基于5G 切片管控技术的边缘计算与网络架构研究

2024-04-16林丽速董欣晓

通信电源技术 2024年3期

林丽速，董欣晓

（国网泉州供电公司，福建泉州 362000）

0 引言

随着物联网、人工智能等新兴技术的迅猛发展，对通信网络性能的需求不断提升。5G 技术的引入为高速、低时延的通信提供了可能，而边缘计算作为一种分布式计算模式，能够有效处理海量数据。本文将关注5G 切片管控技术在边缘计算和网络架构中的创新应用，以期提供更强大、可靠的通信基础设施。

1 5G 切片管控技术原理

5G 切片管控技术利用网络虚拟化和软件定义技术，将通信网络划分为独立的切片，以满足不同的业务需求。这一技术在接入、传输和核心网络层面实现了网络切片化，包括核心网功能虚拟化和资源隔离。通过为每个切片分配标识符的标识及接入技术，确保终端能够注册到相应的切片。端到端管理技术负责切片的生命周期管理和资源调配[1]。服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）保障技术通过监控各切片的资源、安全性以及可用性等性能，实现端到端的服务质量管理。这样的5G 切片管控技术能够灵活管理网络，提供高效、可靠且安全的通信支持。

2 边缘计算与网络架构

2.1 边缘计算

在边缘计算中，关键的概念是将计算资源和服务从传统的云数据中心推向网络边缘，使其更接近数据产生的地方[2]。边缘计算架构可以表示为

式中：E表示边缘计算；D表示传统的云数据中心；C表示网络边缘，即计算资源和服务被推向数据产生地的网络边缘。式（1）反映了边缘计算的核心思想，即通过在设备端进行计算，减少对中心云的依赖，从而实现更低的延迟和更高的效率。边缘计算致力于将计算任务放置在离数据源最近的位置，减少数据传输时间和网络拥塞。

在边缘计算架构中，传感器、智能手机或其他物联网设备能够执行一部分计算任务，减轻中心云的负担。边缘计算通过提供近端的计算能力，不仅减少了数据传输的时延，还增强了对实时性要求高的应用的支持，如智能城市、自动驾驶等。

2.2 网络架构

在5G 网络中，切片技术对于网络架构提出了多方面的要求和挑战。具体而言，切片的网络架构需要在保障资源、确保安全性以及提高可靠性与可用性等方面满足多方面的隔离诉求。

在核心网方面，采用虚拟化部署和服务化架构，不仅支持网络功能的定制化和切片隔离，还能够进行基于切片的资源分配，为整个网络体系带来更为高效、低时延、高带宽的通信服务，为未来网络的快速发展提供有力支撑。

对于接入网，介绍关键稀缺资源使用的特性决定了其对网络切片的支持方式。接入网需要考虑资源使用效率，主要包括对切片的感知、基于切片的路由、资源隔离等方面的支持，并且需要实现基于切片的灵活资源调度。

在承载传输网方面，支持网络切片的主要目标是解决不同垂直行业对服务质量（Quality of Service，QoS）的差异性、隔离性以及灵活性需求。承载传输网以网络资源为基础实现网络切片，对于不同切片网络的时延、抖动等要求，可以采用不同的隔离方式，如使用虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）及QoS 的调度软隔离方式来支持对切片的弹性要求，或者采用硬隔离的承载传输技术，如基于灵活以太网（Flex Ethernet，FlexE）交叉或是光传送网（Optical Transport Network，OTN）等，以满足有时延和可靠性要求的网络切片。

3 5G 切片管控技术在边缘计算中的实践与应用

3.1 边缘计算中的切片应用

在边缘计算环境下，5G 切片管控技术的应用是实现多个垂直行业需求隔离和资源定制化的关键[3]。切片应用可以描述为

式中：Si,j,k表示切片i在边缘计算节点j上的性能；Ri,j,k表示切片i在节点j上的可用资源；Ti,j,k表示切片i在节点j上的任务执行时间。通过优化切片资源的分配和调度，可以最大化切片在边缘计算中的性能。

边缘计算中的切片应用主要体现在以下几个方面：一是任务定制化，不同垂直行业对于任务性能和资源需求存在差异，切片技术允许在边缘计算节点上为不同的切片定制化任务执行环境，提高任务执行效率；二是低时延服务，切片应用可以为对时延敏感的服务提供低时延服务，通过将任务部署在距离用户更近的边缘计算节点上，降低传输时延，提供更快速的响应；三是资源隔离，通过在边缘计算节点上隔离切片资源，可以有效避免不同切片之间的资源冲突，确保每个切片在有限资源下能够得到平等的应用；四是网络优化，切片应用的网络部署与优化，可以通过选择合适的网络路径、降低拥塞等方式，提高数据传输效率，确保切片应用的网络性能。

在实际应用中，通过合理配置切片参数、采用动态切片调整策略以及引入机器学习等技术手段，可以不断优化切片应用在边缘计算中的执行效果，为各类垂直行业提供了更加灵活、高效的边缘计算服务。

3.2 切片应用的实践与性能优化

在5G 切片管控技术的实践与性能优化中，切片应用的关键在于精细的任务定制和性能调优。在实践层面，通过合理配置切片参数，细致划分各垂直行业的服务需求，确保切片应用能够充分满足特定业务的性能和资源要求。在性能优化方面，采用动态切片调整策略，通过实时监测切片性能、用户需求和网络状态等参数，实现切片资源的智能调配。这一过程主要包括对任务执行时间、可用资源和性能要求等指标的动态监控，以便及时调整切片的配置，优化任务执行效率。在切片应用的实践中，还可以引入先进的机器学习技术，通过对历史数据和实时参数的分析，建立预测模型，为切片性能的合理调整提供数据支持。这一智能化优化机制可以在复杂的边缘计算环境中更加灵活地适应不断变化的业务需求，确保切片应用能够在高效的状态下运行。此外，性能优化还涉及了对切片应用的网络部署和调整。通过选择合适的网络路径，降低拥塞，甚至采用硬隔离的承载传输技术，如FlexE 交叉或是OTN 等，来满足有低时延和高可靠性要求的网络切片。

3.3 切片性能监测与评估

在5G 切片管控技术的实践与应用中，切片性能监测与评估是关键的技术环节，涉及对切片运行状态的实时监测、性能评估以及优化策略制定。

切片性能监测首先需要实现对各个切片的关键性能指标进行持续监测，主要包括网络延迟、吞吐量、丢包率等关键性能参数。为了实现实时监测，可以采用流量分析工具和网络监测设备，以获取切片运行时的性能数据[4]。

全面评估切片性能，得到了以下关键结果。在网络延迟方面，观察到切片成功实现了用户请求的快速响应，平均响应时间较短，符合低时延服务的要求；在吞吐量方面，切片节点表现出良好的数据处理能力，能够在高负载情况下保持相对稳定的传输速率，确保了切片应用的高效运行。对于丢包率的监测显示，切片网络表现出很高的稳定性和可靠性，丢包率维持在较低水平，有助于提供更为可靠的网络服务。这些评估结果进一步验证了5G 切片管控技术在边缘计算中的实用性和卓越性能。得益于切片的定制化配置和灵活性，成功满足了多个垂直行业的差异化需求。

4 案例研究与性能评估

4.1 典型场景下的应用案例

在5G 智能电网中，超可靠低延迟通信（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）场景涵盖了智能分布式配电自动化和精准负荷控制业务，为电网提供了高可靠性和低时延的通信支持。以智能分布式配电自动化为例，通过5G 网络连接的智能传感器和执行器，电网可以实现实时的监测、控制以及管理。当电网中的某个节点出现异常情况时，系统可以立即做出反应，实现自动化的配电调整，提高电网的可靠性和健壮性。

在精准负荷控制业务中，5G 技术为电网提供了精细化的负荷监测和调度能力。通过与各种负荷设备的实时通信，电网可以根据实际需求对负荷进行精准控制，实现对电能的高效分配与利用[5]。例如，在电力需求波动较大的情况下，系统可以实时调整负荷配置，确保电网运行在最优状态，同时最大限度地提高能源利用效率。

4.2 性能评估与比较

智能分布式配电自动化系统和传统云计算系统的性能评估比较如表1 所示，前者在多个关键指标上展现了明显的优势。

表1 性能评估比较结果

在时延方面，智能分布式配电自动化系统实现了较低的1 ms 时延，相较于传统云计算的10 ms，具备更高效的实时响应能力。在可靠性方面，智能分布式配电自动化系统达到了99%的可靠性，而传统云计算系统仅为95%，相比之下，智能分布式配电自动化系统表现出更强的系统稳定性。在带宽和数据吞吐量方面，智能分布式配电自动化系统与传统云计算系统分别达到了10 Gb/s 和1 Gb/s 与100 Mb/s 和50 Mb/s，显示了更大的网络容量和数据传输效率。此外，智能分布式配电自动化系统支持更高的连接密度，可达到10 000 个/km2，而传统云计算仅为7 800 个/km2。最后，在安全性方面，智能分布式配电自动化系统表现出较高水平，能够提供更可靠的安全性保障，相对于传统云计算的中等水平，更适用于对安全性要求较高的应用场景。综合而言，智能分布式配电自动化系统在性能评估中展现了更为卓越的技术特点，为各类业务场景提供了更优越的网络支持。