5G邊緣計(jì)算技術(shù)及應(yīng)用展望

王江超

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著5G技術(shù)的推廣應(yīng)用，邊緣技術(shù)將得到長(zhǎng)足發(fā)展。它能夠滿足因行業(yè)變革而激增的數(shù)字化和智能化需求，并在保護(hù)用戶安全隱私的基礎(chǔ)上優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的智能優(yōu)化。作為近運(yùn)算概念，邊緣技術(shù)能夠有效開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，并與5G時(shí)代的云計(jì)算和智能網(wǎng)等平臺(tái)相連接，構(gòu)建1種全新的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)和服務(wù)體系，為相關(guān)的運(yùn)營(yíng)商、制造商以及第三方公司帶來(lái)新的運(yùn)營(yíng)模式?；?G技術(shù)的邊緣計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展，為社會(huì)變革帶來(lái)了無(wú)限可能[1-3]。

1 邊緣計(jì)算技術(shù)概述

邊緣計(jì)算技術(shù)通過(guò)靠近數(shù)據(jù)源的方式來(lái)開(kāi)展內(nèi)網(wǎng)運(yùn)算，并及時(shí)將運(yùn)算的數(shù)據(jù)回傳到云端供用戶使用。這種計(jì)算和回傳方式極大地降低了數(shù)據(jù)往返云端的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)成本，是當(dāng)代智能化運(yùn)算和密集型計(jì)算的重要形式。在就近的網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器支持下，核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)的負(fù)擔(dān)將會(huì)大幅降低，緩解了網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。邊緣參考架構(gòu)如圖1所示。從宏觀的角度看，它主要包含網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)平臺(tái)以及網(wǎng)管系統(tǒng)3方面內(nèi)容[4]。

圖1 邊緣計(jì)算技術(shù)參考架構(gòu)

邊緣計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)是承載邊緣應(yīng)用的重要服務(wù)平臺(tái)，更接近用戶側(cè)，承載的功能主要視具體的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算情況和用戶需求決定。根據(jù)用戶需求、使用場(chǎng)景、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件以及流量變化等提供定制化服務(wù)，進(jìn)而優(yōu)化用戶體驗(yàn)。邊緣計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)包括移動(dòng)邊緣系統(tǒng)層和移動(dòng)邊緣服務(wù)器層2部分。移動(dòng)邊緣系統(tǒng)層是指運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)或者子網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行各類(lèi)邊緣應(yīng)用需要的邊緣主機(jī)和邊緣管理實(shí)體的集合。移動(dòng)邊緣服務(wù)器層主要包含移動(dòng)邊緣服務(wù)器和移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理，工作任務(wù)是提供相應(yīng)的移動(dòng)邊緣服務(wù)，包括邊緣廣告、消費(fèi)服務(wù)以及完成業(yè)務(wù)注冊(cè)并提供相應(yīng)管理等[5]。

邊緣網(wǎng)絡(luò)是指接入用戶的最后一段網(wǎng)絡(luò)，主要包括匯聚層網(wǎng)絡(luò)和接入層網(wǎng)絡(luò)。作為邊緣計(jì)算技術(shù)的重要組成部分，邊緣網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)，并為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。例如，它為接入的運(yùn)營(yíng)商提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)接入服務(wù)，同時(shí)能為用戶提供寬帶、業(yè)務(wù)管理以及接入控制等計(jì)費(fèi)服務(wù)，以滿足用戶對(duì)基礎(chǔ)功能之外的其他需求。專(zhuān)線業(yè)務(wù)為大用戶提供出租電路或帶寬。邊緣網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)營(yíng)商服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)最激烈的部分。

2 業(yè)務(wù)發(fā)展分析

隨著5G邊緣計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富。在充分促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ)上，邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)以其諸多優(yōu)勢(shì)為運(yùn)營(yíng)商、現(xiàn)代智能制造、互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算以及互聯(lián)網(wǎng)用戶提供了個(gè)性化服務(wù)，為現(xiàn)代企業(yè)和工廠園區(qū)等提供了相應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)服務(wù)，如智慧辦公系統(tǒng)和智慧工廠建設(shè)等。在優(yōu)化內(nèi)容和提升用戶體驗(yàn)方面，邊緣計(jì)算能夠通過(guò)流量分析場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻內(nèi)容的優(yōu)化，在節(jié)省傳輸資源的基礎(chǔ)上提升用戶體驗(yàn)。邊緣計(jì)算技術(shù)廣泛應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等多個(gè)場(chǎng)景中，推動(dòng)了現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，如前沿的自動(dòng)駕駛、機(jī)器人操作以及智慧服務(wù)等[6]。

3 面向5G的邊緣計(jì)算技術(shù)

3.1 邊緣計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

通過(guò)統(tǒng)一部署邊緣計(jì)算配套設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS），提高了邊緣計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)了資源共享，有助于快速開(kāi)展各類(lèi)業(yè)務(wù)活動(dòng)，營(yíng)造良好的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行生態(tài)。邊緣計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)承載了重要業(yè)務(wù)，更加靠近用戶側(cè)。日常工作運(yùn)行主要依托于用戶的現(xiàn)實(shí)需求，在部署平臺(tái)位置時(shí)考慮該區(qū)域具體的運(yùn)營(yíng)需求，如部署在無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過(guò)計(jì)算服務(wù)器收集開(kāi)放的實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)分析等感知用戶需求，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)條件的變化提供針對(duì)性的服務(wù)。該運(yùn)營(yíng)模式有助于應(yīng)對(duì)各種業(yè)務(wù)流量變化的場(chǎng)景，在提高運(yùn)營(yíng)商服務(wù)效率的基礎(chǔ)上優(yōu)化用戶體驗(yàn)，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。針對(duì)不同用戶群體的需求，探索多樣化和個(gè)性化的業(yè)務(wù)類(lèi)型，并堅(jiān)持構(gòu)建高效的移動(dòng)邊緣系統(tǒng)層和服務(wù)器層工作體系，以完成外部節(jié)點(diǎn)部署與需求響應(yīng)工作。

邊緣計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施是其工作部署的重要基礎(chǔ)和載體。邊緣計(jì)算由底層到上層主要包括機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施、IaaS設(shè)施、平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）以及軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）等。其中：機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施重點(diǎn)涵蓋的有計(jì)算體系部署所需要的電源、機(jī)房以及機(jī)柜等；IaaS設(shè)施主要涵蓋的有虛擬網(wǎng)絡(luò)（交換機(jī)）、計(jì)算資源（存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)）、存儲(chǔ)資源（計(jì)算節(jié)點(diǎn)）以及加速器（硬件加速器）等，主要用來(lái)完善相關(guān)云化的基礎(chǔ)設(shè)施，完成計(jì)算機(jī)邊緣化任務(wù)；PaaS平臺(tái)涵蓋移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）、MEC應(yīng)用以及無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)-中央單元（Radio Access Network-Central Unit，RAN-CU）4個(gè)內(nèi)容，能夠?yàn)樯蠈犹峁┮欢ǖ钠脚_(tái)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信，是重要的關(guān)鍵賦能模塊；SaaS應(yīng)用涵蓋面比較廣，能夠?qū)崿F(xiàn)指揮制造、搭建智慧城市、智慧港口以及便利性服務(wù)等，為人們提供各種便利性服務(wù)[8]。邊緣計(jì)算體系布置架構(gòu)如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算體系部署架構(gòu)

3.2 邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)平臺(tái)應(yīng)用程序接口

為了更好地引入邊緣計(jì)算服務(wù)器，在部署邊緣計(jì)算平臺(tái)時(shí)需要合理選擇和引入新接口，以完成數(shù)據(jù)分流和信息處理工作，提高邊緣計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算效率。邊緣計(jì)算平臺(tái)主動(dòng)向第三方應(yīng)用提供相應(yīng)的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API），以適應(yīng)不同工作場(chǎng)景的需求。一是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)接口，主要向連接的邊緣應(yīng)用和平臺(tái)提供網(wǎng)絡(luò)信息，如收集的網(wǎng)絡(luò)用戶統(tǒng)計(jì)信息。二是位置信息服務(wù)接口，能夠提供特定連接小區(qū)的身份標(biāo)識(shí)號(hào)（Identity Document，ID）和地理位置等信息，或者與此邊緣計(jì)算平臺(tái)相連接的基站信息。三是帶寬管理服務(wù)接口，負(fù)責(zé)管理和分配區(qū)域帶寬，提供相應(yīng)的服務(wù)。充分依托平臺(tái)側(cè)獲取的信息開(kāi)展API接口管理，有利于優(yōu)化用戶服務(wù)[9]。

4 基于邊緣計(jì)算的接入網(wǎng)絡(luò)切片

邊緣計(jì)算服務(wù)器部署位置與用戶地理位置存在距離，因而在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定時(shí)延，無(wú)法滿足每個(gè)用戶需求。在核心網(wǎng)切片中，邊緣計(jì)算服務(wù)器部署的位置距離用戶較遠(yuǎn)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)延，無(wú)法滿足部分應(yīng)用對(duì)低時(shí)延特性的需求。此外，龐大的數(shù)據(jù)流量和多樣化的業(yè)務(wù)類(lèi)型會(huì)影響邊緣計(jì)算服務(wù)器工作，因此提出了接入網(wǎng)絡(luò)切片概念。接入網(wǎng)絡(luò)切片充分利用了邊緣網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算存儲(chǔ)和傳輸能力，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行本地處理，在降低時(shí)延的基礎(chǔ)上快速響應(yīng)用戶需求，有效降低了核心網(wǎng)絡(luò)的消耗。根據(jù)不同的使用場(chǎng)景和工作模式，接入網(wǎng)絡(luò)切片的類(lèi)型十分豐富，需依照相應(yīng)的信息感知和數(shù)據(jù)挖掘工作合理選擇，進(jìn)而接入網(wǎng)絡(luò)切片編排器。

5 未來(lái)發(fā)展展望

5.1 5G邊緣計(jì)算場(chǎng)景需求

雖然邊緣計(jì)算的概念明確提出了很多年，社會(huì)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求也一直存在，但直至今日才變成網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，原因是5G技術(shù)的提高、項(xiàng)目需求和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)推動(dòng)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，促使邊緣計(jì)算技術(shù)不斷成熟。它的用戶群體從以往的大用戶過(guò)渡到個(gè)人用戶和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)層面。具體的使用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)類(lèi)型的變化將是邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)踐運(yùn)用和發(fā)展的關(guān)鍵變化，大視頻類(lèi)業(yè)務(wù)和流量密集區(qū)域等將實(shí)現(xiàn)下沉發(fā)展，以持續(xù)推動(dòng)行業(yè)變革。當(dāng)前5G邊緣計(jì)算技術(shù)的場(chǎng)景需求是其發(fā)展的重要因素，在充分考慮該行業(yè)的業(yè)務(wù)類(lèi)型發(fā)展容量和前景的基礎(chǔ)上，考慮工作部署的合理性，最終實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)與邊緣計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同發(fā)展進(jìn)步[10]。

5.2 5G邊緣應(yīng)用時(shí)延因素分析

因邊緣網(wǎng)絡(luò)本身的性質(zhì)，它的具體應(yīng)用與用戶需求之間難免存在時(shí)延。為了提高邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用效率，未來(lái)相關(guān)技術(shù)研究將著眼于應(yīng)用時(shí)延因素分析，通過(guò)對(duì)不同需求場(chǎng)景、用戶類(lèi)型以及邊緣計(jì)算服務(wù)器等工作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析查找時(shí)延原因，并減少時(shí)延，提升邊緣計(jì)算技術(shù)的時(shí)效性。

通常情況下，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延是多樣化的，有空口時(shí)延、網(wǎng)關(guān)時(shí)延以及邊緣計(jì)算時(shí)延等。5G邊緣時(shí)延如圖3所示。由接入機(jī)房、普通匯聚機(jī)房、重要匯聚機(jī)房以及核心機(jī)房組成系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)，每一環(huán)節(jié)包含對(duì)應(yīng)的邊緣應(yīng)用。接入和匯聚環(huán)節(jié)主要由小型設(shè)備組成，其余由大型設(shè)備組成?？紤]UPF需進(jìn)行必要的計(jì)算和監(jiān)聽(tīng)，可參考分組核心演進(jìn)（Evolved Packet Core，EPC）網(wǎng)關(guān)，合理設(shè)定網(wǎng)關(guān)延時(shí)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延模型分析示意

在充分參考業(yè)務(wù)選擇和計(jì)算需求的基礎(chǔ)上，5G邊緣計(jì)算技術(shù)可選擇多樣的服務(wù)器。例如：可以定制邊緣計(jì)算的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速；在涉及大塊數(shù)據(jù)處理或開(kāi)展并行計(jì)算時(shí)，使用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）開(kāi)展計(jì)算。5G背景下的邊緣計(jì)算時(shí)延大幅降低，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性低至1 ms。8K播放和360 ℃ 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）體驗(yàn)等意味著5G技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到前所未有的程度，還包括遠(yuǎn)程手術(shù)和無(wú)人自動(dòng)駕駛等。邊緣計(jì)算的低時(shí)延意味著相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)獲得更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從制造業(yè)到服務(wù)業(yè)將掀起一股新的改革浪潮。因?yàn)閷?shí)際的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延通常遠(yuǎn)超模型分析，所以應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)的空口環(huán)境、數(shù)據(jù)傳送以及排隊(duì)等狀況，采用網(wǎng)絡(luò)功能下沉降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，或者采用新的空口技術(shù)降低時(shí)延等。

6 結(jié) 論

5G技術(shù)下的邊緣計(jì)算有著良好的發(fā)展前景。5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和推廣為邊緣技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了良好契機(jī)，大量新需求的涌現(xiàn)推動(dòng)5G邊緣計(jì)算技術(shù)朝著更邊緣和更大規(guī)模發(fā)展。在此背景下，大量資金、技術(shù)以及能源等投入5G邊緣技術(shù)研究工作。在相關(guān)運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及高精制造產(chǎn)業(yè)的共同努力下，邊緣計(jì)算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、邊緣基礎(chǔ)設(shè)施以及邊緣平臺(tái)將不斷進(jìn)步和完善，會(huì)在更多行業(yè)中煥發(fā)生機(jī)，并為大眾持續(xù)提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。未來(lái)邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展內(nèi)容將主要集中在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)上，同時(shí)將更加注重與其他新興業(yè)務(wù)的結(jié)合。邊緣計(jì)算的社會(huì)影響力將持續(xù)提升，最終打造邊緣計(jì)算的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展變革。