移動5G邊緣云策略及應用研究

陸顯安

（中國移動通信集團上海有限公司，上海 200061）

0 引 言

近年來，通信設備和使用者的數(shù)量大幅增長，移動運營商為了提高無線媒體的傳輸速率而不斷地擴展帶寬。由于5G的主要發(fā)展目標是增加傳輸速度、容量和可靠性，因此它將徹底地改變手機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式。同時還會影響觸覺因特網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模MIMO、機器人技術、自動駕駛汽車以及工業(yè)領域。它的超高速性能允許1 ms的延遲立即得到解決，這對于實時應用和無縫連接來說是非常關鍵的[1-2]。

5G技術允許多種網(wǎng)絡交互，無須考慮它們各自的特點，就能建立一個異質(zhì)無線網(wǎng)絡。但是這還沒有被主流的基礎架構所支持。第五代通信裝置的功率消耗很小，發(fā)送的Tx/Rx信號速率是10 Gb/s[3]。5G應用的首要目的是使生物與智能設備（機器、機器人）在任何時候都能相互聯(lián)系，并提供全面的服務。該技術為連接數(shù)以百萬計的物聯(lián)網(wǎng)裝置創(chuàng)造了一個環(huán)境。5G技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，可以使智慧城市成為現(xiàn)實。智能裝置可以在數(shù)百萬個裝置之間進行數(shù)據(jù)交換，并且具有很低的時延和費用。系統(tǒng)容量的增加、頻譜效率的增加以及能效的提升，將會提升使用者的體驗感與滿意度。小于6 GHz的低臺密度是高清晰度視頻流的關鍵，同時大規(guī)模機器類型通信（mMTC）的超可靠低延時通信（uRLLC）也是關鍵。而第五代技術恰好能夠幫助解決高傳輸速率的應用需求[4]。

1 相關應用研究

5G新無線電（NR）的異構網(wǎng)絡架構都與5G互聯(lián)網(wǎng)相連。人工智能（AI）、機器學習（ML）和深度學習（DL）技術被設想為使5G愿景成為現(xiàn)實的最佳技術。此外，基于ML的算法從現(xiàn)有的或運行時的數(shù)據(jù)中學習，進行自動特征提取，并取代刻板的長指令來處理新問題[5]。因此，當下必須提升無線網(wǎng)絡的能力，這可以通過整合基于ML的方法來實現(xiàn)，在無線系統(tǒng)的基本單元和所有層中應用基于ML的方法。

2 移動邊緣云5G無線技術應用優(yōu)勢

2.1 帶動全民進入大數(shù)據(jù)時代

無線技術正在不斷發(fā)展，以滿足用戶對多功能應用的更高更先進的要求。在未來，5G將以其強大的優(yōu)勢助力于即將到來的大數(shù)據(jù)應用，如醫(yī)療領域的危急情況診斷、倉庫管理等。表1中將5G的能力與4G和6G技術進行了對比。5G可以提供20 Gb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，廣播速率可以達到Gb/s級別，平均數(shù)據(jù)速率是100 Mb/s。因此，在未來幾年，我們將能夠在幾秒鐘內(nèi)下載視頻和電影，而無需等待流媒體[6]。

表1 4G、5G和6G通信系統(tǒng)的比較

2.2 結合多技術提供高質(zhì)量無線通信服務

移動邊緣云5G無線技術常常與虛擬RAN和納米核心網(wǎng)絡技術相結合，從而提供更高效和可靠的無線通信服務。具體優(yōu)勢見表2所列。虛擬RAN包括新的接口、元素和組合，以創(chuàng)建眾多的數(shù)據(jù)接入點[7]。納米核心網(wǎng)絡（CN）是另一個重要的組成部分，它包括3個類別：（1）納米技術（nano-tech），它對于保護日常生活設備是必不可少的；（2）云計算，它決定了互聯(lián)網(wǎng)上遠程服務的可用性；（3）全IP網(wǎng)絡（AIPN），它對蜂窩式增長是必不可少的。

表2 5G移動網(wǎng)絡邊緣云相關技術及優(yōu)勢

3 5G發(fā)展趨勢研究

3.1 增加頻譜、比特和可靠性

第五代網(wǎng)絡是一種獨立的通信方式，能夠為最新的技術應用提供服務，如無線腦機互動（BCI）、擴展現(xiàn)實服務（XR）、連接機器人和自主系統(tǒng)（CRAS）、分布式賬本技術（DLT）等。為了正常工作和運行，6 GHz以下的頻譜必須提供更多的比特、更多的頻譜和資源、更高的可靠性。因此，需要探索更多的頻譜資源，并在高頻率頻段實現(xiàn)更高的可靠性[8]。

3.2 使用體積頻譜效率和超材料

為了提高無線通信系統(tǒng)的性能和效率，5G技術需要考慮使用體積頻譜效率和能源效率等指標進行優(yōu)化。其中體積頻譜效率（SEE）單位為bit/（s·Hz·m3）。沿著類似的思路，6G要求能夠支持XR、CRAS、DLT、BCI設備和飛行器，如果沒有空中帶寬，這些都是不可能實現(xiàn)的。此外，6G的三維演進架構需要有源表面或智能覆蓋物來傳輸信號，而不是部署一個傳統(tǒng)的基礎系統(tǒng)[9]。

4 移動5G邊緣云策略及應用研究——以智慧教育為例

4.1 總體架構

“5G+邊緣云+智慧教育”整體方案如圖1所示。將5G和 MEC的邊緣云計算平臺分別部署在本校和外校，普通物聯(lián)網(wǎng)設備、教學終端（VR/AR眼鏡、交互式遠程教學設備等）、視頻監(jiān)控設備等均與校園的邊緣云計算平臺連接，通過5G網(wǎng)絡與各個學校的邊緣云平臺相連，并經(jīng)由流媒體網(wǎng)關接入當?shù)兀缓髮⒕钟蜻吘壴婆c智慧教育中心的云平臺進行協(xié)同對接。

圖1 “5G+邊緣云+智慧教育”整體方案

4.2 網(wǎng)絡拓撲

基于移動5G MEC邊緣云技術的網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。終端由5G基站接入，數(shù)據(jù)由邊緣云轉(zhuǎn)移模塊傳輸。若使用者為學校工作人員或教學人員，則透過邊緣云分流模組將資料傳送至邊緣云平臺；若包含中央云和邊緣云的互動，則會將資料直接從邊緣云端傳送至中央云端伺服器；若使用者為一般網(wǎng)絡使用者，則透過5G網(wǎng)絡直接存取資料。

圖2 基于移動5G MEC邊緣云技術的網(wǎng)絡拓撲圖

該系統(tǒng)采用了渲染、視頻加速、人工智能加速、通用計算、存儲等模塊，實現(xiàn)了對中央云平臺的實時計算和存貯，能夠在滿足客戶需要的同時，降低中央云存儲和傳輸帶寬的壓力。

4.3 應用價值

通過將5G邊緣云技術、虛擬現(xiàn)實技術和AR技術相結合能夠為學生提供一種全新的學習體驗，幫助他們更好地掌握所學內(nèi)容，加快對知識的吸收，并使他們的學習興趣得到提升。比如，圖3所示的沉浸式教學情景可以讓你接受更豐富、更生動的教育，讓你在虛擬的環(huán)境中親身經(jīng)歷，并且可以立體地呈現(xiàn)你的學習經(jīng)驗。對于高風險和高難度的操作訓練，也能夠提供親身體驗場景，例如在虛擬現(xiàn)實中進行外科手術仿真和飛行員訓練，模擬地震及火災現(xiàn)場進行實戰(zhàn)演練，從而減少執(zhí)行風險和費用。

圖3 VR/AR沉浸式教育

基于5G邊緣云技術的互動式遠程教育如圖4所示，它能增強學生的學習興趣和專注力，促進學生更多地參與其中，提升教學品質(zhì)和學生體驗?！胺航淌摇钡陌l(fā)展使學校和家庭的學習逐漸結合起來，從而使“J-Evil”的家庭學習循環(huán)模式得以進一步改善；通過信息化手段，一定程度上實現(xiàn)了教育公平，緩解了教育資源短缺的問題，例如通過“云教室”“網(wǎng)上教室”等方式，為貧困地區(qū)提供高質(zhì)量的教育，以期實現(xiàn)教育公平、均衡的發(fā)展。

圖4 遠程互動教學

運用多種統(tǒng)計手段，針對課堂行為數(shù)據(jù)進行時空上的對比，如圖5所示；根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為學生提供個性化的教學方式，從而進一步提升學生的綜合能力。

圖5 課堂行為分析數(shù)據(jù)

虛擬現(xiàn)實教學、交互式遠程教學以及其他具有創(chuàng)意的智能教學系統(tǒng)都要求較高的帶寬和較低的時延。本地執(zhí)行和播放視頻的成本是昂貴的，不能進行終端的擴展。另外，由于內(nèi)容是局部發(fā)布的，用戶獲取教育資源變得困難，而且所發(fā)布資源的知識產(chǎn)權也不能得到有效的保障，這都成為制約智能教育體系發(fā)展的瓶頸。

通過5G+邊緣云技術在教育、教學等方面的應用，一定程度上解決了教育資源的不平衡等問題[10]。利用5G邊緣云的高帶寬、低延時特點，將 AR/VR技術引入到云平臺中，實現(xiàn)終端的輕量化、實時渲染、內(nèi)容的統(tǒng)一發(fā)布。同時，也要對高質(zhì)量內(nèi)容的版權進行保護，以推動教育全產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。

5 結 語

目前，5G正在結合智能技術為人們提供先進的服務，如人工智能、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）和云計算等，這些技術正被用來迎合物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展。一種新的科技與生態(tài)體系的誕生與發(fā)展，離不開其背后的業(yè)務模型。在未來，產(chǎn)業(yè)對于邊緣服務平臺的應用前景有著無限的期待。中國移動愿與業(yè)界同仁協(xié)作，在未來的邊緣云試驗及商業(yè)化進程中，探索邊緣服務平臺的合作方式，以建立5G邊緣生態(tài)體系，促進邊緣業(yè)務的快速發(fā)展。