面向5G Advanced的智能边缘网络演进

李 岩，周 彧，倪 慧，杨艳梅，朱方园

(华为技术有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

移动通信产业的技术演进基本遵循十年一代的规律，当前5G技术依然处于持续演进的状态，3GPP在2021年4月正式将5G演进的名称确定为5G Advanced。5G演进扩展了三大新场景，包括实时宽带交互(Real Time Broadband Communication，RTBC)，打造身临其境的沉浸式体验；通信感知一体(Harmonized Communication and Sensing，HCS)，助力自动驾驶发展；上行超宽带(Uplink Centric Broadband Communication，UCBC)，加速行业智能化升级。

5G演进新业务拓展，面向行业服务的模式兴起，网络面临新的挑战：

① 时延：RTBC场景中扩展现实(eXtended Reality,XR)、全息等业务需要沉浸式体验，平均接入速率及时延从当前4K的约120 Mbit/s@20 ms提升到未来16K的约1 Gbit/s @8 ms，交互时延进一步降低；

② 容量：5G单小区仅支持个位数4K Cloud XR用户，RTBC场景在给定时延和可靠性要求下的带宽提升10倍，对网络容量提出更大要求；

③ 算力：HCS从车联网和无人机两大场景切入，将蜂窝网络大规模天线阵列(Massive Multiple-Input Multiple-Output，Massive MIMO)的波束扫描技术应用于感知领域，5G系统既能够提供通信，又能够提供感知，室内场景还可提供定位服务。网络需要具备灵活部署、智能选择、多站多维感知、信息融合计算能力，以及支持快速环境构建等感知算力。

应对类似挑战，移动边缘网络从3G/4G时代就已经起步，然而典型移动宽带(Mobile Broadband，MBB)业务所需的时延在应用部署到地市级即可满足，边缘网络进一步下沉缺乏业务驱动，更缺乏商业驱动。5G演进的新挑战下，势必加速智能化移动边缘网络的部署，并进化出两个基本特征：

① 公专合一，智能选路：同时满足大公网场景下灵活分布式边缘部署，以及专网园区网络边缘部署，在大幅降低网络时延同时智能选择业务流的最优路径，减少迂回，保障移动场景下业务无缝切换；

② 算网协同，融合计算：为了提升网络容量，网络需要感知RTBC业务特征，从而实现基于人工智能(Artificial Intelligence，AI)、语义的信源信道“编-传”深度结合，数据压缩；通过业务流差异化传输、帧粒度完整性传输等实现网络高效传输。针对HCS业务，感知、定位和通信融合，实现行业一网多用，架构需支持感知和定位功能按需部署，本地化快速构建，高效融合计算，提升全场景定位能力。

本文基于5G边缘网络的架构演进脉络，针对5G演进新场景提出了两个前沿研究方向。一方面是网络自身能力的不断突破，包括使能边缘网络广泛部署的应用无缝迁移、运营商边缘网络互通等关键技术；另一方面是使能通信感知一体化、天地一体化、智慧内生等新业务[1]带来的边缘网络架构重构以及关键技术。

1 5G智能边缘网络整体架构

为了满足如图1所示的5G阶段以及5G演进阶段各种新的业务场景，5G网络在设计之初就在基础网络架构和协议上进行了增强，以连接边缘网络；与此同时，5G网络还在持续不断地定义新的边缘网络功能来辅助边缘应用，使得边缘业务从“基本可用”变成“好用、易用”。

图1 5G Advanced愿景：构建美好智能世界Fig.1 5G Advanced vision: building a better and intelligent world

5G演进与4G网络相比，5G网络定义了更加清晰的边缘网络架构和功能，3GPP标准讨论的范围涉及到如表1所示的工作组，并制定了相关规范，有助于构建开放的边缘网络环境，达成产业共识。

表1 边缘网络相关3GPP工作组

5G边缘网络技术演进路线大致可分为两个阶段：

① 5G阶段(3GPP R15～R17)：主要解决业务从中心云迁移到边缘网络时遇到的问题，提供连接边缘网络以及发现边缘业务(Edge Application Server, EAS)等基础能力，针对场景主要是传统业务部署在单点边缘网络(如园区)。在这一阶段5G核心网将控制面和用户面分离，用户面功能可以灵活地部署在不同位置的边缘网络并建立转发路径。同时定义了边缘服务器发现功能(Edge Application Server Discovery Function ,EASDF)、边缘配置服务器(Edge Configuration Server ,ECS)、边缘使能服务器(Edge Enabler Server ,EES)等新网元，可以结合终端位置、网络拓扑等辅助终端发现边缘业务，提供最佳业务体验。图2为当前5G网络标准[2-3]定义的与边缘网络相关的网络功能，其提供的关键技术将在第2节做进一步介绍。

② 5G Advanced阶段(3GPP R18& later)：主要解决新业务(如基于云的虚拟现实/增强现实、车联网等)部署到多个边缘网络后的业务体验的连续性问题。在这一阶段5G网络需要提供跨边缘网络业务无缝迁移技术，使能业务在多运营商边缘网络部署，同时随着5G网络能力进一步提升，如感知能力、智能能力等，这些能力可以作为中间件提供给边缘业务，以简化边缘业务的实现逻辑。相关的架构设计和关键技术将在第3节详细阐述。

图2 5G边缘网络架构Fig.2 5G edge network architecture

2 5G智能边缘网络标准关键技术

2.1 智能边缘路由技术

边缘路由技术用于将用户报文在网络边缘位置进行路由转发，以访问部署在不同边缘位置的边缘业务服务器。5G系统提供了多种不同的连接模型，用于实现更灵活和智能的边缘路由。按照分流的锚点UPF与会话的关系，可以分为分布式锚点、会话分流和多会话三类不同的连接模型，如图3所示[2]。

图3 边缘网络的连接模型Fig.3 Connectivity models for edge network

2.1.1 分布式锚点连接模型

5G网络中的会话可以采用以下不同的业务连续性模式[4-5]。

模式1：会话建立后，锚点UPF始终保持不变；

模式2：网络按需触发会话的释放，并指示UE建立到同一分组数据网络的会话连接；

模式3：网络在释放旧的分组数据单元会话(Packet Data Unit，PDU)之前，先建立到同一分组数据网络的PDU会话连接。

在上述不同业务连续性模式的会话中，模式1会话的锚点为集中式部署，而模式2和模式3均支持分布式锚点部署，即会话的锚点UPF位于网络边缘。对于模式2和模式3的会话，由于其锚点位置一般都较为靠近网络边缘，因此所有的业务流量都能够以较优的路由路径访问边缘业务。对于此类会话，其复杂性在于锚点需要随用户的移动进行迁移，以保持路径的优化。在锚点迁移期间，如何保持会话的连续性是需要考虑的关键问题。

对于模式2的PDU会话，当网络判断当前锚点UPF距离过远时，会触发释放当前PDU会话，并指示UE建立一个具有更优路径的PDU会话。由于模式2会话在锚点迁移过程中会出现会话中断，因此主要适用于如网页浏览、具有缓存能力的视频点播等允许短暂连接中断的应用。

对于模式3的PDU会话，当网络判断当前锚点UPF距离过远时，会首先指示UE建立一个更优路径的PDU会话，再择机释放旧的PDU会话。在此过程中，由于新旧会话会共存一段时间，因此业务层可以通过多路传输控制协议(Multipath Transmission Control Protocol，MPTCP)，多路快速UDP互联网连接协议(Multipath Quick UDP Internet Connection，MPQUIC)等多径路由方式保持业务层连续性。

2.1.2 会话分流连接模型

采用会话分流模式时，PDU会话的锚点UPF仍然是集中式部署。但对于需要分流到边缘的部分业务流，5G网络可以将其从边缘位置直接路由到边缘服务器而不需要经过集中锚点。网络或终端根据网络策略，确定业务是否需要访问边缘业务，并按需选择边缘或集中的UPF进行路由。该模式下，由于PDU会话的集中UPF保持不变，因此可以在保持PDU会话的同时，根据业务需求和用户位置，动态地插入、删除和移动边缘UPF，从而实现对特定业务的灵活路由。

2.1.3 多PDU会话连接模型

在一些更为复杂的业务访问场景中，5G终端可能需要同时访问边缘业务和非边缘部署业务。这种情况下，5G网络也支持UE按需建立多个锚点位于不同位置的PDU会话，在终端内部根据业务路由策略，将不同的业务流量通过不同的PDU会话进行传递，从而实现按需的业务边缘路由。

2.2 智能业务寻址技术

传统移动网络中，终端IP地址通常锚定在Remote PSA上，DNS服务器无法根据终端IP地址就近选择边缘应用。为了满足业务时延需求和用户业务体验，网络侧还需要根据终端实际访问业务的部署位置，为数据路由提供最优的用户面路径。为解决该问题，5G引入EASDF功能实体，作为业务发现的中枢，与SMF网元共同协作，不仅可以发现最佳的边缘应用，而且还能根据业务寻址动态地分流业务数据，实现边缘应用的精准发现和业务数据的智能转发。如图4所示，其实现流程为：

① SMF根据终端位置、网络拓扑以及边缘应用部署的全域信息确定最佳边缘应用部署位置，并进一步确定负责解析该应用的Local DNS server。EASDF从SMF获取Local DNS server的地址；

② EASDF将终端的DNS查询请求转发至Local DNS server；

③ EASDF根据DNS响应消息触发SMF基于边缘应用的位置插入边缘UPF，将业务数据直接旁路到本地，优化终端访问边缘应用的路由路径，保障业务体验。

图4 EASDF使能智能业务寻址Fig.4 Intelligent service discovery enabled by EASDF

3GPP同时考虑了无需修改网络功能实现边缘应用寻址的实现方式，如图5所示。这种模式是叠加在3GPP网络之上，在网络层和应用层之间插入了一个边缘应用使能中间层。该边缘应用使能中间层通过端、云交互的方式实现业务寻址，并以软件开发工具包(Software Development Kit，SDK)或者应用编程接口(Application Programming Interface，API)的方式向应用层提供相关服务。这种模式的好处在于无需对5G网络进行升级改造，可以支持非运营商部署的边缘业务场景。

图5 基于端侧边缘应用使能SDK方式寻址Fig.5 Service discovery provided by SDK of edge application enabler client

图5中的边缘使能客户端(Edge Enabler Client，EEC)，可以由操作系统或者第三方提供的SDK实现，并以API的方式向边缘应用客户端(Application Client，AC )提供边缘网络和应用寻址功能。相应地，在云侧，需要集中部署ECS，以及在每个边缘网络部署EES。EES与边缘应用服务器关联，存储了边缘应用服务器的地址等配置和属性信息。ECS的主要功能是根据终端的位置信息为终端选择一个合适的边缘网络，以及部署在边缘网络的边缘应用使能平台EES。

3 5G Advanced智能边缘网络技术趋势

3.1 无缝应用迁移技术

为了满足超低时延业务需求，边缘网络部署位置会靠近基站侧，导致每个边缘网络覆盖范围是有限的，这就需要提供一种应用服务器在边缘网络无缝迁移方案，以保障终端移出当前边缘网络覆盖范围后仍能保持一致的业务体验。如图6所示， 5G Advanced网络在物理层、链路层、网络层和传输层都做了增强，以简化应用在边缘网络迁移的复杂性，从而减少业务迁移时的中断时间。

图6 5G advanced无缝应用迁移网络Fig.6 5G Advanced seamless application relocation network

切换零等待技术(物理层&链路层)[6-7]终端在5G基站切换时同时维持源基站和目标基站之间的连接，在接入目标基站过程中，终端仍在源基站收发报文，在确认目标基站切换成功后才停止和源基站的通信，解决了传统切换在接入目标基站时存在短暂业务中断的问题。

IP地址转换技术(网络层)[2]应用迁移后，其IP地址会发生变化，如果终端感知到这种变化就会触发和边缘业务重新连接，引入额外的建立时延。为了解决这个问题，当终端连接到目标边缘网络后，新的本地网关会对终端发送和接收的报文进行地址转换以屏蔽对终端的影响。

传输层上下文迁移技术(传输层)绝大多数互联网应用基于TCP协议传输，而TCP协议具有状态信息，为了解决TCP状态信息在边缘网络迁移问题，5G Advanced边缘网络需要定义新的中间件服务使能架构层服务器(Service Enabler Architecture Layer，SEAL)，作为TCP代理维护和终端之间的TCP上下文，终端迁移到目标边缘网络时，SEAL服务器会同步事先TCP状态迁移，终端不需要重新建立TCP连接。

通过以上增强技术，5G Advanced网络实现了“网随流动”，保障了网络连接的无缝迁移。现在应用迁移是和终端移动同步进行，未来随着网络智能性的进一步提升，可以实现应用上下文的预迁移技术，进一步减少应用迁移的时间。

3.2 跨运营商之间边缘网络互通技术

跨运营商的边缘网络互通主要解决的是当终端发生跨运营商网络漫游时如何获得边缘业务服务的问题。当用户发生漫游时，可能会访问归属运营商所提供的边缘业务，也可能会访问漫游运营商所提供的边缘业务[8]。

如图7所示，漫游终端可通过本地疏导的网络接入方式接入归属运营商所提供的边缘业务。这种模式假设归属运营商通过租用拜访运营商边缘资源的方式，为其签约用户提供边缘业务的服务。

图7 漫游用户访问拜访运营商的边缘业务平台Fig.7 Services provided by visited edge enabler platform for roaming user

与边缘网络连接不同，漫游用户连接ECS获取EES信息往往在实际应用访问之前，对时延要求不那么敏感，因此可以假设UE通过归属地路由方式访问归属网络部署的ECS。技术实现上，相对于非漫游场景，归属ECS需要识别用户所在的漫游网络位置信息，从而为其选择位于漫游网络的边缘资源。

图7还给出一种漫游用户在漫游网络访问漫游网络运营商提供的边缘业务的情况。这种情况假设用户采用本地疏导的方式连接到拜访运营商提供的ECS和边缘网络内拜访运营商提供的边缘业务。技术实现上，相对于与非漫游场景，需要解决拜访地ECS的地址获取以及如何获取归属运营商的授权的问题。

3.3 集成AI能力的边缘网络

由于边缘网络更靠近数据源，提供通用边缘AI中间件能力，如语音图像识别、机器视觉、自然语言处理等，可以更快地响应用户需求，同时大量数据在边缘网络处理可以减轻云端的压力。由于AI在训练阶段需要大量的算力，一种自然的假设是，在云端完成训练，然后把模型下发到边缘网络，由边缘网络执行推理。但在实际网络中还存在以下挑战：① 很多边缘网络的数据(如企业园区)有强隐私性需求，不能直接把数据送到云端完成训练；② 边缘网络本身受环境约束算力有限等。为了解决上述问题，5G Advanced边缘网络需要提供如图8所示的协同训练和推理技术。

图8 边缘AI架构Fig.8 Edge AI architecture

协同训练边缘网络获取数据信息(包括5G网络自身感知数据信息、终端信息、边缘业务信息等)后，提取公用数据提供给3GPP定义的网络数据分析功能(Network Data Analytics Function，NWDAF)，由NWDAF训练基础模型后分发给边缘网络的AI功能[9]，边缘网络AI功能通过基础模型和隐私数据进一步训练出边缘模型。

协同推理在训练出边缘模型后，可以基于模型的计算复杂度、边缘网络的计算能力、终端计算能力和网络连接质量做模型分割。由于不同的模型分解会导致不同的推理时间，需要选择最优的切分点，在推理时间、计算资源和网络资源间达到均衡。

3.4 融合感知能力的边缘网络

通信感知一体化是5G Advanced的一个重要演进方向，其目标是在基站叠加支持通信以外的类似雷达的感知能力。基于这个能力，运营商可以向用户或者第三方提供增值服务(例如交通管控、无人机探测等场景提供环境感知和目标追踪服务)。具体实现中，需要综合考虑性能要求、法律法规、成本等因素：

① 高准确、低时延的性能满足。以感知能力重要应用场景V2X为例，环境感知，尤其是危险目标探测的准确性，以及相关信息获取的及时性极大地决定了自动驾驶等功能的可用性。需要考虑将多个基站的感知能力，甚至是不同类型的信息(例如摄像头获取的信息、车辆提供的相对位置信息，以及车载雷达探测到的信息等)进行进一步融合来提升感知性能。架构上需要支持感算分离、多维信息融合。另一方面，为了确保信息获取的及时性，需要如图9所示的感算本地化部署。

② 感知功能需要满足用户隐私、环境安全要求。系统设计中需要考虑如何保护用户隐私数据不会在未征得用户同意下被泄露；同时为了确保信息流向的可管可控，需要对不同的信息访问者执行不同的访问授权控制；此外，还需要考虑进行感知探测时如何避开这些敏感区和探测禁止区。

③ 针对不同场景需求，提供刚刚好的性能/功能保障。不同感知精度对系统的开销要求差异巨大，而不同场景对精度要求也不一样，因此，系统需要提供按需配置、不同等级感知性能的服务。

综上考虑，图9给出一种支持感算分离以及多维信息融合的架构示意图。其中感知控制器(Sensing Controller)是负责从外部接收(端或者第三方应用)感知任务需求，对需求任务进行授权(过程中会考虑环境安全、隐私要求等要素)，按照需求生成基站感知探测控制命令。基站按照感知控制器的要求，实施感知探测任务，并将探测到的数据上报部署在边缘网络的感知计算网元(Sensing Function)。感知计算网元可对来自多个基站的数据进行联合计算以提升感知性能，同时也可以结合从端侧或者外部网络输入的其他维度信息进一步融合计算，以弥补电磁波探测单维度获取环境信息在分辨率等方面的不足。

图9 边缘感知架构Fig.9 Edge sensing architecture

3.5 天地一体化的边缘网络

空天地一体化是移动网络演进的关键方向之一。空天地一体化系统既包含传统的地面无线网络，也包含低空飞行器和卫星通信系统提供的空基无线网络。其中地面无线网络负责人口稠密区的大容量网络覆盖，卫星通信网络可以提供全球范围内广域覆盖，低空飞行器重点用于提供紧急突发的组网需求。通过上面不同物理特性网络的融合，空天地一体化网络可以实现更为灵活和泛在的无线覆盖能力。在5G演进网络中，卫星的功能也逐渐从透明模式转发演进到再生模式转发，从而使更复杂的边缘转发和处理成为可能。

在空天地一体化这样一个异构且高动态的复杂网络中，业务路由的优化和时延稳定性是一个较大的挑战。与地面网络不同，空基网络接入节点(卫星、低空飞行器等)的数据回传依赖于馈电链路和星间链路等资源受限且时延不稳定的传输资源。因此，在靠近接入节点的边缘位置实现业务路由或处理能够有效地节省回传链路资源并降低时延。但同时，考虑到空基网络接入节点普遍对载荷的体积和能耗存在较强的约束，目前阶段还难以直接部署高复杂性的边缘计算能力。因此，在可预见的未来，空天地一体化系统的边缘网络部署可以通过3种模式实现。

模式1基于空基接入节点的边缘路由。对于终端和终端间的通信传输，可以通过无人机、卫星或者卫星间链路在接入网络进行边缘路由，而不需要经由地面系统进行转发，从而减少路由时延和回传馈电链路负载。

模式2基于空基接入节点的边缘应用部署。对于某些专用的空基系统，如遥感、气象等卫星星座，有可能将部分业务预处理能力直接部署在卫星上，从而大幅降低回传流量。

模式3基于地面的边缘应用部署。对于通用的空基通信系统，很难为某一类业务定制化机载或卫星载荷；或者某些业务处理能力过于复杂，无法在空基接入节点上直接实现。此时，业务服务器可以选择部署在靠近地面信关站的位置，从而尽量降低地面传输引入的额外业务时延。

图10 天地一体化边缘网络部署模式Fig.10 Edge network deployment mode for integration of satellite-terrestrial networks

4 结束语

在5G演进业务驱动下，网络遇到时延、容量的性能瓶颈。智能边缘网络提供了连接加算力加新业务能力的基础设施，一方面通过智能业务分流和寻址、业务无缝迁移技术加强了连接能力，更好地满足了时延需求，提升了网络自身能力的上限。 与此同时，在网络与业务保持整体松耦合基础上，进一步协同，有效提升了容量和处理效率，并提供分级控制机制，使能业务部署真正形成商业正循环。

然而在现实中，智能边缘网络的部署涉及到运营商、云商、企业、OTT等多方，除了技术要素外，能否形成产业共赢的生态更为重要，需要从标准、开源生态等多视角努力，希望本文从3GPP出发的思考能提供有价值的参考。