面向5G的邊緣計算及部署思考

摘要：邊緣計算對于運營商而言是一種網(wǎng)絡架構和業(yè)務模式的創(chuàng)新?；谶\營商的運維需求，針對5G的邊緣計算提出了一套系統(tǒng)化的解決方案。5G邊緣計算的部署基于業(yè)務需求和場景，并結合網(wǎng)絡需求、邊緣基礎設施、運營模式及維護管理需要，是性能與投資的均衡考慮。強大的生態(tài)系統(tǒng)是5G邊緣計算發(fā)展的保障，完善的基礎設施、靈活的網(wǎng)絡和平臺能力以及豐富的邊緣應用是推動邊緣生態(tài)繁榮的關鍵因素。

關鍵詞：邊緣計算;5G;部署;邊緣生態(tài)

Abstract： Edge computing is an innovation in network architecture and business models for operators. A systematic solution based on the operation and maintenance requirements of operators is proposed in the 5G edge computing. Based on the business requirements and scenarios， the deployment of 5G edge computing combines with network requirements， edge infrastructure， operation mode and maintenance management needs. Meanwhile， the balance of performance and investment should also be considered. The powerful ecosystem is the guarantee of the development of the 5G edge， and the perfect infrastructure， the flexible network and the platform ability， and the rich edge application are the key factors to promote the edge ecological prosperity.

Key words： edge computing; 5G; deployment; edge computing ecology

隨著網(wǎng)絡的不斷拓展，越來越多的連接需要在邊緣側分析、處理與儲存。隨著終端能力的不斷提升以及流量資費的進一步下調，大流量業(yè)務將會對用戶月均流量消費額（DOU）產生直接拉動效應;預計在5G規(guī)模商用期，單用戶平均流量帶寬將達到4G網(wǎng)絡的5～10倍，對回傳網(wǎng)絡產生巨大的壓力。

當前的網(wǎng)絡架構和移動技術對網(wǎng)絡優(yōu)化并不充分，基站到核心網(wǎng)往往距離數(shù)百千米，途徑多重匯聚、轉發(fā)設備，再加上不可預知的擁塞和抖動，難以保障一些對時延、可靠性要求較高的行業(yè)客戶場景。

更多的業(yè)務機會，更多的連接、利用并賦能，更好的業(yè)務體驗需求均驅動了邊緣計算的發(fā)展。而邊緣計算作為一種網(wǎng)絡架構和商業(yè)模式的創(chuàng)新，是5G網(wǎng)絡服務垂直行業(yè)的利器之一。邊緣計算是運營商提升網(wǎng)絡價值的一次契機，將有可能推動產業(yè)鏈價值的重分配。

1 面向5G的邊緣計算技術

邊緣計算是一種在物理上靠近數(shù)據(jù)源頭進行數(shù)據(jù)處理的方法，是一種分布式計算架構。它能夠進一步減小傳輸時延，提高網(wǎng)絡運營效率，提高業(yè)務分發(fā)/傳送能力，優(yōu)化/改善終端用戶體驗，滿足行業(yè)用戶在數(shù)字化變革過程中對業(yè)務實時、智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。這與5G網(wǎng)絡拓展垂直行業(yè)、面向服務的理念高度吻合，邊緣計算作為5G原生功能將有助于實現(xiàn)應用本地化、內容分布化和計算邊緣化。

1.1 面向5G的邊緣計算為運營商提供了一個系統(tǒng)化解決方案

邊緣計算相關標準在4G網(wǎng)絡部署初期并未被考慮，歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）把移動網(wǎng)絡和邊緣計算的融合留給廠商實現(xiàn)也導致邊緣計算方案各有不同。4G邊緣計算以最小化網(wǎng)絡影響為設計出發(fā)點，方案具有局限性。5G邊緣計算由5G核心網(wǎng)（5GC）、邊緣計算平臺和用戶設備（UE）協(xié)同實現(xiàn)，滿足邊緣場景下的計費、合法偵聽、移動性管理和服務質量（QoS）需求。

為了更好地發(fā)揮邊緣計算系統(tǒng)的能力，5G邊緣計算借鑒了ETSI對邊緣計算的參考架構和成熟理念，讓用戶平面功能（UPF）作為數(shù)據(jù)面錨點成為ETSI與第3代合作伙伴計劃（3GPP）融合的關鍵點。在5G邊緣計算中3GPP定義了網(wǎng)絡架構，支持數(shù)據(jù)路由與能力開放;ETSI定義了平臺架構，邊緣計算平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（DN）和應用功能（AF）。

邊緣計算功能在初期的5G網(wǎng)絡中沒有專屬的網(wǎng)絡功能（NF），而是分散在接入和移動性管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）、網(wǎng)絡業(yè)務呈現(xiàn)功能（NEF）、AF、UPF的功能中。UPF的選擇與控制通過邊緣計算平臺與5G核心網(wǎng)（5GC）交互完成，邊緣計算業(yè)務受集中部署的5GC統(tǒng)一管理和控制。邊緣計算平臺作為5G網(wǎng)絡中的一個AF，通過NEF/PCF->SMF->UPF路徑管理PDU會話、控制策略設置，部署在邊緣計算平臺上的邊緣應用可以屬于一個或多個網(wǎng)絡切片[1，2]。

1.2 5G為邊緣計算提供了靈活可控的網(wǎng)絡能力

5G網(wǎng)絡采用C/U分離架構，用戶面通過按需分布式部署，實現(xiàn)流量的本地卸載，從而支持端到端毫秒級時延。

5G邊緣計算為本地流量卸載提供了3種方案：上行分流、IPv6多歸屬以及本地數(shù)據(jù)網(wǎng)。

（1）上行分流根據(jù)SMF下發(fā)的過濾規(guī)則，通過檢查數(shù)據(jù)包目的IP地址進行分流。上行分流方案中SMF決定在PDU會話中插入上行分類器（UL-CL）;UPF執(zhí)行具體流程，支持UL-CL功能的UPF按照SMF提供流量模板匹配業(yè)務流;UL-CL功能提供到不同PDU錨點的業(yè)務前傳和下行流量匯聚。該方案中1個PDU 會話僅1個IP地址（不考慮雙棧），終端地址可以不變，減少應用層的交互。該方案適用于訪問本地業(yè)務場景，如本地內容訪問企業(yè)網(wǎng)、增強移動寬帶（eMBB）場景本地分流業(yè)務、車聯(lián)網(wǎng)等，通常采用隧道方式。（2）IPv6多歸屬方案中分支點（BP）根據(jù)SMF下發(fā)的過濾規(guī)則，通過檢查數(shù)據(jù)包源IP地址進行分流。IPv6多歸屬主要解決1個PDU 會話、多個IPv6地址的問題。該方案適用于物聯(lián)網(wǎng)、高可靠性專網(wǎng)等場景;但由于要采用IPv6，目前實施難度較大。（3）本地數(shù)據(jù)網(wǎng)分流通過終端判斷自身位置，如終端處在本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（LADN）服務范圍，則發(fā)起攜帶LADN 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡名稱（DNN）的會話建立請求。

3種分流方式都需要UPF和5GC的參與，但對終端和網(wǎng)絡要求依次升高。

與此同時，5G網(wǎng)絡為滿足按需的業(yè)務連續(xù)性，定義了3種會話與業(yè)務連續(xù)性（SSC）模式，可以針對不同的邊緣計算業(yè)務保持PDU會話連接“錨點一直不斷” “先拆后建”或者“先建后拆”。針對車到萬物（V2X），如采用邊緣計算技術，終端移動會導致UPF的頻繁切換，此時SSC mode3模式可以在網(wǎng)絡域保障業(yè)務連接不斷。

1.3 能力開放和邊緣智能是5G邊緣計算的價值鏈延伸

5G邊緣計算能力開放包括網(wǎng)絡能力開放、信息技術（IT）資源開放以及管理開放。

網(wǎng)絡能力開放主要指網(wǎng)絡及用戶信息開放、業(yè)務及資源控制功能開放。例如，通過將移動用戶的位置信息開放，將人、物和數(shù)據(jù)之間的連接情景化，進一步拓展基于位置的精準營銷服務及室內定位業(yè)務;通過將無線小區(qū)的負載信息、鏈路質量的實時及統(tǒng)計信息、網(wǎng)絡吞吐量的實時及統(tǒng)計信息開放開始實現(xiàn)業(yè)務及網(wǎng)絡質量優(yōu)化。

5G邊緣計算的網(wǎng)絡能力開放通過平臺中間件獲取底層網(wǎng)絡信息，統(tǒng)一發(fā)送給NEF實現(xiàn)能力開放調度與分發(fā)，NEF再通過北向標準的Restful 應用程序編程接口（API）開放給第三方邊緣應用。邊緣應用將處理后的數(shù)據(jù)信息反饋給NEF，NEF基于服務化接口通過5GC下發(fā)給邊緣計算平臺及UPF執(zhí)行相關策略。

資源開放包括IT基礎資源的開放、管理。邊緣應用通過邊緣計算的云管理系統(tǒng)實現(xiàn)底層IT資源規(guī)劃部署、動態(tài)優(yōu)化和業(yè)務編排。另外，考慮到5G邊緣計算生態(tài)多樣性，邊緣計算還要提供圖形處理器（GPU）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等不同的硬件資源，同時還需疊加多種軟、硬件加速技術，提供端到端的加速能力，以便更好地支撐資源能力開放。

管理開放指5G邊緣計算管理系統(tǒng)通過對控制模塊進行路由策略設置，針對不同用戶、設備或者第三方的應用需求，實現(xiàn)對移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平面的控制。管理開放系統(tǒng)包括邊緣計算實例生命周期管理、邊緣計算平臺中間件的創(chuàng)建、消亡以及第三方調用授權。

邊緣能力開放需要實現(xiàn)邊緣計算平臺API的豐富和統(tǒng)一：豐富指需要業(yè)務豐富多樣，既能通過網(wǎng)絡能力API提供網(wǎng)絡能力，又能通過行業(yè)API提供應用輔助能力，有力地促進應用的創(chuàng)新;統(tǒng)一指接口標準統(tǒng)一，便于調用、易擴展、跨平臺，實現(xiàn)規(guī)?；б?。

5G網(wǎng)絡是一種技術的收斂、應用的發(fā)散。當邊緣應用場景海量參數(shù)無法依靠人工來優(yōu)化的時候，則必須依靠邊緣智能來解決?；?G、借助人工智能技術的邊緣智能是邊緣計算的更高價值體現(xiàn)：通過在5G網(wǎng)絡邊緣部署具有人工智能芯片的人工智能型邊緣計算平臺，提供面向5G本地業(yè)務應用的人工智能運算和分析能力，引入邊緣智能的5G邊緣計算將有助于提升運營商網(wǎng)絡智慧化和網(wǎng)絡自動化，進一步地延伸網(wǎng)絡價值鏈。當邊緣計算成為邊緣智能，可以使得邊緣系統(tǒng)具備自治自律的能力、自給自足的算力以及智能，并將使得邊緣應用擺脫“云計算”而相對獨立地進行運營。

2 5G邊緣計算部署關鍵問題

邊緣計算是個復雜的生態(tài)系統(tǒng)。5G邊緣計算的部署以應用為導向，受時延、帶寬、數(shù)據(jù)安全及邊緣基礎設施等因素影響，是滿足業(yè)務指標、兼顧投資效益和運維需求的均衡考慮。

2.1 業(yè)務需求和場景選擇是首要考慮因素

eMBB場景中的邊緣計算更多考慮個人用戶，針對大視頻類業(yè)務、流量密集區(qū)域，網(wǎng)絡和內容協(xié)同下沉。隨著5G標準進一步完善，以及垂直行業(yè)的拓展，5G邊緣計算開始在行業(yè)用戶發(fā)力，但對于行業(yè)和場景的選擇至關重要。無論是作為物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)關，還是與網(wǎng)絡切片結合提供可定制的專網(wǎng)服務，5G邊緣計算部署都需要充分考慮該業(yè)務場景的市場容量及網(wǎng)絡部署可行性。通過與特定行業(yè)的合作，加深對行業(yè)的理解，從行業(yè)邊緣業(yè)務向核心業(yè)務滲透，通過優(yōu)勢互補提升合作空間。目前智能制造、智慧城市、直播游戲和車聯(lián)網(wǎng)4個垂直領域對邊緣計算的需求最為明確[3] 。

2.2 網(wǎng)絡指標與投資效益需要均衡考慮

時延和帶寬是5G邊緣計算初期較為受關注的2個主要網(wǎng)絡指標。5G網(wǎng)絡通過引入新的空口和傳輸網(wǎng)絡技術，能夠直接減少網(wǎng)絡傳輸時延。5G邊緣計算通過部署在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間不同位置，可以不同程度地減少網(wǎng)絡中間層級，簡化網(wǎng)絡架構，能夠滿足低時延的業(yè)務要求，同時減少互動性需求對網(wǎng)絡時延累加效應的影響，增加網(wǎng)絡確定性。5G邊緣計算是網(wǎng)絡與內容的下沉，但減少回傳帶寬不僅僅是因為網(wǎng)絡結構的調整，還需要網(wǎng)絡與內容的協(xié)同。通過加大本地內容源引入、優(yōu)化卸載算法，可以有效提升邊緣節(jié)點對內容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）命中率，從而提高數(shù)據(jù)流量本地分流比例。

有限的自主性能夠保證邊緣計算系統(tǒng)相對的獨立，滿足行業(yè)用戶對邊緣應用的部分管理需求。安全和隱私保護也是邊緣計算部署中需要考慮的重要因素，邊緣場景中很多數(shù)據(jù)是企業(yè)保密信息、個人隱私或受到監(jiān)管的信息。通過網(wǎng)絡流量隔離、部署安全防護設備以及增加安全管理手段可以滿足邊緣場景對網(wǎng)絡安全的訴求。

但5G邊緣計算的部署并非是一味地滿足網(wǎng)絡指標，而是需要實現(xiàn)網(wǎng)絡性能與建設成本的平衡;沒有經濟效益的技術是難以持久的。因此5G邊緣計算并非越靠近網(wǎng)絡邊緣越好，有效降低用戶網(wǎng)絡使用成本也是5G邊緣計算部署需要考慮的重要因素。一方面，邊緣計算越靠近網(wǎng)絡接入側，中間環(huán)節(jié)就越少，從而用戶體驗就越好;另一方面，越靠近網(wǎng)絡邊緣，同時接入的用戶就會變少，網(wǎng)絡邊際效益降低，網(wǎng)絡管理復雜，總體成本上升。當數(shù)據(jù)僅在本地有價值時，邊緣計算能夠更近距離地處理和儲存原始數(shù)據(jù)，從而節(jié)約成本。當需要處理海量數(shù)據(jù)時，5G邊緣計算通過本地分析和過濾能夠減少送往數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量，這不僅降低了組網(wǎng)成本，而且為更重要的流量處理保留了有限的網(wǎng)絡帶寬。

2.3 邊緣基礎設施是5G邊緣計算部署的前提和重要保障

邊緣基礎設施是5G邊緣計算部署的重要載體，包括邊緣機房、邊緣配套網(wǎng)絡、邊緣計算服務器等。

相較于運營商集中化的核心機房，邊緣機房在溫度、承重、可用性和供電等諸多方面均存在較大差異。根據(jù)邊緣計算在運營商網(wǎng)絡中部署的位置，邊緣機房主要包括地市核心機房、重要匯聚機房、普通匯聚機房和站點機房。其中前2類機房條件相對較好，5G邊緣計算可以考慮使用通用硬件服務器，部署完整的組網(wǎng)及管理設備，實現(xiàn)不同流量物理隔離。機房單機柜則建議按照3～5 kW考慮空調散熱設計，并優(yōu)選使用高功率密度電源設備以便節(jié)省占地面積。對于機房條件受限和改造相對困難的普通傳輸機房和站點接入機房，可以考慮定制化的高密度組件硬件服務器，例如多核中央處理器（CPU）（≥16核）、大容量內存以及大容量固態(tài)存儲器（如SSD、Flash）。同時，邊緣計算服務器應具備低功耗能（<500 W），可以支持更寬的溫度范圍，支持無風扇散熱能力，并能夠降低散熱要求。目前行業(yè)聯(lián)合推出的開放電信IT基礎設施（OTII）服務器方案就是一種積極的探索嘗試。

5G邊緣計算需要網(wǎng)絡支持三層路由，UPF需要通過IP專網(wǎng)接受5GC的統(tǒng)一管理。當部署在區(qū)縣一級或更接近邊緣側時，UPF和邊緣平臺近期可通過切片分組網(wǎng)（SPN）/分組傳送網(wǎng)（PTN）或建立專線方式接入IP專網(wǎng)，遠期需要考慮承載網(wǎng)邊界的下移。

5G邊緣計算硬件服務器可以采用以數(shù)據(jù)存儲為主的存儲型平臺、以數(shù)據(jù)處理為主的計算型平臺，以及兼顧數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲的綜合平臺。針對不同的業(yè)務場景，服務器也可以采用不同的處理架構，Intel和ARM分別側重網(wǎng)絡側及現(xiàn)場級邊緣計算：X86設備側重網(wǎng)絡側邊緣云，嵌入式系統(tǒng)側重現(xiàn)場級邊緣智能。邊緣存儲有本地存儲、磁盤陣列和分布式存儲（含VIM內置）多種方案。邊緣存儲方案根據(jù)業(yè)務場景確定存儲服務器類型和架構，并結合邊緣機房空間、溫度、承重等條件，進行功耗、尺寸、硬盤選擇、接口類型等典配選擇與制定。同時，根據(jù)業(yè)務特點對部分功能、性能、可靠性進行增強。為避免對單一架構的過度依賴，邊緣服務器應鼓勵基于不同處理架構的自研設備。但無論采用何種平臺和架構，5G邊緣計算基礎設施都應該以開放、標準的云計算平臺為基礎，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡共平臺部署，快速簡單地為第三方應用搭建業(yè)務環(huán)境。、

2.4 運營模式和管理需要在5G邊緣計算部署過程中逐步完善

從云計算角度理解5G邊緣計算的運營，存在基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）等不同模式。運營商可以提供本地分流服務、邊緣機房出租、邊緣硬件基礎設施、統(tǒng)一IaaS能力、PaaS能力等不同的服務。運營商可以通過建設基礎IaaS能力+通用PaaS平臺+第三方行業(yè)PaaS能力的方式，對不同企業(yè)客戶提供不同商業(yè)模式。例如，針對大型企業(yè)可以提供網(wǎng)絡能力+基礎IaaS能力方式按需建設;針對中小型企業(yè)和自有業(yè)務可以通過邊緣網(wǎng)絡+IaaS+PaaS平臺的方式統(tǒng)一部署和規(guī)劃。

邊緣節(jié)點存在電信業(yè)務、IT類應用、邊緣支撐及管理等多類業(yè)務，對應的運營實體可能不一致。而組織架構會影響技術架構，因此運營組織架構的調整需要在5G邊緣計算的部署中優(yōu)先考慮，并在后續(xù)運維中不斷優(yōu)化。

5G邊緣計算的管理可以采用“集中+分布”的方式部署：在地市級邊緣節(jié)點統(tǒng)一部署邊緣節(jié)點管理平臺，負責業(yè)務分發(fā)、部署、升級、統(tǒng)一門戶和資源視圖等操作?？紤]到區(qū)縣以下邊緣節(jié)點資源有限，無論是業(yè)務管理還是資源管理，開銷都不宜過大。IaaS可以采用輕量化OpenStack、軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和容器技術;PaaS僅提供基本的運維環(huán)境和運維工具，支持協(xié)議轉換、異構網(wǎng)絡接入、數(shù)據(jù)采集等功能。同時，還需要考慮邊緣節(jié)點無人值守情況下的遠程維護。

5G邊緣計算存在混合云部署的情況，而目前網(wǎng)絡功能虛擬化管理和編排（MANO）更多地聚焦在電信網(wǎng)絡;因此對于部署在邊緣的第三方PaaS平臺及第三方應用的管理仍需要進一步探索和完善。

3 結束語

邊緣網(wǎng)絡已成為信息產業(yè)爭奪的一個重要領域。面向5G的邊緣計算提供無線通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合應用平臺，開拓新的業(yè)務領域，增加新的收入?？煽康?G網(wǎng)絡接入能力、靈活可控的網(wǎng)絡和平臺能力、分布廣泛的邊緣基礎設施是運營商切入邊緣計算的重要抓手。通過規(guī)模優(yōu)勢降低使用成本，運營商能夠以專業(yè)的網(wǎng)絡運維和管理能力、更加開放的平臺能力在邊緣場景提供經濟高效的網(wǎng)絡服務。

面向5G的邊緣計算，運營商天然具備網(wǎng)絡能力，并體現(xiàn)了連接的價值。運營商需要積極拓展平臺能力，實現(xiàn)“大中臺”的部署，不斷提升控制的價值。未來，運營商還需要引領行業(yè)能力，推動生態(tài)繁榮和云網(wǎng)協(xié)同，發(fā)揮融合和開放的價值。

針對5G邊緣基礎設施規(guī)劃，建議采用點面結合，針對地市核心/骨干匯聚機房，“全面”啟動基礎設施儲備，并基于通用硬件平臺和用戶面下沉，發(fā)揮網(wǎng)絡+內容的協(xié)同優(yōu)勢，快速構建邊緣計算能力;針對站“點” 機房，則要按需進行資源規(guī)劃，深入理解行業(yè)，拓展5G邊緣新興業(yè)務，建立新的產業(yè)鏈和生態(tài)圈。

參考文獻

[1] 3GPP. Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System; Stage 2（Release 15）;V15.1.0： 3GPP TS 23.501 [S]. 2018

[2] 3GPP. Technical Specification Group Services and System Aspects; Procedures for the 5G System; Stage 2（Release 15）;V15.1.0： 3GPP TS 23.502 [S]. 2018

[3] 中國移動邊緣計算技術白皮書[R]. 中國移動邊緣計算開放實驗室， 2019

[4] ETSI. Mobile Edge Computing （MEC） Terminology[EB/OL].（2016-12-23）[2019-04-20]. http： //www.etsi.org/deliver/etsi_gs/MEC/001_099/001/01.01.01_60/gs_MEC001v010101p.pdf

作者簡介

馬洪源，中國移動通信集團設計院有限公司網(wǎng)絡所高級咨詢設計師;主要從事網(wǎng)絡咨詢、規(guī)劃和工程設計工作，在移動通信核心網(wǎng)、NFV 、IMS、5G、邊緣計算等領域積累了豐富的咨詢設計和研究經驗;發(fā)表論文10余篇。