能工厂的各种智能设备，因此边缘计算节点不应远离这些智能设备；另一个例子是视频监控AI在图像识别场景中，边缘服务器通常部署在相机附近，以减少相机到边缘服务器之间的延迟，避免相机到云计算中心的带宽消耗。此外，考虑到投资成本和投资回报，5G在没有业务(或规划中的业务)的情况下，边缘计算节点的部署通常不会大规模预建。因此，5G边缘计算节点的施工应遵循按需施工的原则。此外，考虑到边缘计算节点分散、数量多、协议多等特点，通过部署SDN网络化将有助于提高网络配置效率和网元QoS网络策略可根据需要灵活发布。
由于5G边缘计算主要为低延迟数据交互等场景提供本地计算和存储服务。如果现场ME-APP涉及大量存储或节点数据需要与云计算中心或多个边缘节点协调，往往需要云计算中心的资源能力。
例如，在视频监控中存储和存储AI在图像分析场景中，如果需要长期保存视频数据，边缘节点的存储容量最终将无法满足视频存储的需要。同时，将多个视频信号传输到云计算平台，这也将给云平台的互联网出口带宽带来巨大压力。如果将视频信号传输到本地MEC节点处理，历史数据按一定时间间隔上传到云计算中心，将有助于充分发挥资源配置效率，为现场应用提供最具成本效益的云网络资源。因此，云计算平台与边缘计算的协同部署显得尤为重要。面对多级联动的业务场景需求，边缘计算节点建设模式可以采用分层协同建设模式，云边协同示意图如图1所示。
图1中，云计算中心拥有完善的计算、存储、网络和安全资源，边缘节点的功能相对简化，边缘计算节点与云计算中心之间的通信可通过5G MEC的UPF实现业务网络的切片隔离。MEC当远离云计算中心时，大容量数据也可以通过光纤通信定期存储。通过分级部署，最终实现资源的合理高效配置。
5G边缘计算与电力设施融合
在万物互联网时代，数百亿传感器将应用于各行各业的现场数据收集。从如此庞大的输入源中获取和分析有用的数据需要大量的边缘计算节点，5G边缘节点作为心，边缘节点不仅需要安全的物理空间，还需要可靠的电力供应、电力设施和5G边缘节点的融合可以在一定程度上缓解上述问题。根据《城市电力规划规范》（GB/T 50293-2014)(以下简称《规范》)，城市供电设施一般包括城市变电站、开关站、环网单元、配电室等。这些电力设施的建设规划有自己的特点和特点G边缘计算节点的集成方案也不同。这三种融合场景将分别讨论。
城市变电站的规划和选址应符合本规范的要求：靠近负荷中心，便于交通，避免易燃易爆危险源、严重污浊空气和严重盐雾区，选择地质条件良好的区域。《规范》还要求城市变电站占地面积：35 kV室内变电站和室外变电站的土地面积分别推荐500~2000㎡和2000~3500㎡。城市变电站占地面积大，变电容量大。除变电站本身用地外，还有大量的剩余空间和电力容量，可预留10个~机柜20个空间(50~100 ㎡）和50~100 kVA用于部署大边缘计算节点或小云计算平台。
在城市的街头巷尾常常能看到一些门外写着“高压危险”字样的“小房子”，它们是电力开关站或“箱式变电站”或“环网单元”。10(20)规范指出kV10(20)开关站kV配电室联合建设。由于开关站或环网单元空间有限，与城市变电站相比，电站，可考虑预留10个~15 ㎡的空间部署2~3个机柜和10~20 kVA电源容量，单独开启MEC业务专用门部署小型MEC业务。MEC与电力开关站集成部署的示意图如图2所示。
如果能与城市负荷中心相匹配，城市开关站通常设置在城市负荷中心MEC为电力物联网、无人驾驶、城市眼光、智能城市机器人等场景提供高带宽、低延迟的边缘计算资源。
电力配电房是公共小区、建筑物内必须设置的公用设施，通常建于建筑物的屋内。对于公用配电室，《规范》指出“公用配电室的位置，应接近负荷中心。在负荷密度较高的市中心地区，住宅小区、高层楼群、旅游网点和对市容有特殊要求的街区及分散的大用电户，规划新建的配电室宜采用户内型结构”。针对公用配电室，由于富余空间和富余电源容量较小，可以预留10~15㎡的富余空间和10~20kVA的电源容量部署2~3个机柜，用于部署边缘云，面向居民区、产业园、写字楼等局部区域提供边缘CDN、边缘云游戏、边缘VR/AR、边缘高性能计算等服务，将大大丰富和提升该区域的智能化体 。
基于上述3种电力设施的建设情况分析，可以估算一个行政区域内电力设施可用于5G边缘计算节点部署的边缘计算机柜数量。以某市某县区内电力变电站、开关站和配电设施规划为例，测算其可提供边缘计算节点部署的机柜数量，结果如表1所示。
表1 某县区内电力设施可提供的MEC节点机柜数量预估表
由表1可知，一个县区内的电力设施可用于部署5G边缘计算节点的机柜数量可达2744个，按照平均每个机柜建设成本（含土地、电力、空调、消防、IT等费用）10万元计算，则可节约一次性投资成本2744×10=2.744亿元，节约土地面积约2744×5㎡=13720㎡。根据国家统计局数据显示，截至2019年全国共有2846个县级区划数，则可节约MEC建设投资2.744×2846=7809.42亿元，考虑县区地区MEC节点数量差异，选取平均系数为0.682（2017年全国地区生产总值整体相对差异水平变异系数为0.318，因此全国地区差异水平为1-0.318=0.682），则全国MEC建设投资可节约0.682×7809.42=5326.02亿元，节约土地约13720×2846×0.682=2663.01万㎡。因此，利用电力设施的富余空间规划5G边缘计算节点，对节约土地资源，减少电力及通信线路铺设长度，降低电力与通信损耗，提升用户业务体验感知都将发挥积极作用。
边缘计算与电力设施融合建站的关键问题
5G边缘计算节点与电力设施的融合建设将面临设备散热、电磁兼容、安全等方面的问题，这些问题如果没有得到有效解决，将可能导致边缘计算设备和系统无法稳定运行，甚至危及人身安全，上述的融合模式将很难得以推广。
5G边缘计算设备主要包括：边缘计算服务器、边缘存储服务器、网络设备、安全设备等。这些设备在运行过程中都将产生热量，特别是高密度边缘计算服务器，单台服务器额定功率可达数百瓦。如果设备没有及时散热，高温将影响服务器设备中电子元器件的使用寿命，危及设备系统安全。边缘计算节点的散热问题不容忽视。
边缘服务器的热量主要来源于服务器CPU工作运行发热，通过风扇将热量及时排到设备之外，如果设备所处环境没有冷却措施，环境温度将不断提高。因此，为了降低环境温度，使环境温度维持在服务器安全运行的温度范围内，可以有如下几种处理方法：一是空调降温法，针对大规模的边缘计算节点采用精密空调集中降温，针对小规模的边缘计算节点采用家用空调进行降温；二是自然通风法，该方法仅适用于年平均气温较低，且温湿度适合服务器正常运行的环境；三是尽量选择低功耗、发热量小的服务器，或通过平台调度算法合理调度服务器的执行任务，降低服务器总发热量。
考虑到边缘节点主要负责处理特定区域内的边缘计算任务，业务规模相对较小，对于面向园区或厂区的MEC节点，通常1~2个业务机柜即可满足业务需要，且变电站内要求防火、防尘、防潮、防腐，外部空气不允许进入柜体内。对于低密度机柜，在机柜环境较好的室内，特别是在恒温恒湿环境中可采用自然通风散热；而对于密度较高的边缘计算机柜，因其散热量较大，采用闭式机柜空调循环制冷的方式更符合通信和数据机柜对散热环境的要求。
根据国际电工委员会IEC对设备电磁兼容（EMC）的规定，电子产品在通电工作时，要求设备能够承受一定程度的外部或系统自身产生的电磁干扰而正常工作，同时也不通过传导、辐射、耦合等方式向外部发出超过标准规定的电磁干扰。随着服务器CPU芯片工作频率的不断提高，元器件在电路板中的布局、走线、阻抗和接地情况等都将影响边缘节点设备EMC的性能。常用的EMC抑制方法包括对辐射源的屏蔽、选择合适的导磁材料和有效接地。
对5G边缘计算而言，一方面选用具有国家3C认证的服务器，由于设备出厂时已通过电磁兼容检验，可以从源头上降低MEC设备遭受外界电磁干扰，同时避免对同区域内的其他设备造成电磁干扰。常用的机架式服务器外壳大多为具有铁磁特性的良导体，能有效吸收设备产生的电磁干扰和辐射能量；同时，对业务机柜采用低阻抗导体进行有效接地，可大大降低柜体对外的电磁辐射和外界对柜内设备的电磁辐射影响。另一方面，选用导磁效果良好的服务器机柜及科学合理的柜内布置，将大大减少服务器遭受外界的电磁干扰。
由于电力变电站、开关柜及配电房内都有高压设备，因此现场实施、维护人员的人身安全不容忽视。在变电站或配电房内部署边缘计算平台时需充分考虑与电力设备间的电气安全距离，并且需考虑信息通信设备日常维护的便利性。同时，由于变电站或配电房内不同厂商的设备较多，为了防止误操作导致的平台故障，边缘计算机柜的开启应设立相应的安全防护措施。
另外，由于MEC平台对外提供服务，因此平台自身的安全稳定是确保ME-APP安全部署的前提。由于设备的开放性和异构性，以及与云计算中心相比相对有限的安全防护设备和安全防护措施，使得平台访问控制的难度大幅提升。边缘计算节点的分散性、“数据第一入口”、边缘安全较为薄弱等特性，使其更容易遭受攻击。而被攻陷的边缘节点还可能成为黑客的“肉机”，造成更大的危害和损失。针对MEC的安全问题，可以采取以下措施。
一是利用边界防火墙做好访问控制，可针对访问的设备进行MAC地址绑定，防止处于同一地址段的“冒充者”进入系统后进行数据的获取、篡改和破坏。
二是在平台侧部署安全一体机，对边缘计算系统进行严格的安全访问控制，通过虚拟的安全服务组件对边缘计算服务保驾护航。
三是利用区块链技术对生产重要环节产生的数据进行区块存储，使重要数据不可篡改并且可溯源。
结束语
5G技术的高带宽、低时延和海量连接等技术特性预示着未来的行业应用场景将向着大带宽、短时延、大连接的方向发展。随着5G及边缘计算的普及应用，边缘计算节点的建设、运营和管理等问题将不断突显。探索5G边缘计算节点与电力设施的融合建设模式，将有利于大幅降低边缘计算运营商、边缘计算服务商及边缘应用开发商的投资成本，提高5G边缘计算节点的安全性、可靠性和灵活性，助力泛在电力物联网建设，进一步促进产业的技术创新和转型升级。
参考文献
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叶兴贵，工程师，博士，主要从事云计算、边缘计算技术与应用研究等工作。
来源微信公众号：邮电设计技术
官方网站：http://ydsjjs.paperopen.com
编辑：李星初 校对：李长青 审核：薛海斌
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