面向5G Advanced的智能邊緣網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

李 巖，周 彧，倪 慧，楊艷梅，朱方園

(華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的技術(shù)演進(jìn)基本遵循十年一代的規(guī)律，當(dāng)前5G技術(shù)依然處于持續(xù)演進(jìn)的狀態(tài)，3GPP在2021年4月正式將5G演進(jìn)的名稱確定為5G Advanced。5G演進(jìn)擴(kuò)展了三大新場(chǎng)景，包括實(shí)時(shí)寬帶交互(Real Time Broadband Communication，RTBC)，打造身臨其境的沉浸式體驗(yàn)；通信感知一體(Harmonized Communication and Sensing，HCS)，助力自動(dòng)駕駛發(fā)展；上行超寬帶(Uplink Centric Broadband Communication，UCBC)，加速行業(yè)智能化升級(jí)。

5G演進(jìn)新業(yè)務(wù)拓展，面向行業(yè)服務(wù)的模式興起，網(wǎng)絡(luò)面臨新的挑戰(zhàn)：

① 時(shí)延：RTBC場(chǎng)景中擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(eXtended Reality,XR)、全息等業(yè)務(wù)需要沉浸式體驗(yàn)，平均接入速率及時(shí)延從當(dāng)前4K的約120 Mbit/s@20 ms提升到未來16K的約1 Gbit/s @8 ms，交互時(shí)延進(jìn)一步降低；

② 容量：5G單小區(qū)僅支持個(gè)位數(shù)4K Cloud XR用戶，RTBC場(chǎng)景在給定時(shí)延和可靠性要求下的帶寬提升10倍，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提出更大要求；

③ 算力：HCS從車聯(lián)網(wǎng)和無人機(jī)兩大場(chǎng)景切入，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模天線陣列(Massive Multiple-Input Multiple-Output，Massive MIMO)的波束掃描技術(shù)應(yīng)用于感知領(lǐng)域，5G系統(tǒng)既能夠提供通信，又能夠提供感知，室內(nèi)場(chǎng)景還可提供定位服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)需要具備靈活部署、智能選擇、多站多維感知、信息融合計(jì)算能力，以及支持快速環(huán)境構(gòu)建等感知算力。

應(yīng)對(duì)類似挑戰(zhàn)，移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)從3G/4G時(shí)代就已經(jīng)起步，然而典型移動(dòng)寬帶(Mobile Broadband，MBB)業(yè)務(wù)所需的時(shí)延在應(yīng)用部署到地市級(jí)即可滿足，邊緣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步下沉缺乏業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)，更缺乏商業(yè)驅(qū)動(dòng)。5G演進(jìn)的新挑戰(zhàn)下，勢(shì)必加速智能化移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)的部署，并進(jìn)化出兩個(gè)基本特征：

① 公專合一，智能選路：同時(shí)滿足大公網(wǎng)場(chǎng)景下靈活分布式邊緣部署，以及專網(wǎng)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)邊緣部署，在大幅降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延同時(shí)智能選擇業(yè)務(wù)流的最優(yōu)路徑，減少迂回，保障移動(dòng)場(chǎng)景下業(yè)務(wù)無縫切換；

② 算網(wǎng)協(xié)同，融合計(jì)算：為了提升網(wǎng)絡(luò)容量，網(wǎng)絡(luò)需要感知RTBC業(yè)務(wù)特征，從而實(shí)現(xiàn)基于人工智能(Artificial Intelligence，AI)、語義的信源信道“編-傳”深度結(jié)合，數(shù)據(jù)壓縮；通過業(yè)務(wù)流差異化傳輸、幀粒度完整性傳輸?shù)葘?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高效傳輸。針對(duì)HCS業(yè)務(wù)，感知、定位和通信融合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)一網(wǎng)多用，架構(gòu)需支持感知和定位功能按需部署，本地化快速構(gòu)建，高效融合計(jì)算，提升全場(chǎng)景定位能力。

本文基于5G邊緣網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)演進(jìn)脈絡(luò)，針對(duì)5G演進(jìn)新場(chǎng)景提出了兩個(gè)前沿研究方向。一方面是網(wǎng)絡(luò)自身能力的不斷突破，包括使能邊緣網(wǎng)絡(luò)廣泛部署的應(yīng)用無縫遷移、運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)互通等關(guān)鍵技術(shù)；另一方面是使能通信感知一體化、天地一體化、智慧內(nèi)生等新業(yè)務(wù)[1]帶來的邊緣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)。

1 5G智能邊緣網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

為了滿足如圖1所示的5G階段以及5G演進(jìn)階段各種新的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，5G網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初就在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議上進(jìn)行了增強(qiáng)，以連接邊緣網(wǎng)絡(luò)；與此同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)還在持續(xù)不斷地定義新的邊緣網(wǎng)絡(luò)功能來輔助邊緣應(yīng)用，使得邊緣業(yè)務(wù)從“基本可用”變成“好用、易用”。

圖1 5G Advanced愿景：構(gòu)建美好智能世界Fig.1 5G Advanced vision: building a better and intelligent world

5G演進(jìn)與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)定義了更加清晰的邊緣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能，3GPP標(biāo)準(zhǔn)討論的范圍涉及到如表1所示的工作組，并制定了相關(guān)規(guī)范，有助于構(gòu)建開放的邊緣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，達(dá)成產(chǎn)業(yè)共識(shí)。

表1 邊緣網(wǎng)絡(luò)相關(guān)3GPP工作組

5G邊緣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)路線大致可分為兩個(gè)階段：

① 5G階段(3GPP R15～R17)：主要解決業(yè)務(wù)從中心云遷移到邊緣網(wǎng)絡(luò)時(shí)遇到的問題，提供連接邊緣網(wǎng)絡(luò)以及發(fā)現(xiàn)邊緣業(yè)務(wù)(Edge Application Server, EAS)等基礎(chǔ)能力，針對(duì)場(chǎng)景主要是傳統(tǒng)業(yè)務(wù)部署在單點(diǎn)邊緣網(wǎng)絡(luò)(如園區(qū))。在這一階段5G核心網(wǎng)將控制面和用戶面分離，用戶面功能可以靈活地部署在不同位置的邊緣網(wǎng)絡(luò)并建立轉(zhuǎn)發(fā)路徑。同時(shí)定義了邊緣服務(wù)器發(fā)現(xiàn)功能(Edge Application Server Discovery Function ,EASDF)、邊緣配置服務(wù)器(Edge Configuration Server ,ECS)、邊緣使能服務(wù)器(Edge Enabler Server ,EES)等新網(wǎng)元，可以結(jié)合終端位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞容o助終端發(fā)現(xiàn)邊緣業(yè)務(wù)，提供最佳業(yè)務(wù)體驗(yàn)。圖2為當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]定義的與邊緣網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能，其提供的關(guān)鍵技術(shù)將在第2節(jié)做進(jìn)一步介紹。

② 5G Advanced階段(3GPP R18& later)：主要解決新業(yè)務(wù)(如基于云的虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、車聯(lián)網(wǎng)等)部署到多個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)后的業(yè)務(wù)體驗(yàn)的連續(xù)性問題。在這一階段5G網(wǎng)絡(luò)需要提供跨邊緣網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)無縫遷移技術(shù)，使能業(yè)務(wù)在多運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)部署，同時(shí)隨著5G網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)一步提升，如感知能力、智能能力等，這些能力可以作為中間件提供給邊緣業(yè)務(wù)，以簡(jiǎn)化邊緣業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)邏輯。相關(guān)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)將在第3節(jié)詳細(xì)闡述。

圖2 5G邊緣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 5G edge network architecture

2 5G智能邊緣網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能邊緣路由技術(shù)

邊緣路由技術(shù)用于將用戶報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)邊緣位置進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以訪問部署在不同邊緣位置的邊緣業(yè)務(wù)服務(wù)器。5G系統(tǒng)提供了多種不同的連接模型，用于實(shí)現(xiàn)更靈活和智能的邊緣路由。按照分流的錨點(diǎn)UPF與會(huì)話的關(guān)系，可以分為分布式錨點(diǎn)、會(huì)話分流和多會(huì)話三類不同的連接模型，如圖3所示[2]。

圖3 邊緣網(wǎng)絡(luò)的連接模型Fig.3 Connectivity models for edge network

2.1.1 分布式錨點(diǎn)連接模型

5G網(wǎng)絡(luò)中的會(huì)話可以采用以下不同的業(yè)務(wù)連續(xù)性模式[4-5]。

模式1：會(huì)話建立后，錨點(diǎn)UPF始終保持不變；

模式2：網(wǎng)絡(luò)按需觸發(fā)會(huì)話的釋放，并指示UE建立到同一分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話連接；

模式3：網(wǎng)絡(luò)在釋放舊的分組數(shù)據(jù)單元會(huì)話(Packet Data Unit，PDU)之前，先建立到同一分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的PDU會(huì)話連接。

在上述不同業(yè)務(wù)連續(xù)性模式的會(huì)話中，模式1會(huì)話的錨點(diǎn)為集中式部署，而模式2和模式3均支持分布式錨點(diǎn)部署，即會(huì)話的錨點(diǎn)UPF位于網(wǎng)絡(luò)邊緣。對(duì)于模式2和模式3的會(huì)話，由于其錨點(diǎn)位置一般都較為靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣，因此所有的業(yè)務(wù)流量都能夠以較優(yōu)的路由路徑訪問邊緣業(yè)務(wù)。對(duì)于此類會(huì)話，其復(fù)雜性在于錨點(diǎn)需要隨用戶的移動(dòng)進(jìn)行遷移，以保持路徑的優(yōu)化。在錨點(diǎn)遷移期間，如何保持會(huì)話的連續(xù)性是需要考慮的關(guān)鍵問題。

對(duì)于模式2的PDU會(huì)話，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)判斷當(dāng)前錨點(diǎn)UPF距離過遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)釋放當(dāng)前PDU會(huì)話，并指示UE建立一個(gè)具有更優(yōu)路徑的PDU會(huì)話。由于模式2會(huì)話在錨點(diǎn)遷移過程中會(huì)出現(xiàn)會(huì)話中斷，因此主要適用于如網(wǎng)頁瀏覽、具有緩存能力的視頻點(diǎn)播等允許短暫連接中斷的應(yīng)用。

對(duì)于模式3的PDU會(huì)話，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)判斷當(dāng)前錨點(diǎn)UPF距離過遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)首先指示UE建立一個(gè)更優(yōu)路徑的PDU會(huì)話，再擇機(jī)釋放舊的PDU會(huì)話。在此過程中，由于新舊會(huì)話會(huì)共存一段時(shí)間，因此業(yè)務(wù)層可以通過多路傳輸控制協(xié)議(Multipath Transmission Control Protocol，MPTCP)，多路快速UDP互聯(lián)網(wǎng)連接協(xié)議(Multipath Quick UDP Internet Connection，MPQUIC)等多徑路由方式保持業(yè)務(wù)層連續(xù)性。

2.1.2 會(huì)話分流連接模型

采用會(huì)話分流模式時(shí)，PDU會(huì)話的錨點(diǎn)UPF仍然是集中式部署。但對(duì)于需要分流到邊緣的部分業(yè)務(wù)流，5G網(wǎng)絡(luò)可以將其從邊緣位置直接路由到邊緣服務(wù)器而不需要經(jīng)過集中錨點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)或終端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)策略，確定業(yè)務(wù)是否需要訪問邊緣業(yè)務(wù)，并按需選擇邊緣或集中的UPF進(jìn)行路由。該模式下，由于PDU會(huì)話的集中UPF保持不變，因此可以在保持PDU會(huì)話的同時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和用戶位置，動(dòng)態(tài)地插入、刪除和移動(dòng)邊緣UPF，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定業(yè)務(wù)的靈活路由。

2.1.3 多PDU會(huì)話連接模型

在一些更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)訪問場(chǎng)景中，5G終端可能需要同時(shí)訪問邊緣業(yè)務(wù)和非邊緣部署業(yè)務(wù)。這種情況下，5G網(wǎng)絡(luò)也支持UE按需建立多個(gè)錨點(diǎn)位于不同位置的PDU會(huì)話，在終端內(nèi)部根據(jù)業(yè)務(wù)路由策略，將不同的業(yè)務(wù)流量通過不同的PDU會(huì)話進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)按需的業(yè)務(wù)邊緣路由。

2.2 智能業(yè)務(wù)尋址技術(shù)

傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，終端IP地址通常錨定在Remote PSA上，DNS服務(wù)器無法根據(jù)終端IP地址就近選擇邊緣應(yīng)用。為了滿足業(yè)務(wù)時(shí)延需求和用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)還需要根據(jù)終端實(shí)際訪問業(yè)務(wù)的部署位置，為數(shù)據(jù)路由提供最優(yōu)的用戶面路徑。為解決該問題，5G引入EASDF功能實(shí)體，作為業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)的中樞，與SMF網(wǎng)元共同協(xié)作，不僅可以發(fā)現(xiàn)最佳的邊緣應(yīng)用，而且還能根據(jù)業(yè)務(wù)尋址動(dòng)態(tài)地分流業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)邊緣應(yīng)用的精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的智能轉(zhuǎn)發(fā)。如圖4所示，其實(shí)現(xiàn)流程為：

① SMF根據(jù)終端位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约斑吘墤?yīng)用部署的全域信息確定最佳邊緣應(yīng)用部署位置，并進(jìn)一步確定負(fù)責(zé)解析該應(yīng)用的Local DNS server。EASDF從SMF獲取Local DNS server的地址；

② EASDF將終端的DNS查詢請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至Local DNS server；

③ EASDF根據(jù)DNS響應(yīng)消息觸發(fā)SMF基于邊緣應(yīng)用的位置插入邊緣UPF，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接旁路到本地，優(yōu)化終端訪問邊緣應(yīng)用的路由路徑，保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

圖4 EASDF使能智能業(yè)務(wù)尋址Fig.4 Intelligent service discovery enabled by EASDF

3GPP同時(shí)考慮了無需修改網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)邊緣應(yīng)用尋址的實(shí)現(xiàn)方式，如圖5所示。這種模式是疊加在3GPP網(wǎng)絡(luò)之上，在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間插入了一個(gè)邊緣應(yīng)用使能中間層。該邊緣應(yīng)用使能中間層通過端、云交互的方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)尋址，并以軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit，SDK)或者應(yīng)用編程接口(Application Programming Interface，API)的方式向應(yīng)用層提供相關(guān)服務(wù)。這種模式的好處在于無需對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造，可以支持非運(yùn)營(yíng)商部署的邊緣業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

圖5 基于端側(cè)邊緣應(yīng)用使能SDK方式尋址Fig.5 Service discovery provided by SDK of edge application enabler client

圖5中的邊緣使能客戶端(Edge Enabler Client，EEC)，可以由操作系統(tǒng)或者第三方提供的SDK實(shí)現(xiàn)，并以API的方式向邊緣應(yīng)用客戶端(Application Client，AC )提供邊緣網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用尋址功能。相應(yīng)地，在云側(cè)，需要集中部署ECS，以及在每個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)部署EES。EES與邊緣應(yīng)用服務(wù)器關(guān)聯(lián)，存儲(chǔ)了邊緣應(yīng)用服務(wù)器的地址等配置和屬性信息。ECS的主要功能是根據(jù)終端的位置信息為終端選擇一個(gè)合適的邊緣網(wǎng)絡(luò)，以及部署在邊緣網(wǎng)絡(luò)的邊緣應(yīng)用使能平臺(tái)EES。

3 5G Advanced智能邊緣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)趨勢(shì)

3.1 無縫應(yīng)用遷移技術(shù)

為了滿足超低時(shí)延業(yè)務(wù)需求，邊緣網(wǎng)絡(luò)部署位置會(huì)靠近基站側(cè)，導(dǎo)致每個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是有限的，這就需要提供一種應(yīng)用服務(wù)器在邊緣網(wǎng)絡(luò)無縫遷移方案，以保障終端移出當(dāng)前邊緣網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍后仍能保持一致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。如圖6所示， 5G Advanced網(wǎng)絡(luò)在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層都做了增強(qiáng)，以簡(jiǎn)化應(yīng)用在邊緣網(wǎng)絡(luò)遷移的復(fù)雜性，從而減少業(yè)務(wù)遷移時(shí)的中斷時(shí)間。

圖6 5G advanced無縫應(yīng)用遷移網(wǎng)絡(luò)Fig.6 5G Advanced seamless application relocation network

切換零等待技術(shù)(物理層&鏈路層)[6-7]終端在5G基站切換時(shí)同時(shí)維持源基站和目標(biāo)基站之間的連接，在接入目標(biāo)基站過程中，終端仍在源基站收發(fā)報(bào)文，在確認(rèn)目標(biāo)基站切換成功后才停止和源基站的通信，解決了傳統(tǒng)切換在接入目標(biāo)基站時(shí)存在短暫業(yè)務(wù)中斷的問題。

IP地址轉(zhuǎn)換技術(shù)(網(wǎng)絡(luò)層)[2]應(yīng)用遷移后，其IP地址會(huì)發(fā)生變化，如果終端感知到這種變化就會(huì)觸發(fā)和邊緣業(yè)務(wù)重新連接，引入額外的建立時(shí)延。為了解決這個(gè)問題，當(dāng)終端連接到目標(biāo)邊緣網(wǎng)絡(luò)后，新的本地網(wǎng)關(guān)會(huì)對(duì)終端發(fā)送和接收的報(bào)文進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換以屏蔽對(duì)終端的影響。

傳輸層上下文遷移技術(shù)(傳輸層)絕大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基于TCP協(xié)議傳輸，而TCP協(xié)議具有狀態(tài)信息，為了解決TCP狀態(tài)信息在邊緣網(wǎng)絡(luò)遷移問題，5G Advanced邊緣網(wǎng)絡(luò)需要定義新的中間件服務(wù)使能架構(gòu)層服務(wù)器(Service Enabler Architecture Layer，SEAL)，作為TCP代理維護(hù)和終端之間的TCP上下文，終端遷移到目標(biāo)邊緣網(wǎng)絡(luò)時(shí)，SEAL服務(wù)器會(huì)同步事先TCP狀態(tài)遷移，終端不需要重新建立TCP連接。

通過以上增強(qiáng)技術(shù)，5G Advanced網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了“網(wǎng)隨流動(dòng)”，保障了網(wǎng)絡(luò)連接的無縫遷移?，F(xiàn)在應(yīng)用遷移是和終端移動(dòng)同步進(jìn)行，未來隨著網(wǎng)絡(luò)智能性的進(jìn)一步提升，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用上下文的預(yù)遷移技術(shù)，進(jìn)一步減少應(yīng)用遷移的時(shí)間。

3.2 跨運(yùn)營(yíng)商之間邊緣網(wǎng)絡(luò)互通技術(shù)

跨運(yùn)營(yíng)商的邊緣網(wǎng)絡(luò)互通主要解決的是當(dāng)終端發(fā)生跨運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)漫游時(shí)如何獲得邊緣業(yè)務(wù)服務(wù)的問題。當(dāng)用戶發(fā)生漫游時(shí)，可能會(huì)訪問歸屬運(yùn)營(yíng)商所提供的邊緣業(yè)務(wù)，也可能會(huì)訪問漫游運(yùn)營(yíng)商所提供的邊緣業(yè)務(wù)[8]。

如圖7所示，漫游終端可通過本地疏導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)接入方式接入歸屬運(yùn)營(yíng)商所提供的邊緣業(yè)務(wù)。這種模式假設(shè)歸屬運(yùn)營(yíng)商通過租用拜訪運(yùn)營(yíng)商邊緣資源的方式，為其簽約用戶提供邊緣業(yè)務(wù)的服務(wù)。

圖7 漫游用戶訪問拜訪運(yùn)營(yíng)商的邊緣業(yè)務(wù)平臺(tái)Fig.7 Services provided by visited edge enabler platform for roaming user

與邊緣網(wǎng)絡(luò)連接不同，漫游用戶連接ECS獲取EES信息往往在實(shí)際應(yīng)用訪問之前，對(duì)時(shí)延要求不那么敏感，因此可以假設(shè)UE通過歸屬地路由方式訪問歸屬網(wǎng)絡(luò)部署的ECS。技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，相對(duì)于非漫游場(chǎng)景，歸屬ECS需要識(shí)別用戶所在的漫游網(wǎng)絡(luò)位置信息，從而為其選擇位于漫游網(wǎng)絡(luò)的邊緣資源。

圖7還給出一種漫游用戶在漫游網(wǎng)絡(luò)訪問漫游網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的邊緣業(yè)務(wù)的情況。這種情況假設(shè)用戶采用本地疏導(dǎo)的方式連接到拜訪運(yùn)營(yíng)商提供的ECS和邊緣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)拜訪運(yùn)營(yíng)商提供的邊緣業(yè)務(wù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，相對(duì)于與非漫游場(chǎng)景，需要解決拜訪地ECS的地址獲取以及如何獲取歸屬運(yùn)營(yíng)商的授權(quán)的問題。

3.3 集成AI能力的邊緣網(wǎng)絡(luò)

由于邊緣網(wǎng)絡(luò)更靠近數(shù)據(jù)源，提供通用邊緣AI中間件能力，如語音圖像識(shí)別、機(jī)器視覺、自然語言處理等，可以更快地響應(yīng)用戶需求，同時(shí)大量數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)絡(luò)處理可以減輕云端的壓力。由于AI在訓(xùn)練階段需要大量的算力，一種自然的假設(shè)是，在云端完成訓(xùn)練，然后把模型下發(fā)到邊緣網(wǎng)絡(luò)，由邊緣網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行推理。但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中還存在以下挑戰(zhàn)：① 很多邊緣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)(如企業(yè)園區(qū))有強(qiáng)隱私性需求，不能直接把數(shù)據(jù)送到云端完成訓(xùn)練；② 邊緣網(wǎng)絡(luò)本身受環(huán)境約束算力有限等。為了解決上述問題，5G Advanced邊緣網(wǎng)絡(luò)需要提供如圖8所示的協(xié)同訓(xùn)練和推理技術(shù)。

圖8 邊緣AI架構(gòu)Fig.8 Edge AI architecture

協(xié)同訓(xùn)練邊緣網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)信息(包括5G網(wǎng)絡(luò)自身感知數(shù)據(jù)信息、終端信息、邊緣業(yè)務(wù)信息等)后，提取公用數(shù)據(jù)提供給3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能(Network Data Analytics Function，NWDAF)，由NWDAF訓(xùn)練基礎(chǔ)模型后分發(fā)給邊緣網(wǎng)絡(luò)的AI功能[9]，邊緣網(wǎng)絡(luò)AI功能通過基礎(chǔ)模型和隱私數(shù)據(jù)進(jìn)一步訓(xùn)練出邊緣模型。

協(xié)同推理在訓(xùn)練出邊緣模型后，可以基于模型的計(jì)算復(fù)雜度、邊緣網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力、終端計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量做模型分割。由于不同的模型分解會(huì)導(dǎo)致不同的推理時(shí)間，需要選擇最優(yōu)的切分點(diǎn)，在推理時(shí)間、計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源間達(dá)到均衡。

3.4 融合感知能力的邊緣網(wǎng)絡(luò)

通信感知一體化是5G Advanced的一個(gè)重要演進(jìn)方向，其目標(biāo)是在基站疊加支持通信以外的類似雷達(dá)的感知能力?；谶@個(gè)能力，運(yùn)營(yíng)商可以向用戶或者第三方提供增值服務(wù)(例如交通管控、無人機(jī)探測(cè)等場(chǎng)景提供環(huán)境感知和目標(biāo)追蹤服務(wù))。具體實(shí)現(xiàn)中，需要綜合考慮性能要求、法律法規(guī)、成本等因素：

① 高準(zhǔn)確、低時(shí)延的性能滿足。以感知能力重要應(yīng)用場(chǎng)景V2X為例，環(huán)境感知，尤其是危險(xiǎn)目標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性，以及相關(guān)信息獲取的及時(shí)性極大地決定了自動(dòng)駕駛等功能的可用性。需要考慮將多個(gè)基站的感知能力，甚至是不同類型的信息(例如攝像頭獲取的信息、車輛提供的相對(duì)位置信息，以及車載雷達(dá)探測(cè)到的信息等)進(jìn)行進(jìn)一步融合來提升感知性能。架構(gòu)上需要支持感算分離、多維信息融合。另一方面，為了確保信息獲取的及時(shí)性，需要如圖9所示的感算本地化部署。

② 感知功能需要滿足用戶隱私、環(huán)境安全要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮如何保護(hù)用戶隱私數(shù)據(jù)不會(huì)在未征得用戶同意下被泄露；同時(shí)為了確保信息流向的可管可控，需要對(duì)不同的信息訪問者執(zhí)行不同的訪問授權(quán)控制；此外，還需要考慮進(jìn)行感知探測(cè)時(shí)如何避開這些敏感區(qū)和探測(cè)禁止區(qū)。

③ 針對(duì)不同場(chǎng)景需求，提供剛剛好的性能/功能保障。不同感知精度對(duì)系統(tǒng)的開銷要求差異巨大，而不同場(chǎng)景對(duì)精度要求也不一樣，因此，系統(tǒng)需要提供按需配置、不同等級(jí)感知性能的服務(wù)。

綜上考慮，圖9給出一種支持感算分離以及多維信息融合的架構(gòu)示意圖。其中感知控制器(Sensing Controller)是負(fù)責(zé)從外部接收(端或者第三方應(yīng)用)感知任務(wù)需求，對(duì)需求任務(wù)進(jìn)行授權(quán)(過程中會(huì)考慮環(huán)境安全、隱私要求等要素)，按照需求生成基站感知探測(cè)控制命令?；景凑崭兄刂破鞯囊螅瑢?shí)施感知探測(cè)任務(wù)，并將探測(cè)到的數(shù)據(jù)上報(bào)部署在邊緣網(wǎng)絡(luò)的感知計(jì)算網(wǎng)元(Sensing Function)。感知計(jì)算網(wǎng)元可對(duì)來自多個(gè)基站的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算以提升感知性能，同時(shí)也可以結(jié)合從端側(cè)或者外部網(wǎng)絡(luò)輸入的其他維度信息進(jìn)一步融合計(jì)算，以彌補(bǔ)電磁波探測(cè)單維度獲取環(huán)境信息在分辨率等方面的不足。

圖9 邊緣感知架構(gòu)Fig.9 Edge sensing architecture

3.5 天地一體化的邊緣網(wǎng)絡(luò)

空天地一體化是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的關(guān)鍵方向之一?？仗斓匾惑w化系統(tǒng)既包含傳統(tǒng)的地面無線網(wǎng)絡(luò)，也包含低空飛行器和衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供的空基無線網(wǎng)絡(luò)。其中地面無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)人口稠密區(qū)的大容量網(wǎng)絡(luò)覆蓋，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以提供全球范圍內(nèi)廣域覆蓋，低空飛行器重點(diǎn)用于提供緊急突發(fā)的組網(wǎng)需求。通過上面不同物理特性網(wǎng)絡(luò)的融合，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更為靈活和泛在的無線覆蓋能力。在5G演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星的功能也逐漸從透明模式轉(zhuǎn)發(fā)演進(jìn)到再生模式轉(zhuǎn)發(fā)，從而使更復(fù)雜的邊緣轉(zhuǎn)發(fā)和處理成為可能。

在空天地一體化這樣一個(gè)異構(gòu)且高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)路由的優(yōu)化和時(shí)延穩(wěn)定性是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。與地面網(wǎng)絡(luò)不同，空基網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)(衛(wèi)星、低空飛行器等)的數(shù)據(jù)回傳依賴于饋電鏈路和星間鏈路等資源受限且時(shí)延不穩(wěn)定的傳輸資源。因此，在靠近接入節(jié)點(diǎn)的邊緣位置實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)路由或處理能夠有效地節(jié)省回傳鏈路資源并降低時(shí)延。但同時(shí)，考慮到空基網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)普遍對(duì)載荷的體積和能耗存在較強(qiáng)的約束，目前階段還難以直接部署高復(fù)雜性的邊緣計(jì)算能力。因此，在可預(yù)見的未來，空天地一體化系統(tǒng)的邊緣網(wǎng)絡(luò)部署可以通過3種模式實(shí)現(xiàn)。

模式1基于空基接入節(jié)點(diǎn)的邊緣路由。對(duì)于終端和終端間的通信傳輸，可以通過無人機(jī)、衛(wèi)星或者衛(wèi)星間鏈路在接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邊緣路由，而不需要經(jīng)由地面系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而減少路由時(shí)延和回傳饋電鏈路負(fù)載。

模式2基于空基接入節(jié)點(diǎn)的邊緣應(yīng)用部署。對(duì)于某些專用的空基系統(tǒng)，如遙感、氣象等衛(wèi)星星座，有可能將部分業(yè)務(wù)預(yù)處理能力直接部署在衛(wèi)星上，從而大幅降低回傳流量。

模式3基于地面的邊緣應(yīng)用部署。對(duì)于通用的空基通信系統(tǒng)，很難為某一類業(yè)務(wù)定制化機(jī)載或衛(wèi)星載荷；或者某些業(yè)務(wù)處理能力過于復(fù)雜，無法在空基接入節(jié)點(diǎn)上直接實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，業(yè)務(wù)服務(wù)器可以選擇部署在靠近地面信關(guān)站的位置，從而盡量降低地面?zhèn)鬏斠氲念~外業(yè)務(wù)時(shí)延。

圖10 天地一體化邊緣網(wǎng)絡(luò)部署模式Fig.10 Edge network deployment mode for integration of satellite-terrestrial networks

4 結(jié)束語

在5G演進(jìn)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)遇到時(shí)延、容量的性能瓶頸。智能邊緣網(wǎng)絡(luò)提供了連接加算力加新業(yè)務(wù)能力的基礎(chǔ)設(shè)施，一方面通過智能業(yè)務(wù)分流和尋址、業(yè)務(wù)無縫遷移技術(shù)加強(qiáng)了連接能力，更好地滿足了時(shí)延需求，提升了網(wǎng)絡(luò)自身能力的上限。 與此同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)保持整體松耦合基礎(chǔ)上，進(jìn)一步協(xié)同，有效提升了容量和處理效率，并提供分級(jí)控制機(jī)制，使能業(yè)務(wù)部署真正形成商業(yè)正循環(huán)。

然而在現(xiàn)實(shí)中，智能邊緣網(wǎng)絡(luò)的部署涉及到運(yùn)營(yíng)商、云商、企業(yè)、OTT等多方，除了技術(shù)要素外，能否形成產(chǎn)業(yè)共贏的生態(tài)更為重要，需要從標(biāo)準(zhǔn)、開源生態(tài)等多視角努力，希望本文從3GPP出發(fā)的思考能提供有價(jià)值的參考。