一体化5G边缘运算技术研究

邬 闻

（宜通世纪科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

云核心网能力、边缘运算能力以及分层能力是5G时代运营商支持5G垂直产业的核心能力，是5G时代运营商最具代表性的能力，也是测试5G时代运营商基础网络与支撑系统协同融合深度和效率的重要试金石，更是运营商提供差异化业务供给能力的试金石和重要手段。

第一，云内核。5G内核是以云为基础的服务体系结构，是以网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）/软 件 定 义 网 络（Software Defined Networking，SDN）为基础的云计算系统。

第二，边缘运算。基于多接入边缘运算（Multiaccess Edge Computing，MEC），给5G时代运营商的运作模式带来了全新变革。MEC系统架构如图1所示。

图1 MEC系统架构

第三，网络分割。网络分割是以5G为基础为不同的商业应用设计的一种服务概念与方式。

结合企业业务需求和网络现状，从网络和云计算的视角进行集成探讨，对企业进行全面的能力计划和发展战略策划，为产业协作的产品提供支持，并探讨其新的空间和价值。随着5G技术在各行各业的广泛使用，它对设备部署方式、成本以及运行维护等提出了更高要求。集成式移动边缘运算设备体积小、便于携带、节省功耗及成本。设计的新方案通过使用N2和N3的接口协议堆叠来实现5G基站和5G内核网络的N2和N3连接。例如，在企业园区部署中，为了保证敏感业务的安全性和实时性，建立公司内部移动通信私网和运营商移动通信公网混合组网模式，使企业安全敏感业务和时延敏感性业务利用企业内部移动通信私网进行数据传输，同时企业公共业务和企业内部员工上网活动通过运营商移动通信公网进行数据传输[1]。在企业内建设的5G移动通信专用网络包含Mobile边缘运算平台、5G无线基站、5G核心网络以及5G网络管理平台4大网络单元。为便于企业部署、节约成本及后期维护，采用集成方式部署。5G网络的相关能力如图2所示。

图2 5G网络能力

1 5G网络的典型能力分析

1.1 云核心网能力

5G内核采用云系统结构，为实现云核心网能力创造了一个自然环境。它引入网络开放功能（Network Exposure Function，NEF），并将其作为一个标准的网元函数向公众开放。云化的核心网容量占到整个系统80%的原始容量，是运营商开放的关键。Rel-15是5G的第1个版本，重点在于增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）。eMBB方案包括服务化架构（Service Based Architecture，SBA）、切片选择、切片管理、MEC以及4G/5G的互联。根据NEF体系结构，可以部署的特定网络功能见表1。Rel-16是5G的完整成熟版，符合低时延高可靠（Ultra Reliable & Low Latency Communication，URLLC）/海量物联网通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）方案，是一个长期的基本服务，能适应多种情况，弥补了Rel-15的缺点，能为用户设计1个2B的基本工具包。目前，电信公司已经开始对它进行试验，并且打算商业化使用。Rel-17是5G的加强版，核心功能包括卫星接入、eMEC以及NPN 2.0等。

1.2 边缘运算能力

MEC与5G的核心网相比是应用功能（Application Function，AF）+数 据 网 络（Data Network，DN），MEC与用户面功能（User Plane Function，UPF）是N6的标准接口。MEC系统可以利用网络功能（Network Function，NF）+策 略 控 制 功 能（Policy Control Function，PCF）+会话管理功能（Session Management Function，SMF）的方式来控制使用方的政策，也可以利用NF+PCF的方式影响客户的使用方式。MEC平台是一种独特的AF，它能够与5GC网络开放功能（Network Exposure Function，NEF）/PCF进行更多的互动，并能够对5GC的其他功能进行访问，例如消息订阅和服务质量等。MEC体系结构包括下列的函数实体[2-4]。

MEC主应用包括信息交换模式（Message Exchange Patterns，MEP）、移动边缘（Mobile Edge，ME）应用以及虚拟化基础架构等。MEC平台管理包括虚拟化基础设施架构（Virtualization infrastructure architecture，VIM）和移动边缘运算平台（Mobile Edge Platform Manager，MEPM）的主机级网络。MEC运行管理包括运行和操作管理系统和移动边缘规划（Mobile Edge Orchestrator，MEO）。

MEC系统有以下几种功能。第一，访问类别功能。将无线端用户位置信息、无线网络状况、Cell/Users/承载带宽信息以及WLAN访问/固定访问信息等公开给第三方。第二，策略类型。它主要包括用户计费策略、分流策略、服务质量策略以及用户策略更新等。第三，云计算的性能。基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）级的边缘运算，包含运算和储存功能。第四，平台底层能力。基于边缘的开发能力，如编解码、转换以及渲染等。

1.3 网络切片能力

一种网络切片是由网络功能性与所需要的实体/虚拟资源组合而成，包含无线、传输及核心网的子网络的分块范例，由网络切片管理，包括通信服务管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、网络切片控制功能（Network Slice Management Function，NSMF）以及网络切片子网管理 功 能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF），以达到端对端的网络切片管理。5G网络中，每一个分层都有相应的服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）指标，以适应各种业务要求。切片是一种具有开放性的网络化功能。CSMF能够根据第三方的需求对其进行生成、修改以及删除。切片功能是以5G切片为基础对用户进行切片功能的扩展，使其能够灵活配置、自主选择以及动态更改[5]。

1.4 云边协同能力

以云计算为核心，以计算、网络、存储以及安全为基础，在中央云和物联网终端建立“云边端三体协同”的技术体系结构，并将网络转发、存储、计算以及智能化的数据分析等工作置于边缘，降低响应时延，减轻云端压力，降低带宽成本，提供全网调度和算力并发等云服务。从云计算服务提供者和运营商的视角来看，云边缘协作可以分成两类。第一类为基于公共云的平台。云计算供应商将其边缘业务扩展至消费者端的边缘设备。第二类为基于5G通信云层，电信公司充分配置MEC，并将其全部的边缘云资源提供给第三方互联网电视（Over The Top，OTT）。边缘运算是对云计算技术的一种扩展和补充，把云计算的功能扩展到接近终端的边缘。中间云和边缘云的协调控制必须采用统一的体系结构、统一接口以及统一的管理方式，使中央云、边缘云以及中间云的协作控制更加简单[6]。

2 5G边缘运算技术方案研究

2.1 技术概述

与其他技术不同，边缘运算技术相关的概念早在很多年前已被提出，但直到5G技术的融入才得到了极大提高。目前，无线网络服务和网络更新的需要，促进了边缘运算技术的发展。边缘运算源于欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI），目的是给使用者操纵的手机端及邻近的无线接入网络提供相当程度的云端运算，降低网络通信延迟效应，提升网络运作效能。目前，伴随着5G、信息网以及通信服务的不断发展和优化，有关边缘运算的理论内涵得到了更广泛扩展和运用。除了Wi-Fi和蓝牙等的应用，在无线接入网络（Radio Access Network，RAN）的基础上加入了多种应用。在特定的参照体系结构上，边缘运算可以分为网络层面、边缘运算业务平台以及网络监控体系3个层面。在进行边缘运算时需要遵守一些规范，如边缘运算的设计与实际管理、业务使用功能和服务以及应用程序编程界面等[7-9]。

2.2 技术方案必选

5G边缘技术是由边缘上的运算步骤和存贮能力完成的，而边缘则是集中在云的边缘，这是5G的优势所在。在现有的4G系统框架中，通过不断部署和优化边缘运算，相关技术逐渐成熟。由于5G体系结构不断完善，5G的网络模型不断完善。4G的边缘运算技术以ETSI为基础，要求在移动端增加MEC服务器，同时提供应用程序接口（Application Program Interface，API），意味着无线接入网络的数据会暴露给边缘运算的服务器。5G的边缘运算采用第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP），在5G的基础上进行深度包检测技术（Deep Packet Inspection，DPI）和局部流量释放，不会给接入带来任何接触。4G的边缘运算需要直接抽取广域网（Wide Area Network，WAN）数据，而5G的边缘运算技术能够使其获得更多的数据。4G的边缘运算主要集中于专用的解决方案，存在很大的局限性。5G边缘处理则是一个标准的解决方案，可以使其在业务、服务要求以及网络安全保障性等方面更加科学高效[10]。

2.3 特性分析

2.3.1 分散的锚定

实际应用中，5G云计算技术大都采用了分布式方式，利用各个环节之间的协同功能机制发挥其最大作用。在现有的网络中，通过不同的用户终端支持本地站点和会话流量等。本地站点指目前的网络锚点和移动终端的最大距离，根据应用的流量路径进行定位和计算。

2.3.2 对话转移

不管是本地站还是电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU）会话，中间都会有会话锚点。向网际协议（Internet Protocol，IP）端提供的会话锚点通常由上行分类器完成，这种转移是选择性的，可以将它直接传送到会话锚点。如果用户在这段时间内出现了移动，也可以重新定位原有PDU会话锚点，并对局部流量进行适当优化。

2.3.3 多个PDU的对话

在同一时间区间，多个PDU会话可以由用户体验终端（User Experience，UE）发起或连接，可选择同一数据网络（Digital Network，DN），也可选择不同DN。因此，多PDU会话有2种形式：一种是由局部网站的会话锚点打开的PDU会话，适用于边缘运算；另一种是由一个以PDU为中心的会话锚定组成，主要用于其他类型的程式，并以用户路由选择策略（User Route Selection Policy，URSP）对不同的会话和应用程式进行有效控制。

3 网络能力一体化架构的有效应用分析

3.1 智慧城市应用分析

在现代都市发展与建造中，智能化城市的概念日益突出，对城市和社会的发展具有重大影响。5G与智能城市关系密切，可以有效提升城市的整体建设。例如，在现有的智能城市的应用覆盖面上，扩大其应用范围，加强对各种信息的认知和整合，可以达到高效创新和发展。在运用5G边缘运算技术时，重点在于如何有效分析和处理目前各个街区、公安系统以及运营商的通信数据，并采用新颖的手段来综合和分析数据，使其能够更好地为市民提供智能化服务。运用边缘技术还可以加快智能城市相关的资讯传递，尤其是在各大城市的时事新闻和舆论上，加强对热点事件的分析与控制，保证在最短时间对民意进行有效分析与处理，不断推进智慧城市的信息发展水平。5G在城市建设中的应用不仅可以提升城市的整体建设，还可以有效提升城市的公共基础、交通、医疗卫生以及教育等设施，从而提升城市的整体建设。

3.2 互动直播应用分析

目前，国内外对5G的边缘运算技术进行了广泛讨论。为推动5G技术的长期发展，5G边缘技术越来越多地融入人们的生活。例如，5G边缘运算技术可以广泛运用于交互和视频等方面。互动直播已经是一种非常普遍的行为方式，改善了市场状况和相关产业，并通过相应的部署和布局得到了全方位优化和变革，获得了可观的经济效益。边缘运算技术是一种新型的高并行边缘分布技术，为云中央处理系统提供了大量资源。在现有核心带宽的情况下，它可以节约30%的带宽，有效降低交互直播延迟，提升互动直播的节目品质和观众的观看体验。在互动直播领域中积极应用5G边缘运算技术，可以有效降低云中央的工作负荷，推进互动直播产业的发展和优化升级。

3.3 智慧校园应用分析

自2009年以来，国家陆续出台了一批有关教育信息化的政策。目前，智慧校园的建设架构逐渐完善，有关理念逐渐清晰。在智慧校园构建中，要充分考虑实体用户的身份，对学生认知等各方面能力的要求，实现物理与虚拟的完美结合。例如，结合我国目前的智慧校园建设要求，充分进行调查和分析，制定了一个智慧校园的建设计划，并结合不同的课堂教学形式和5G边缘运算技术，将传统课堂教学、室外教学、网络直播以及录课等进行优劣势的综合比较。用户层包括学生、教师、家长以及学校管理人员等多方使用者。基础建设层面包括MEC服务器、智慧课桌、实验台以及学校安全系统等。网络应用则包括教育网络、安全网络以及教育网络等等。通过这种智慧教室与智慧校园的深度运用，使学校与其环境紧密结合，解决智慧校园的各种安全隐患和存在的各种学习问题，提高智慧校园的建设效果。

4 5G移动边缘运算发展展望

4.1 标准化发展

目前，5G技术在技术研究、系统流程操作以及基础设施建设方面均取得了较好效果，为其今后的发展奠定了基础。5G边缘运算技术实施过程必须严格遵守国家有关法规和产业标准，在保证各种技术多样性和有效性的前提下提高系统的使用效率，防止技术和权利的混淆，减少技术缺陷。

4.2 业务协同发展

我国把5G边缘运算技术运用于工业和城镇化发展，使其具有巨大的发展潜力。将5G边缘运算技术扩展到更广泛的领域，使5G边缘运算技术得到了广泛探索与分析应用，结合不同业务类型和服务需求创新其业务协作规划与应用模式，带来了更高的经济价值。

4.3 开放生态产业发展

在我国的发展过程中，许多区域利用5G技术与边缘技术的结合，使区域经济实力得到了明显提高。这种开放的发展方式不仅可以使5G边缘技术得到推广，而且可以实现在政府机构和信息运营商等多个维度之间有效融合应用。5G边缘运算技术不仅能够在一定程度上实现功能的个性化，而且能够对其进行适当的调整和优化，在现有的开放工业发展链和发展模型基础上不断规范化5G边缘运算技术，确保5G技术在充分理解开放型工业特征的情况下提高技术保障水平，为5G的发展和创新奠定基础。

5 结 论

现阶段，我国通信行业的发展格局和模式发生了翻天覆地的变化。在此背景下，全面概述5G的边缘运算技术及其实际使用领域及前景，以期促进5G的发展。