一體化5G邊緣運算技術研究

鄔 聞

（宜通世紀科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

云核心網能力、邊緣運算能力以及分層能力是5G時代運營商支持5G垂直產業的核心能力，是5G時代運營商最具代表性的能力，也是測試5G時代運營商基礎網絡與支撐系統協同融合深度和效率的重要試金石，更是運營商提供差異化業務供給能力的試金石和重要手段。

第一，云內核。5G內核是以云為基礎的服務體系結構，是以網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）/軟 件 定 義 網 絡（Software Defined Networking，SDN）為基礎的云計算系統。

第二，邊緣運算。基于多接入邊緣運算（Multiaccess Edge Computing，MEC），給5G時代運營商的運作模式帶來了全新變革。MEC系統架構如圖1所示。

圖1 MEC系統架構

第三，網絡分割。網絡分割是以5G為基礎為不同的商業應用設計的一種服務概念與方式。

結合企業業務需求和網絡現狀，從網絡和云計算的視角進行集成探討，對企業進行全面的能力計劃和發展戰略策劃，為產業協作的產品提供支持，并探討其新的空間和價值。隨著5G技術在各行各業的廣泛使用，它對設備部署方式、成本以及運行維護等提出了更高要求。集成式移動邊緣運算設備體積小、便于攜帶、節省功耗及成本。設計的新方案通過使用N2和N3的接口協議堆疊來實現5G基站和5G內核網絡的N2和N3連接。例如，在企業園區部署中，為了保證敏感業務的安全性和實時性，建立公司內部移動通信私網和運營商移動通信公網混合組網模式，使企業安全敏感業務和時延敏感性業務利用企業內部移動通信私網進行數據傳輸，同時企業公共業務和企業內部員工上網活動通過運營商移動通信公網進行數據傳輸[1]。在企業內建設的5G移動通信專用網絡包含Mobile邊緣運算平臺、5G無線基站、5G核心網絡以及5G網絡管理平臺4大網絡單元。為便于企業部署、節約成本及后期維護，采用集成方式部署。5G網絡的相關能力如圖2所示。

圖2 5G網絡能力

1 5G網絡的典型能力分析

1.1 云核心網能力

5G內核采用云系統結構，為實現云核心網能力創造了一個自然環境。它引入網絡開放功能（Network Exposure Function，NEF），并將其作為一個標準的網元函數向公眾開放。云化的核心網容量占到整個系統80%的原始容量，是運營商開放的關鍵。Rel-15是5G的第1個版本，重點在于增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）。eMBB方案包括服務化架構（Service Based Architecture，SBA）、切片選擇、切片管理、MEC以及4G/5G的互聯。根據NEF體系結構，可以部署的特定網絡功能見表1。Rel-16是5G的完整成熟版，符合低時延高可靠（Ultra Reliable & Low Latency Communication，URLLC）/海量物聯網通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）方案，是一個長期的基本服務，能適應多種情況，彌補了Rel-15的缺點，能為用戶設計1個2B的基本工具包。目前，電信公司已經開始對它進行試驗，并且打算商業化使用。Rel-17是5G的加強版，核心功能包括衛星接入、eMEC以及NPN 2.0等。

1.2 邊緣運算能力

MEC與5G的核心網相比是應用功能（Application Function，AF）+數 據 網 絡（Data Network，DN），MEC與用戶面功能（User Plane Function，UPF）是N6的標準接口。MEC系統可以利用網絡功能（Network Function，NF）+策 略 控 制 功 能（Policy Control Function，PCF）+會話管理功能（Session Management Function，SMF）的方式來控制使用方的政策，也可以利用NF+PCF的方式影響客戶的使用方式。MEC平臺是一種獨特的AF，它能夠與5GC網絡開放功能（Network Exposure Function，NEF）/PCF進行更多的互動，并能夠對5GC的其他功能進行訪問，例如消息訂閱和服務質量等。MEC體系結構包括下列的函數實體[2-4]。

MEC主應用包括信息交換模式（Message Exchange Patterns，MEP）、移動邊緣（Mobile Edge，ME）應用以及虛擬化基礎架構等。MEC平臺管理包括虛擬化基礎設施架構（Virtualization infrastructure architecture，VIM）和移動邊緣運算平臺（Mobile Edge Platform Manager，MEPM）的主機級網絡。MEC運行管理包括運行和操作管理系統和移動邊緣規劃（Mobile Edge Orchestrator，MEO）。

MEC系統有以下幾種功能。第一，訪問類別功能。將無線端用戶位置信息、無線網絡狀況、Cell/Users/承載帶寬信息以及WLAN訪問/固定訪問信息等公開給第三方。第二，策略類型。它主要包括用戶計費策略、分流策略、服務質量策略以及用戶策略更新等。第三，云計算的性能。基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）級的邊緣運算，包含運算和儲存功能。第四，平臺底層能力。基于邊緣的開發能力，如編解碼、轉換以及渲染等。

1.3 網絡切片能力

一種網絡切片是由網絡功能性與所需要的實體/虛擬資源組合而成，包含無線、傳輸及核心網的子網絡的分塊范例，由網絡切片管理，包括通信服務管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、網絡切片控制功能（Network Slice Management Function，NSMF）以及網絡切片子網管理 功 能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF），以達到端對端的網絡切片管理。5G網絡中，每一個分層都有相應的服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）指標，以適應各種業務要求。切片是一種具有開放性的網絡化功能。CSMF能夠根據第三方的需求對其進行生成、修改以及刪除。切片功能是以5G切片為基礎對用戶進行切片功能的擴展，使其能夠靈活配置、自主選擇以及動態更改[5]。

1.4 云邊協同能力

以云計算為核心，以計算、網絡、存儲以及安全為基礎，在中央云和物聯網終端建立“云邊端三體協同”的技術體系結構，并將網絡轉發、存儲、計算以及智能化的數據分析等工作置于邊緣，降低響應時延，減輕云端壓力，降低帶寬成本，提供全網調度和算力并發等云服務。從云計算服務提供者和運營商的視角來看，云邊緣協作可以分成兩類。第一類為基于公共云的平臺。云計算供應商將其邊緣業務擴展至消費者端的邊緣設備。第二類為基于5G通信云層，電信公司充分配置MEC，并將其全部的邊緣云資源提供給第三方互聯網電視（Over The Top，OTT）。邊緣運算是對云計算技術的一種擴展和補充，把云計算的功能擴展到接近終端的邊緣。中間云和邊緣云的協調控制必須采用統一的體系結構、統一接口以及統一的管理方式，使中央云、邊緣云以及中間云的協作控制更加簡單[6]。

2 5G邊緣運算技術方案研究

2.1 技術概述

與其他技術不同，邊緣運算技術相關的概念早在很多年前已被提出，但直到5G技術的融入才得到了極大提高。目前，無線網絡服務和網絡更新的需要，促進了邊緣運算技術的發展。邊緣運算源于歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI），目的是給使用者操縱的手機端及鄰近的無線接入網絡提供相當程度的云端運算，降低網絡通信延遲效應，提升網絡運作效能。目前，伴隨著5G、信息網以及通信服務的不斷發展和優化，有關邊緣運算的理論內涵得到了更廣泛擴展和運用。除了Wi-Fi和藍牙等的應用，在無線接入網絡（Radio Access Network，RAN）的基礎上加入了多種應用。在特定的參照體系結構上，邊緣運算可以分為網絡層面、邊緣運算業務平臺以及網絡監控體系3個層面。在進行邊緣運算時需要遵守一些規范，如邊緣運算的設計與實際管理、業務使用功能和服務以及應用程序編程界面等[7-9]。

2.2 技術方案必選

5G邊緣技術是由邊緣上的運算步驟和存貯能力完成的，而邊緣則是集中在云的邊緣，這是5G的優勢所在。在現有的4G系統框架中，通過不斷部署和優化邊緣運算，相關技術逐漸成熟。由于5G體系結構不斷完善，5G的網絡模型不斷完善。4G的邊緣運算技術以ETSI為基礎，要求在移動端增加MEC服務器，同時提供應用程序接口（Application Program Interface，API），意味著無線接入網絡的數據會暴露給邊緣運算的服務器。5G的邊緣運算采用第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP），在5G的基礎上進行深度包檢測技術（Deep Packet Inspection，DPI）和局部流量釋放，不會給接入帶來任何接觸。4G的邊緣運算需要直接抽取廣域網（Wide Area Network，WAN）數據，而5G的邊緣運算技術能夠使其獲得更多的數據。4G的邊緣運算主要集中于專用的解決方案，存在很大的局限性。5G邊緣處理則是一個標準的解決方案，可以使其在業務、服務要求以及網絡安全保障性等方面更加科學高效[10]。

2.3 特性分析

2.3.1 分散的錨定

實際應用中，5G云計算技術大都采用了分布式方式，利用各個環節之間的協同功能機制發揮其最大作用。在現有的網絡中，通過不同的用戶終端支持本地站點和會話流量等。本地站點指目前的網絡錨點和移動終端的最大距離，根據應用的流量路徑進行定位和計算。

2.3.2 對話轉移

不管是本地站還是電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU）會話，中間都會有會話錨點。向網際協議（Internet Protocol，IP）端提供的會話錨點通常由上行分類器完成，這種轉移是選擇性的，可以將它直接傳送到會話錨點。如果用戶在這段時間內出現了移動，也可以重新定位原有PDU會話錨點，并對局部流量進行適當優化。

2.3.3 多個PDU的對話

在同一時間區間，多個PDU會話可以由用戶體驗終端（User Experience，UE）發起或連接，可選擇同一數據網絡（Digital Network，DN），也可選擇不同DN。因此，多PDU會話有2種形式：一種是由局部網站的會話錨點打開的PDU會話，適用于邊緣運算；另一種是由一個以PDU為中心的會話錨定組成，主要用于其他類型的程式，并以用戶路由選擇策略（User Route Selection Policy，URSP）對不同的會話和應用程式進行有效控制。

3 網絡能力一體化架構的有效應用分析

3.1 智慧城市應用分析

在現代都市發展與建造中，智能化城市的概念日益突出，對城市和社會的發展具有重大影響。5G與智能城市關系密切，可以有效提升城市的整體建設。例如，在現有的智能城市的應用覆蓋面上，擴大其應用范圍，加強對各種信息的認知和整合，可以達到高效創新和發展。在運用5G邊緣運算技術時，重點在于如何有效分析和處理目前各個街區、公安系統以及運營商的通信數據，并采用新穎的手段來綜合和分析數據，使其能夠更好地為市民提供智能化服務。運用邊緣技術還可以加快智能城市相關的資訊傳遞，尤其是在各大城市的時事新聞和輿論上，加強對熱點事件的分析與控制，保證在最短時間對民意進行有效分析與處理，不斷推進智慧城市的信息發展水平。5G在城市建設中的應用不僅可以提升城市的整體建設，還可以有效提升城市的公共基礎、交通、醫療衛生以及教育等設施，從而提升城市的整體建設。

3.2 互動直播應用分析

目前，國內外對5G的邊緣運算技術進行了廣泛討論。為推動5G技術的長期發展，5G邊緣技術越來越多地融入人們的生活。例如，5G邊緣運算技術可以廣泛運用于交互和視頻等方面。互動直播已經是一種非常普遍的行為方式，改善了市場狀況和相關產業，并通過相應的部署和布局得到了全方位優化和變革，獲得了可觀的經濟效益。邊緣運算技術是一種新型的高并行邊緣分布技術，為云中央處理系統提供了大量資源。在現有核心帶寬的情況下，它可以節約30%的帶寬，有效降低交互直播延遲，提升互動直播的節目品質和觀眾的觀看體驗。在互動直播領域中積極應用5G邊緣運算技術，可以有效降低云中央的工作負荷，推進互動直播產業的發展和優化升級。

3.3 智慧校園應用分析

自2009年以來，國家陸續出臺了一批有關教育信息化的政策。目前，智慧校園的建設架構逐漸完善，有關理念逐漸清晰。在智慧校園構建中，要充分考慮實體用戶的身份，對學生認知等各方面能力的要求，實現物理與虛擬的完美結合。例如，結合我國目前的智慧校園建設要求，充分進行調查和分析，制定了一個智慧校園的建設計劃，并結合不同的課堂教學形式和5G邊緣運算技術，將傳統課堂教學、室外教學、網絡直播以及錄課等進行優劣勢的綜合比較。用戶層包括學生、教師、家長以及學校管理人員等多方使用者。基礎建設層面包括MEC服務器、智慧課桌、實驗臺以及學校安全系統等。網絡應用則包括教育網絡、安全網絡以及教育網絡等等。通過這種智慧教室與智慧校園的深度運用，使學校與其環境緊密結合，解決智慧校園的各種安全隱患和存在的各種學習問題，提高智慧校園的建設效果。

4 5G移動邊緣運算發展展望

4.1 標準化發展

目前，5G技術在技術研究、系統流程操作以及基礎設施建設方面均取得了較好效果，為其今后的發展奠定了基礎。5G邊緣運算技術實施過程必須嚴格遵守國家有關法規和產業標準，在保證各種技術多樣性和有效性的前提下提高系統的使用效率，防止技術和權利的混淆，減少技術缺陷。

4.2 業務協同發展

我國把5G邊緣運算技術運用于工業和城鎮化發展，使其具有巨大的發展潛力。將5G邊緣運算技術擴展到更廣泛的領域，使5G邊緣運算技術得到了廣泛探索與分析應用，結合不同業務類型和服務需求創新其業務協作規劃與應用模式，帶來了更高的經濟價值。

4.3 開放生態產業發展

在我國的發展過程中，許多區域利用5G技術與邊緣技術的結合，使區域經濟實力得到了明顯提高。這種開放的發展方式不僅可以使5G邊緣技術得到推廣，而且可以實現在政府機構和信息運營商等多個維度之間有效融合應用。5G邊緣運算技術不僅能夠在一定程度上實現功能的個性化，而且能夠對其進行適當的調整和優化，在現有的開放工業發展鏈和發展模型基礎上不斷規范化5G邊緣運算技術，確保5G技術在充分理解開放型工業特征的情況下提高技術保障水平，為5G的發展和創新奠定基礎。

5 結 論

現階段，我國通信行業的發展格局和模式發生了翻天覆地的變化。在此背景下，全面概述5G的邊緣運算技術及其實際使用領域及前景，以期促進5G的發展。