5G邊緣計算技術及應用展望

王江超

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著5G技術的推廣應用，邊緣技術將得到長足發展。它能夠滿足因行業變革而激增的數字化和智能化需求，并在保護用戶安全隱私的基礎上優化用戶的使用體驗，實現對應用和數據的智能優化。作為近運算概念，邊緣技術能夠有效開放網絡，并與5G時代的云計算和智能網等平臺相連接，構建1種全新的網絡生態系統和服務體系，為相關的運營商、制造商以及第三方公司帶來新的運營模式。基于5G技術的邊緣計算技術飛速發展，為社會變革帶來了無限可能[1-3]。

1 邊緣計算技術概述

邊緣計算技術通過靠近數據源的方式來開展內網運算，并及時將運算的數據回傳到云端供用戶使用。這種計算和回傳方式極大地降低了數據往返云端的時間和網絡成本，是當代智能化運算和密集型計算的重要形式。在就近的網絡邊緣服務器支持下，核心網和傳輸網的負擔將會大幅降低，緩解了網絡帶寬壓力。邊緣參考架構如圖1所示。從宏觀的角度看，它主要包含網絡、邊緣計算業務平臺以及網管系統3方面內容[4]。

圖1 邊緣計算技術參考架構

邊緣計算系統平臺是承載邊緣應用的重要服務平臺，更接近用戶側，承載的功能主要視具體的網絡計算情況和用戶需求決定。根據用戶需求、使用場景、當前網絡條件以及流量變化等提供定制化服務，進而優化用戶體驗。邊緣計算系統平臺設計包括移動邊緣系統層和移動邊緣服務器層2部分。移動邊緣系統層是指運營商網絡或者子網絡中運行各類邊緣應用需要的邊緣主機和邊緣管理實體的集合。移動邊緣服務器層主要包含移動邊緣服務器和移動邊緣平臺管理，工作任務是提供相應的移動邊緣服務，包括邊緣廣告、消費服務以及完成業務注冊并提供相應管理等[5]。

邊緣網絡是指接入用戶的最后一段網絡，主要包括匯聚層網絡和接入層網絡。作為邊緣計算技術的重要組成部分，邊緣網絡強調業務驅動，并為用戶提供相應的服務。例如，它為接入的運營商提供相應的業務接入服務，同時能為用戶提供寬帶、業務管理以及接入控制等計費服務，以滿足用戶對基礎功能之外的其他需求。專線業務為大用戶提供出租電路或帶寬。邊緣網絡是運營商服務市場競爭最激烈的部分。

2 業務發展分析

隨著5G邊緣計算技術的飛速發展，它的應用場景不斷豐富。在充分促進傳統產業轉型升級的基礎上，邊緣計算網絡以其諸多優勢為運營商、現代智能制造、互聯網計算以及互聯網用戶提供了個性化服務，為現代企業和工廠園區等提供了相應的內網服務，如智慧辦公系統和智慧工廠建設等。在優化內容和提升用戶體驗方面，邊緣計算能夠通過流量分析場景實現對視頻內容的優化，在節省傳輸資源的基礎上提升用戶體驗。邊緣計算技術廣泛應用在虛擬現實技術、物聯網以及云計算等多個場景中，推動了現代高新技術產業的快速發展，如前沿的自動駕駛、機器人操作以及智慧服務等[6]。

3 面向5G的邊緣計算技術

3.1 邊緣計算系統平臺架構

通過統一部署邊緣計算配套設施和基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS），提高了邊緣計算技術基礎設施的服務能力，實現了資源共享，有助于快速開展各類業務活動，營造良好的基礎設施運行生態。邊緣計算系統平臺承載了重要業務，更加靠近用戶側。日常工作運行主要依托于用戶的現實需求，在部署平臺位置時考慮該區域具體的運營需求，如部署在無線接入網絡邊緣，通過計算服務器收集開放的實時無線網絡信息，進而通過數據分析等感知用戶需求，針對網絡條件的變化提供針對性的服務。該運營模式有助于應對各種業務流量變化的場景，在提高運營商服務效率的基礎上優化用戶體驗，同時提高網絡資源利用率。針對不同用戶群體的需求，探索多樣化和個性化的業務類型，并堅持構建高效的移動邊緣系統層和服務器層工作體系，以完成外部節點部署與需求響應工作。

邊緣計算技術的基礎設施是其工作部署的重要基礎和載體。邊緣計算由底層到上層主要包括機房基礎設施、IaaS設施、平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）以及軟件即服務（Software as a Service，SaaS）等。其中：機房基礎設施重點涵蓋的有計算體系部署所需要的電源、機房以及機柜等；IaaS設施主要涵蓋的有虛擬網絡（交換機）、計算資源（存儲節點）、存儲資源（計算節點）以及加速器（硬件加速器）等，主要用來完善相關云化的基礎設施，完成計算機邊緣化任務；PaaS平臺涵蓋移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）、MEC應用以及無線接入網絡-中央單元（Radio Access Network-Central Unit，RAN-CU）4個內容，能夠為上層提供一定的平臺架構和網絡通信，是重要的關鍵賦能模塊；SaaS應用涵蓋面比較廣，能夠實現指揮制造、搭建智慧城市、智慧港口以及便利性服務等，為人們提供各種便利性服務[8]。邊緣計算體系布置架構如圖2所示。

圖2 邊緣計算體系部署架構

3.2 邊緣計算業務平臺應用程序接口

為了更好地引入邊緣計算服務器，在部署邊緣計算平臺時需要合理選擇和引入新接口，以完成數據分流和信息處理工作，提高邊緣計算系統的計算效率。邊緣計算平臺主動向第三方應用提供相應的應用程序接口（Application Program Interface，API），以適應不同工作場景的需求。一是無線網絡信息服務接口，主要向連接的邊緣應用和平臺提供網絡信息，如收集的網絡用戶統計信息。二是位置信息服務接口，能夠提供特定連接小區的身份標識號（Identity Document，ID）和地理位置等信息，或者與此邊緣計算平臺相連接的基站信息。三是帶寬管理服務接口，負責管理和分配區域帶寬，提供相應的服務。充分依托平臺側獲取的信息開展API接口管理，有利于優化用戶服務[9]。

4 基于邊緣計算的接入網絡切片

邊緣計算服務器部署位置與用戶地理位置存在距離，因而在工作時會產生一定時延，無法滿足每個用戶需求。在核心網切片中，邊緣計算服務器部署的位置距離用戶較遠，不可避免地會產生較長時延，無法滿足部分應用對低時延特性的需求。此外，龐大的數據流量和多樣化的業務類型會影響邊緣計算服務器工作，因此提出了接入網絡切片概念。接入網絡切片充分利用了邊緣網絡的計算存儲和傳輸能力，對業務進行本地處理，在降低時延的基礎上快速響應用戶需求，有效降低了核心網絡的消耗。根據不同的使用場景和工作模式，接入網絡切片的類型十分豐富，需依照相應的信息感知和數據挖掘工作合理選擇，進而接入網絡切片編排器。

5 未來發展展望

5.1 5G邊緣計算場景需求

雖然邊緣計算的概念明確提出了很多年，社會對工業物聯網的需求也一直存在，但直至今日才變成網絡熱點，原因是5G技術的提高、項目需求和網絡升級推動了工業物聯網的高速發展，促使邊緣計算技術不斷成熟。它的用戶群體從以往的大用戶過渡到個人用戶和現代產業業務層面。具體的使用場景和業務類型的變化將是邊緣計算技術實踐運用和發展的關鍵變化，大視頻類業務和流量密集區域等將實現下沉發展，以持續推動行業變革。當前5G邊緣計算技術的場景需求是其發展的重要因素，在充分考慮該行業的業務類型發展容量和前景的基礎上，考慮工作部署的合理性，最終實現5G技術與邊緣計算技術的優勢互補，共同發展進步[10]。

5.2 5G邊緣應用時延因素分析

因邊緣網絡本身的性質，它的具體應用與用戶需求之間難免存在時延。為了提高邊緣計算技術的應用效率，未來相關技術研究將著眼于應用時延因素分析，通過對不同需求場景、用戶類型以及邊緣計算服務器等工作數據進行分析查找時延原因，并減少時延，提升邊緣計算技術的時效性。

通常情況下，網絡的時延是多樣化的，有空口時延、網關時延以及邊緣計算時延等。5G邊緣時延如圖3所示。由接入機房、普通匯聚機房、重要匯聚機房以及核心機房組成系統化的網絡，每一環節包含對應的邊緣應用。接入和匯聚環節主要由小型設備組成，其余由大型設備組成。考慮UPF需進行必要的計算和監聽，可參考分組核心演進（Evolved Packet Core，EPC）網關，合理設定網關延時。

圖3 網絡時延模型分析示意

在充分參考業務選擇和計算需求的基礎上，5G邊緣計算技術可選擇多樣的服務器。例如：可以定制邊緣計算的服務器，實現計算加速；在涉及大塊數據處理或開展并行計算時，使用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）開展計算。5G背景下的邊緣計算時延大幅降低，5G網絡時延性低至1 ms。8K播放和360 ℃ 虛擬現實（Virtual Reality，VR）體驗等意味著5G技術的應用已經達到前所未有的程度，還包括遠程手術和無人自動駕駛等。邊緣計算的低時延意味著相關的應用場景將會獲得更優質的網絡服務，從制造業到服務業將掀起一股新的改革浪潮。因為實際的網絡時延通常遠超模型分析，所以應充分考慮網絡的空口環境、數據傳送以及排隊等狀況，采用網絡功能下沉降低網絡延時，或者采用新的空口技術降低時延等。

6 結 論

5G技術下的邊緣計算有著良好的發展前景。5G網絡的發展和推廣為邊緣技術應用創造了良好契機，大量新需求的涌現推動5G邊緣計算技術朝著更邊緣和更大規模發展。在此背景下，大量資金、技術以及能源等投入5G邊緣技術研究工作。在相關運營商、互聯網平臺以及高精制造產業的共同努力下，邊緣計算技術的網絡體系架構、邊緣基礎設施以及邊緣平臺將不斷進步和完善，會在更多行業中煥發生機，并為大眾持續提供優質的網絡服務。未來邊緣計算技術的發展內容將主要集中在對標準業務的開發和建設上，同時將更加注重與其他新興業務的結合。邊緣計算的社會影響力將持續提升，最終打造邊緣計算的產業生態，促進社會發展變革。