基于六邊形覆蓋模型的邊緣服務(wù)器數(shù)量計算

聶勤，申佳靈，易婷，李軍成

湖南人文科技學(xué)院 數(shù)學(xué)與金融學(xué)院，湖南 婁底 417000

0 引言

隨著5G技術(shù)的愈發(fā)成熟，5G網(wǎng)絡(luò)也逐漸融入各行各業(yè)。5G網(wǎng)絡(luò)憑借高速率、低延遲、高帶寬和支持大規(guī)模接入等特性，已適應(yīng)于絕大部分電網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求。在電力數(shù)據(jù)采集與傳輸中，邊緣服務(wù)器作為接收5G信號中轉(zhuǎn)的處理器，具有對收集的數(shù)據(jù)進行野值修復(fù)和數(shù)據(jù)壓縮的作用。經(jīng)過邊緣服務(wù)器的處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心之后的工作量可以大大緩解。因此，邊緣服務(wù)器的研究在電力數(shù)據(jù)采集與傳輸中具有重要的意義，而邊緣服務(wù)器的覆蓋范圍及數(shù)量的計算顯得尤為重要。

在計算邊緣服務(wù)器的數(shù)量時，5G信號的覆蓋范圍一個關(guān)鍵步驟。目前，已經(jīng)許多學(xué)者針對5G信號的覆蓋問題進行過研究。例如，袁周陽等人[1]對UMa和RMa兩種傳播模型的路徑損耗做出了詳細(xì)的對比，并計算出5G在各個場景的覆蓋范圍；許賢澤等人[2]在Uma傳播模型基礎(chǔ)上提出了改進的傳播模型并計算出5G覆蓋面積；呂繼等人[3]研究了5G多種常用頻段下在典型應(yīng)用場景的覆蓋能力；曾云光等人[4]分析對比了4G與5G NR鏈路預(yù)算和覆蓋面積結(jié)果，提出了4G共存下5G覆蓋的組網(wǎng)策略；卓秀欽[5]對5G室內(nèi)傳播模型進行了覆蓋分析以及鏈路預(yù)算；顏軍[6]分析了700M 5G覆蓋能力，計算出在頻段在700M各個場景的覆蓋半徑；尹軍祖[7]對5G室內(nèi)傳播模型進行了覆蓋分析，并對室內(nèi)的幾類典型場景進行了討論；朱朝暉[8]對5G室內(nèi)系統(tǒng)類型的演進和室內(nèi)分布建設(shè)演進進行探討，提出了5G室內(nèi)覆蓋的一些思路。

確定5G信號的覆蓋范圍后，需要將計算出的覆蓋半徑帶入相應(yīng)的覆蓋模型，才能計算出滿足需求的邊緣服務(wù)器覆蓋范圍及數(shù)量，其中三扇形覆蓋模型[9]為目前常用的一種覆蓋模型。而本文將大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的六邊形覆蓋[10]應(yīng)用到邊緣服務(wù)器的計算中，并通過仿真實驗對兩種覆蓋模型的結(jié)果進行對比分析，從而為邊緣服務(wù)器數(shù)量計算時覆蓋模型的選擇提供參考。

1 邊緣服務(wù)器數(shù)量的計算

在計算邊緣服務(wù)器的數(shù)量時，首先應(yīng)選擇合適的5G信號傳播模型并結(jié)合5G信號的最大路徑損耗計算出最大覆蓋半徑，然后將計算來的覆蓋半徑帶入相應(yīng)的覆蓋模型，從而最終計算出滿足需求的邊緣服務(wù)器覆蓋范圍及數(shù)量，其基本步驟如圖1所示。

圖1 邊緣服務(wù)器計算的基本步驟

1.1 UMa與RMa傳播模型

適用于5G NR的通常UMa（城市宏站）、UMi（城市微站）、RMa（農(nóng)村宏站）、InH（室內(nèi)熱點）等4種傳播模型[11]。由于電力數(shù)據(jù)的采集與傳輸通常使用室外宏站的方式，因此電力數(shù)據(jù)的采集與傳輸傳播模型主要采用UMa（城市宏站）傳播模型和RMa（農(nóng)村宏站）傳播模型[12]。

1.1.1 Uma傳播模型

Uma傳播模型適用于建筑物比較密集的城區(qū)區(qū)域，這些區(qū)域的主要特點是高層建筑比較多且間隔較小，建筑物的平均高度高于普通建筑物。因此，Uma傳播模型的應(yīng)用場景主要包括高層住宅區(qū)、密集商業(yè)區(qū)、繁榮商貿(mào)區(qū)等。

在視距傳播（LOS）條件下，UMa傳播模型的最大允許路徑損耗為：

在非視距傳播（NLOS）條件下，UMa傳播模型的最大允許路徑損耗為

式中，d3D、fc、hUT與式（1）相同；陰影衰弱量取為6dB。

注1：給定hUT、hBS、fc的取值后，若最大允許路徑損耗給定，即可由式（1）或式（2）反求出UMa傳播模型中的d3D。

1.1.2 RMa傳播模型

RMa傳播模型適用于建筑物非常稀疏的農(nóng)村和郊區(qū)，這些區(qū)域的主要特點是道路環(huán)境比較開闊，多以低矮建筑物為主。因此，RMa傳播模型的應(yīng)用場景主要包括人口比較稀疏的小鎮(zhèn)、零散居住的農(nóng)村區(qū)域等。

在視距傳播（LOS）條件下，RMa傳播模型的最大允許路徑損耗為

式中，fc、d3D與式（1）中相同；h為建筑物的平均高度；陰影衰落取為6dB。

在非視距傳播（NLOS）條件下，RMa傳播模型的最大允許路徑損耗為

式中，d3D、fc、hUT、hBS與式（1）相同；h與式（3）相同；W為街道平均寬度；陰影衰弱取為8dB。

注2：給定fc、hUT、hBS、h、W的取值后，若最大允許路徑損耗給定，則可由式（3）或式（4）反求出RMa傳播模型中的d3D。

1.2 覆蓋模型

覆蓋模型是計算出邊緣服務(wù)器覆蓋范圍和邊緣服務(wù)器數(shù)量的重要環(huán)節(jié)，常用的覆蓋模型為三扇形覆蓋，而本文將六邊形覆蓋應(yīng)用到邊緣服務(wù)器的計算中。

1.2.1 三扇形覆蓋模型

在三扇形覆蓋模型中，邊緣服務(wù)器位于三扇形的中央，如圖2所示。

圖2 三扇形覆蓋

1.2.2 六邊形覆蓋模型

在六邊形覆蓋模型中，邊緣服務(wù)器位于六邊形的中央，如圖3所示。

圖3 六邊形覆蓋

1.3 邊緣服務(wù)器的數(shù)量計算

2 仿真實驗與結(jié)果分析

由表1可知，在滿足對該城區(qū)的覆蓋需求時，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為127～331個，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為96～247個；在滿足對該農(nóng)村的覆蓋需求時，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為11～98個，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為8～74個。由此可知，在第一組實驗中，六邊形覆蓋模型顯然比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器數(shù)量更少。

表1 第一組實驗中兩種覆蓋模型下邊緣服務(wù)器的數(shù)量對比

表2 第二組實驗中兩種覆蓋模型下邊緣服務(wù)器的數(shù)量對比

由表2可知，在滿足對該城區(qū)的覆蓋需求時，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為583～1515個，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為437～1137個；在滿足對該農(nóng)村的覆蓋需求下，三扇形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量大致為3～22個，六邊形覆蓋模型下所需的邊緣服務(wù)器的大致數(shù)量為2～16個。因此，在第二組實驗中，六邊形覆蓋模型也比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量更少。

通過以上兩組仿真實驗可知，在滿足對該地區(qū)的覆蓋需求時，無論是某地區(qū)的城區(qū)面積比農(nóng)村面積大，還是農(nóng)村面積比城區(qū)面積大，六邊形覆蓋模型都比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器的數(shù)量更少，從而所需的成本更低。

3 結(jié)語

本文根據(jù)通過Uma傳播模型、RMa傳播模型和最大允許路徑損耗，求出5G的最大覆蓋半徑，然后再分別利用三扇形覆蓋模型和六邊形覆蓋模型計算出單個邊緣服務(wù)器的覆蓋面積，從而計算出滿足覆蓋要求時所需的邊緣服務(wù)器數(shù)量。對比發(fā)現(xiàn)，六邊形覆蓋模型比三扇形覆蓋模型所需的邊緣服務(wù)器數(shù)量更少，從而為邊緣服務(wù)器的部署問題提供了參考。