構(gòu)建面向5G的邊緣計算

杜唯揚，陳思仁

（英特爾（中國）有限公司，北京 100013）

萬物互聯(lián)的時代，網(wǎng)絡(luò)連接對象正從人擴(kuò)展至物。IDC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，到2020年將有超過500億的終端與設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，而到2018年年底，就將有50%的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，40%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲存。這說明隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的快速增長，集中式的數(shù)據(jù)存儲、處理模式將面臨難解的瓶頸和壓力，此時在靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)邊緣提供數(shù)據(jù)處理的能力和服務(wù)，將是推動ICT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的下一個重要驅(qū)動力。

邊緣計算（Edge Computing）的概念由此而生。2014年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）成立了移動邊緣計算規(guī)范工作組（ETSI Mobile Edge Computing Industry Specification Group），開始推動相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年，ETSI把此概念擴(kuò)展為多接入邊緣計算（MEC），并綜合考慮FMC（固網(wǎng)/移動融合）的場景需求。2016年4月，3GPP SA2又正式接受MEC，將之列為5G架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 邊緣計算的概念

根據(jù)ETSI的定義，多接入邊緣計算是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，通過融合了網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用等核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，來滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

以一個部署在傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)的邊緣計算系統(tǒng)為例，它要具備業(yè)務(wù)本地化和近距離部署的條件，來提供高帶寬、低時延的傳輸能力，同時通過業(yè)務(wù)面下沉形成本地化部署，來有效降低對網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的要求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。邊緣計算由于提供了應(yīng)用程序編程接口（API），并對第三方開放基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力，從而使網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)第三方的業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)按需定制和交互。

2 邊緣計算的位置（如圖1所示）

如果要問今天邊緣計算的位置到底在哪里？其答案并不是絕對的。據(jù)英特爾的觀察，邊緣計算的部署跟它的應(yīng)用場景有著緊密的關(guān)系。如果把整個通信服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)的話，這3個環(huán)中都具備部署邊緣計算的位置。其決策因素包括對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求在哪里，以及場景應(yīng)用要達(dá)到怎樣的時延等。以人們起初對邊緣計算的認(rèn)知，它應(yīng)該部署在最靠近用戶的位置，比如在基站中。的確，部署在基站，實實在在地滿足了低時延和高帶寬的需求，這對時延敏感型的應(yīng)用場景，當(dāng)然是最合適不過。

但這種情況，并不是惟一的應(yīng)用場景。總的來說，邊緣計算可以按需部署于無線接入云、邊緣云或者匯聚云。對于低時延場景，邊緣計算需要部署于靠近基站側(cè)的無線接入云；對于高帶寬要求的大流量熱點地區(qū)，邊緣計算可以部署于邊緣云；對于海量連接的場景，邊緣計算可部署于位置更高一些的匯聚云，以便覆蓋更大區(qū)域的業(yè)務(wù)需求。

圖1 邊緣計算的位置

3 邊緣計算與5G

根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）對5G的標(biāo)準(zhǔn)要求，它要包括三大應(yīng)用場景：eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶）、mMTC（海量機(jī)器類通信）和 uRLLC（超可靠低時延通信），分別對應(yīng)高清視頻、VR/AR，智慧城市、智能家居，自動駕駛、工業(yè)控制等場景。

邊緣計算正好契合這些需求：一是通過對4K/8K、VR/AR等高帶寬業(yè)務(wù)的本地分流，降低對核心網(wǎng)絡(luò)及骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)的占用，有效提升通信服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)的利用率；二是通過內(nèi)容與計算能力的下沉，讓通信服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)能有效支撐未來時延敏感型業(yè)務(wù)（車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制等）以及大計算和高處理能力需求的業(yè)務(wù)（視頻監(jiān)控與分析等）。

4 邊緣計算的部署方式

邊緣應(yīng)用如何部署，這是擺在產(chǎn)業(yè)各方眼前的一個關(guān)鍵問題?？偨Y(jié)邊緣計算中的應(yīng)用，我們可以將之分為兩類：一類是通信服務(wù)提供商本身的業(yè)務(wù)，另一類是云服務(wù)。其中云服務(wù)又分為比較熱門的20ms延時以內(nèi)的業(yè)務(wù)，以及依賴于網(wǎng)絡(luò)功能提供的業(yè)務(wù)，還有OTT業(yè)務(wù)。

從業(yè)務(wù)分析的角度來看，部署業(yè)務(wù)的方式可以選擇3種。

（1） 以NFV方式部署，運行在NFV平臺之上。

（2）以MEC-APP部署，運行在MEC業(yè)務(wù)平臺之上。

（3） 以Cloud Native2方式部署，運行在云平臺之上。

其中NFV平臺的應(yīng)用，對于通信服務(wù)提供商來說越來越成熟，但對于云服務(wù)部署尤其是OTT業(yè)務(wù)來說，應(yīng)用的開發(fā)、部署及維護(hù)會帶來比較大的工作量，它若要按照通信服務(wù)提供商的NFV一整套規(guī)范來進(jìn)行編程，比較具有挑戰(zhàn)性。另外對于MEC業(yè)務(wù)平臺來說，考慮功耗、供電，邊緣機(jī)房改造等，也是比較復(fù)雜的過程，針對這些問題，英特爾和合作伙伴正在聯(lián)手定義相關(guān)的軟硬件平臺，例如以容器技術(shù)和微服務(wù)為基礎(chǔ)的Cloud Native架構(gòu)。

5 邊緣計算典型應(yīng)用

由于邊緣計算具有高帶寬、低時延以及位置感知等技術(shù)特征，因此應(yīng)用場景十分豐富。如移動CDN下沉、AR/VR、車聯(lián)網(wǎng)以及視頻監(jiān)控分析等都是邊緣計算的典型應(yīng)用場景。

（1）邊緣技術(shù)平臺通過內(nèi)部部署邊緣CDN系統(tǒng)，可以促進(jìn)移動CDN下沉，OTT 可以IaaS的方式租用邊緣服務(wù)器節(jié)點存儲自身的業(yè)務(wù)內(nèi)容，并在自有的全局DNS系統(tǒng)中將服務(wù)指向邊緣CDN節(jié)點。

(2）對于AR/VR來說，邊緣計算上的Offloading技術(shù)可以把它們非常重負(fù)荷且復(fù)雜度比較高的圖像計算卸載到邊緣數(shù)據(jù)中心，來加速其計算處理過程，同時降低AR/VR體驗中的延時。

(3）車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用邊緣計算技術(shù)，可以降低時延，適合車聯(lián)網(wǎng)中防碰撞、事故警告等時延標(biāo)準(zhǔn)要求極高的業(yè)務(wù)類型。此外，邊緣計算車聯(lián)網(wǎng)平臺還可實現(xiàn)路徑優(yōu)化分析、行車與停車引導(dǎo)、安全輔助信息推送以及區(qū)域車輛服務(wù)指引等。

(4）視頻監(jiān)控與分析引用邊緣計算，可對視頻內(nèi)容進(jìn)行本地分析和處理，無須將大量無價值視頻數(shù)據(jù)回傳，可大大節(jié)省傳輸資源。

6 英特爾邊緣計算解決方案

英特爾從邊緣計算概念萌發(fā)之時起，就是其技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)作的重要參與者和推動者，一直致力于提供開放架構(gòu)的軟硬件平臺、輸出邊緣計算技術(shù)能力以及參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與聯(lián)盟組織，來不斷推動邊緣計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

6.1 標(biāo)準(zhǔn)與組織聯(lián)盟

早在2014年ETSI首次成立移動邊緣計算規(guī)范工作組時，英特爾就是發(fā)起者之一。此后，英特爾一直在積極參與支持ETSI推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，這些工作包括在2016年把概念擴(kuò)展為多接入邊緣計算，發(fā)布3份與MEC相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，分別涉及MEC術(shù)語、技術(shù)需求及用例、MEC框架與參考架構(gòu)。

同時，英特爾也是5GAA（5G Automotive Association）聯(lián)盟的發(fā)起者和董事會成員。2017年8月，英特爾還聯(lián)合愛立信、豐田汽車與日本NTT等公司成立汽車邊緣計算聯(lián)盟（AECC），以開發(fā)可連接汽車的網(wǎng)絡(luò)和計算生態(tài)系統(tǒng)。

除此以外，在3GPP等5G標(biāo)準(zhǔn)組織中，英特爾也是重要的參與方和技術(shù)貢獻(xiàn)者。

6.2 產(chǎn)品方案

基于硬件資源池化及軟硬件解耦的思路，英特爾推出了NEV SDK（網(wǎng)絡(luò)邊緣虛擬化套件），可協(xié)助邊緣計算領(lǐng)域的合作伙伴加速開發(fā)面向電信領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。除聚焦基礎(chǔ)設(shè)施平臺能力外，NEV SDK還可為邊緣計算應(yīng)用開發(fā)者提供基于IP業(yè)務(wù)的、具備豐富API接口及高性能轉(zhuǎn)發(fā)能力的基礎(chǔ)軟件環(huán)境。它為開發(fā)者屏蔽了復(fù)雜的電信網(wǎng)絡(luò)控制，即使開發(fā)者對繁瑣的電信網(wǎng)絡(luò)不夠了解，也能快速進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。

英特爾于2017年7月發(fā)布的新一代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器能夠以突破的性能從容應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載，幫助通信服務(wù)提供商從固定功能的專用網(wǎng)絡(luò)加速轉(zhuǎn)型到靈活的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。相比上一代至強(qiáng)處理器產(chǎn)品，該處理器集成了新一代英特爾QuickAssist技術(shù)(以下簡寫為QAT)，其搭配數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件（DPDK），可使關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的IPSec轉(zhuǎn)發(fā)速率提升達(dá)前一代QAT技術(shù)的2.5倍，該處理器的整體計算性能也平均提升達(dá)上一代產(chǎn)品的1.65倍，從而能大大提升網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的速度。

在系統(tǒng)芯片（SoC）方面，英特爾凌動處理器C3000產(chǎn)品家族旨在為高密度低功耗網(wǎng)絡(luò)、存儲和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品提供高性能。英特爾至強(qiáng)處理器D-1500產(chǎn)品家族的網(wǎng)絡(luò)系列適用于各種不同的工作負(fù)載環(huán)境，包括中端網(wǎng)絡(luò)路由器、無線基站、溫存儲、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等，為基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化提供了新的選擇。

6.3 案例

中國聯(lián)通攜手英特爾、諾基亞、騰訊云在上?！懊焚惖滤?奔馳文化中心”成功搭建網(wǎng)絡(luò)邊緣云系統(tǒng)，利用LTE現(xiàn)網(wǎng)驗證了基于MEC的多角度視頻直播和主播互動業(yè)務(wù)。場館內(nèi)聯(lián)通用戶可以通過手機(jī)、PAD等設(shè)備，實時進(jìn)行多角度高清視頻觀看和互動直播，可以實現(xiàn)TBytes吞吐量、500ms時延，相比30-40s的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)直播時延，大大提升了用戶體驗。

富士康聯(lián)手亞太電信與英特爾打造了邊緣計算解決方案，并將其應(yīng)用到臺灣三創(chuàng)生活園區(qū)。邊緣計算的部署讓園區(qū)內(nèi)的商家更貼近消費者，例如通過面部識別，商場可以快速識別VIP客戶并提供差異化和個性化的服務(wù)；基于移動端的商場室內(nèi)導(dǎo)航、3D導(dǎo)覽和導(dǎo)購可以快速讓消費者找到想要的商品。所以，在5G技術(shù)下的邊緣計算服務(wù)技術(shù)，得益于其超低時延、超高頻寬的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，能讓傳輸效率大幅提升，進(jìn)而使后端可以支撐更為多元的前端應(yīng)用，為用戶提供更佳的消費體驗。

7 展望

通過對邊緣計算的全方位闡述，我們不難發(fā)現(xiàn)它為產(chǎn)業(yè)內(nèi)的參與者和大眾提供的創(chuàng)新潛能和出色價值：終端用戶通過邊緣計算，不論是連接網(wǎng)絡(luò)還是獲取內(nèi)容，都能獲得更優(yōu)和更為個性化的應(yīng)用體驗；通信服務(wù)提供商通過邊緣計算平臺將增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)能力開放給第三方OTT提供商或者應(yīng)用開發(fā)者，并將他們的應(yīng)用和服務(wù)提供給移動用戶、企業(yè)和垂直行業(yè)，也有望重新定義自身在整個產(chǎn)業(yè)鏈中的角色；OTT提供商和獨立的應(yīng)用開發(fā)商，也能在邊緣計算的開放標(biāo)準(zhǔn)平臺之上快速開發(fā)新的應(yīng)用、縮短開發(fā)周期，在為終端用戶提供近乎零延時的極速體驗的同時，為自已創(chuàng)造更高、更快的收益。在英特爾看來，邊緣計算將是云服務(wù)提供商與通信服務(wù)提供商的結(jié)合點，無數(shù)跨界式的創(chuàng)新，正在此處醞釀著“一鳴驚人”的爆發(fā)力。

為了讓這些潛力和價值盡快得以釋放，包括英特爾在內(nèi)的邊緣計算產(chǎn)業(yè)參與者正在積極進(jìn)行新技術(shù)和新產(chǎn)品的驗證、測試和部署，這一領(lǐng)域也正吸引更多的參與者加入，來推動整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程?？梢灶A(yù)見，越來越多的創(chuàng)新應(yīng)用將會誕生在邊緣，它們也將會隨著5G的快速發(fā)展來到我們的身邊，而這一切，都離不開開放系統(tǒng)架構(gòu)和強(qiáng)大的計算力的支持。