5G边缘计算技术及应用展望

王江超

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着5G技术的推广应用，边缘技术将得到长足发展。它能够满足因行业变革而激增的数字化和智能化需求，并在保护用户安全隐私的基础上优化用户的使用体验，实现对应用和数据的智能优化。作为近运算概念，边缘技术能够有效开放网络，并与5G时代的云计算和智能网等平台相连接，构建1种全新的网络生态系统和服务体系，为相关的运营商、制造商以及第三方公司带来新的运营模式。基于5G技术的边缘计算技术飞速发展，为社会变革带来了无限可能[1-3]。

1 边缘计算技术概述

边缘计算技术通过靠近数据源的方式来开展内网运算，并及时将运算的数据回传到云端供用户使用。这种计算和回传方式极大地降低了数据往返云端的时间和网络成本，是当代智能化运算和密集型计算的重要形式。在就近的网络边缘服务器支持下，核心网和传输网的负担将会大幅降低，缓解了网络带宽压力。边缘参考架构如图1所示。从宏观的角度看，它主要包含网络、边缘计算业务平台以及网管系统3方面内容[4]。

图1 边缘计算技术参考架构

边缘计算系统平台是承载边缘应用的重要服务平台，更接近用户侧，承载的功能主要视具体的网络计算情况和用户需求决定。根据用户需求、使用场景、当前网络条件以及流量变化等提供定制化服务，进而优化用户体验。边缘计算系统平台设计包括移动边缘系统层和移动边缘服务器层2部分。移动边缘系统层是指运营商网络或者子网络中运行各类边缘应用需要的边缘主机和边缘管理实体的集合。移动边缘服务器层主要包含移动边缘服务器和移动边缘平台管理，工作任务是提供相应的移动边缘服务，包括边缘广告、消费服务以及完成业务注册并提供相应管理等[5]。

边缘网络是指接入用户的最后一段网络，主要包括汇聚层网络和接入层网络。作为边缘计算技术的重要组成部分，边缘网络强调业务驱动，并为用户提供相应的服务。例如，它为接入的运营商提供相应的业务接入服务，同时能为用户提供宽带、业务管理以及接入控制等计费服务，以满足用户对基础功能之外的其他需求。专线业务为大用户提供出租电路或带宽。边缘网络是运营商服务市场竞争最激烈的部分。

2 业务发展分析

随着5G边缘计算技术的飞速发展，它的应用场景不断丰富。在充分促进传统产业转型升级的基础上，边缘计算网络以其诸多优势为运营商、现代智能制造、互联网计算以及互联网用户提供了个性化服务，为现代企业和工厂园区等提供了相应的内网服务，如智慧办公系统和智慧工厂建设等。在优化内容和提升用户体验方面，边缘计算能够通过流量分析场景实现对视频内容的优化，在节省传输资源的基础上提升用户体验。边缘计算技术广泛应用在虚拟现实技术、物联网以及云计算等多个场景中，推动了现代高新技术产业的快速发展，如前沿的自动驾驶、机器人操作以及智慧服务等[6]。

3 面向5G的边缘计算技术

3.1 边缘计算系统平台架构

通过统一部署边缘计算配套设施和基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS），提高了边缘计算技术基础设施的服务能力，实现了资源共享，有助于快速开展各类业务活动，营造良好的基础设施运行生态。边缘计算系统平台承载了重要业务，更加靠近用户侧。日常工作运行主要依托于用户的现实需求，在部署平台位置时考虑该区域具体的运营需求，如部署在无线接入网络边缘，通过计算服务器收集开放的实时无线网络信息，进而通过数据分析等感知用户需求，针对网络条件的变化提供针对性的服务。该运营模式有助于应对各种业务流量变化的场景，在提高运营商服务效率的基础上优化用户体验，同时提高网络资源利用率。针对不同用户群体的需求，探索多样化和个性化的业务类型，并坚持构建高效的移动边缘系统层和服务器层工作体系，以完成外部节点部署与需求响应工作。

边缘计算技术的基础设施是其工作部署的重要基础和载体。边缘计算由底层到上层主要包括机房基础设施、IaaS设施、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）以及软件即服务（Software as a Service，SaaS）等。其中：机房基础设施重点涵盖的有计算体系部署所需要的电源、机房以及机柜等；IaaS设施主要涵盖的有虚拟网络（交换机）、计算资源（存储节点）、存储资源（计算节点）以及加速器（硬件加速器）等，主要用来完善相关云化的基础设施，完成计算机边缘化任务；PaaS平台涵盖移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）、用户平面功能（User Plane Function，UPF）、MEC应用以及无线接入网络-中央单元（Radio Access Network-Central Unit，RAN-CU）4个内容，能够为上层提供一定的平台架构和网络通信，是重要的关键赋能模块；SaaS应用涵盖面比较广，能够实现指挥制造、搭建智慧城市、智慧港口以及便利性服务等，为人们提供各种便利性服务[8]。边缘计算体系布置架构如图2所示。

图2 边缘计算体系部署架构

3.2 边缘计算业务平台应用程序接口

为了更好地引入边缘计算服务器，在部署边缘计算平台时需要合理选择和引入新接口，以完成数据分流和信息处理工作，提高边缘计算系统的计算效率。边缘计算平台主动向第三方应用提供相应的应用程序接口（Application Program Interface，API），以适应不同工作场景的需求。一是无线网络信息服务接口，主要向连接的边缘应用和平台提供网络信息，如收集的网络用户统计信息。二是位置信息服务接口，能够提供特定连接小区的身份标识号（Identity Document，ID）和地理位置等信息，或者与此边缘计算平台相连接的基站信息。三是带宽管理服务接口，负责管理和分配区域带宽，提供相应的服务。充分依托平台侧获取的信息开展API接口管理，有利于优化用户服务[9]。

4 基于边缘计算的接入网络切片

边缘计算服务器部署位置与用户地理位置存在距离，因而在工作时会产生一定时延，无法满足每个用户需求。在核心网切片中，边缘计算服务器部署的位置距离用户较远，不可避免地会产生较长时延，无法满足部分应用对低时延特性的需求。此外，庞大的数据流量和多样化的业务类型会影响边缘计算服务器工作，因此提出了接入网络切片概念。接入网络切片充分利用了边缘网络的计算存储和传输能力，对业务进行本地处理，在降低时延的基础上快速响应用户需求，有效降低了核心网络的消耗。根据不同的使用场景和工作模式，接入网络切片的类型十分丰富，需依照相应的信息感知和数据挖掘工作合理选择，进而接入网络切片编排器。

5 未来发展展望

5.1 5G边缘计算场景需求

虽然边缘计算的概念明确提出了很多年，社会对工业物联网的需求也一直存在，但直至今日才变成网络热点，原因是5G技术的提高、项目需求和网络升级推动了工业物联网的高速发展，促使边缘计算技术不断成熟。它的用户群体从以往的大用户过渡到个人用户和现代产业业务层面。具体的使用场景和业务类型的变化将是边缘计算技术实践运用和发展的关键变化，大视频类业务和流量密集区域等将实现下沉发展，以持续推动行业变革。当前5G边缘计算技术的场景需求是其发展的重要因素，在充分考虑该行业的业务类型发展容量和前景的基础上，考虑工作部署的合理性，最终实现5G技术与边缘计算技术的优势互补，共同发展进步[10]。

5.2 5G边缘应用时延因素分析

因边缘网络本身的性质，它的具体应用与用户需求之间难免存在时延。为了提高边缘计算技术的应用效率，未来相关技术研究将着眼于应用时延因素分析，通过对不同需求场景、用户类型以及边缘计算服务器等工作数据进行分析查找时延原因，并减少时延，提升边缘计算技术的时效性。

通常情况下，网络的时延是多样化的，有空口时延、网关时延以及边缘计算时延等。5G边缘时延如图3所示。由接入机房、普通汇聚机房、重要汇聚机房以及核心机房组成系统化的网络，每一环节包含对应的边缘应用。接入和汇聚环节主要由小型设备组成，其余由大型设备组成。考虑UPF需进行必要的计算和监听，可参考分组核心演进（Evolved Packet Core，EPC）网关，合理设定网关延时。

图3 网络时延模型分析示意

在充分参考业务选择和计算需求的基础上，5G边缘计算技术可选择多样的服务器。例如：可以定制边缘计算的服务器，实现计算加速；在涉及大块数据处理或开展并行计算时，使用中央处理器（Central Processing Unit，CPU）开展计算。5G背景下的边缘计算时延大幅降低，5G网络时延性低至1 ms。8K播放和360 ℃ 虚拟现实（Virtual Reality，VR）体验等意味着5G技术的应用已经达到前所未有的程度，还包括远程手术和无人自动驾驶等。边缘计算的低时延意味着相关的应用场景将会获得更优质的网络服务，从制造业到服务业将掀起一股新的改革浪潮。因为实际的网络时延通常远超模型分析，所以应充分考虑网络的空口环境、数据传送以及排队等状况，采用网络功能下沉降低网络延时，或者采用新的空口技术降低时延等。

6 结 论

5G技术下的边缘计算有着良好的发展前景。5G网络的发展和推广为边缘技术应用创造了良好契机，大量新需求的涌现推动5G边缘计算技术朝着更边缘和更大规模发展。在此背景下，大量资金、技术以及能源等投入5G边缘技术研究工作。在相关运营商、互联网平台以及高精制造产业的共同努力下，边缘计算技术的网络体系架构、边缘基础设施以及边缘平台将不断进步和完善，会在更多行业中焕发生机，并为大众持续提供优质的网络服务。未来边缘计算技术的发展内容将主要集中在对标准业务的开发和建设上，同时将更加注重与其他新兴业务的结合。边缘计算的社会影响力将持续提升，最终打造边缘计算的产业生态，促进社会发展变革。