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(wǎng)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(chǎn)業(yè)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(chǔ)網(wǎng)絡與支撐系統(tǒng)協(xié)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(yè)務供給能力的試金石和重要手段。

第一，云內(nèi)核。5G內(nèi)核是以云為基礎(chǔ)的服務體系結(jié)構(gòu)，是以網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）/軟 件 定 義 網(wǎng) 絡（Software Defined Networking，SDN）為基礎(chǔ)的云計算系統(tǒng)。

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(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MEC系統(tǒng)架構(gòu)

第三，網(wǎng)絡分割。網(wǎng)絡分割是以5G為基礎(chǔ)為不同的商業(yè)應用設計的一種服務概念與方式。

結(jié)合企業(yè)業(yè)務需求和網(wǎng)絡現(xiàn)狀，從網(wǎng)絡和云計算的視角進行集成探討，對企業(yè)進行全面的能力計劃和發(fā)展戰(zhàn)略策劃，為產(chǎn)業(yè)協(xié)作的產(chǎn)品提供支持，并探討其新的空間和價值。隨著5G技術(shù)在各行各業(yè)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(jié)省功耗及成本。設計的新方案通過使用N2和N3的接口協(xié)議堆疊來實現(xiàn)5G基站和5G內(nèi)核網(wǎng)絡的N2和N3連接。例如，在企業(yè)園區(qū)部署中，為了保證敏感業(yè)務的安全性和實時性，建立公司內(nèi)部移動通信私網(wǎng)和運營商移動通信公網(wǎng)混合組網(wǎng)模式，使企業(yè)安全敏感業(yè)務和時延敏感性業(yè)務利用企業(yè)內(nèi)部移動通信私網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，同時企業(yè)公共業(yè)務和企業(yè)內(nèi)部員工上網(wǎng)活動通過運營商移動通信公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸[1]。在企業(yè)內(nèi)建設的5G移動通信專用網(wǎng)絡包含Mobile邊緣運算平臺、5G無線基站、5G核心網(wǎng)絡以及5G網(wǎng)絡管理平臺4大網(wǎng)絡單元。為便于企業(yè)部署、節(jié)約成本及后期維護，采用集成方式部署。5G網(wǎng)絡的相關(guān)能力如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡能力

1 5G網(wǎng)絡的典型能力分析

1.1 云核心網(wǎng)能力

5G內(nèi)核采用云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)云核心網(wǎng)能力創(chuàng)造了一個自然環(huán)境。它引入網(wǎng)絡開放功能（Network Exposure Function，NEF），并將其作為一個標準的網(wǎng)元函數(shù)向公眾開放。云化的核心網(wǎng)容量占到整個系統(tǒng)80%的原始容量，是運營商開放的關(guān)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(gòu)（Service Based Architecture，SBA）、切片選擇、切片管理、MEC以及4G/5G的互聯(lián)。根據(jù)NEF體系結(jié)構(gòu)，可以部署的特定網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(jīng)開始對它進行試驗，并且打算商業(yè)化使用。Rel-17是5G的加強版，核心功能包括衛(wèi)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(wǎng)相比是應用功能（Application Function，AF）+數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 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(tǒng)可以利用網(wǎng)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(wǎng)絡開放功能（Network Exposure Function，NEF）/PCF進行更多的互動，并能夠?qū)?GC的其他功能進行訪問，例如消息訂閱和服務質(zhì)量等。MEC體系結(jié)構(gòu)包括下列的函數(shù)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(chǔ)架構(gòu)等。MEC平臺管理包括虛擬化基礎(chǔ)設施架構(gòu)（Virtualization infrastructure architecture，VIM）和移動邊緣運算平臺（Mobile Edge Platform Manager，MEPM）的主機級網(wǎng)絡。MEC運行管理包括運行和操作管理系統(tǒng)和移動邊緣規(guī)劃（Mobile Edge Orchestrator，MEO）。

MEC系統(tǒng)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(wǎng)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(zhì)量策略以及用戶策略更新等。第三，云計算的性能?；A(chǔ)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(fā)能力，如編解碼、轉(zhuǎn)換以及渲染等。

1.3 網(wǎng)絡切片能力

一種網(wǎng)絡切片是由網(wǎng)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(wǎng)的子網(wǎng)絡的分塊范例，由網(wǎng)絡切片管理，包括通信服務管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、網(wǎng)絡切片控制功能（Network Slice Management Function，NSMF）以及網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理 功 能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF），以達到端對端的網(wǎng)絡切片管理。5G網(wǎng)絡中，每一個分層都有相應的服務等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）指標，以適應各種業(yè)務要求。切片是一種具有開放性的網(wǎng)絡化功能。CSMF能夠根據(jù)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(chǔ)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(tài)更改[5]。

1.4 云邊協(xié)同能力

以云計算為核心，以計算、網(wǎng)絡、存儲以及安全為基礎(chǔ)，在中央云和物聯(lián)網(wǎng)終端建立“云邊端三體協(xié)同”的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，并將網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)、存儲、計算以及智能化的數(shù)據(jù)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(wǎng)調(diào)度和算力并發(fā)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(xié)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(yè)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(lián)網(wǎng)電視（Over The Top，OTT）。邊緣運算是對云計算技術(shù)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(xié)調(diào)控制必須采用統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一接口以及統(tǒng)一的管理方式，使中央云、邊緣云以及中間云的協(xié)作控制更加簡單[6]。

2 5G邊緣運算技術(shù)方案研究

2.1 技術(shù)概述

與其他技術(shù)不同，邊緣運算技術(shù)相關(guān)的概念早在很多年前已被提出，但直到5G技術(shù)的融入才得到了極大提高。目前，無線網(wǎng)絡服務和網(wǎng)絡更新的需要，促進了邊緣運算技術(shù)的發(fā)展。邊緣運算源于歐洲電信標準化協(xié)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(wǎng)絡提供相當程度的云端運算，降低網(wǎng)絡通信延遲效應，提升網(wǎng)絡運作效能。目前，伴隨著5G、信息網(wǎng)以及通信服務的不斷發(fā)展和優(yōu)化，有關(guān)邊緣運算的理論內(nèi)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(wǎng)絡（Radio Access Network，RAN）的基礎(chǔ)上加入了多種應用。在特定的參照體系結(jié)構(gòu)上，邊緣運算可以分為網(wǎng)絡層面、邊緣運算業(yè)務平臺以及網(wǎng)絡監(jiān)控體系3個層面。在進行邊緣運算時需要遵守一些規(guī)范，如邊緣運算的設計與實際管理、業(yè)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(shù)方案必選

5G邊緣技術(shù)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(yōu)勢所在。在現(xiàn)有的4G系統(tǒng)框架中，通過不斷部署和優(yōu)化邊緣運算，相關(guān)技術(shù)逐漸成熟。由于5G體系結(jié)構(gòu)不斷完善，5G的網(wǎng)絡模型不斷完善。4G的邊緣運算技術(shù)以ETSI為基礎(chǔ)，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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)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(chǔ)上進行深度包檢測技術(shù)（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(wǎng)（Wide Area Network，WAN）數(shù)據(jù)，而5G的邊緣運算技術(shù)能夠使其獲得更多的數(shù)據(jù)。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(yè)務、服務要求以及網(wǎng)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(shù)大都采用了分布式方式，利用各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)同功能機制發(fā)揮其最大作用。在現(xiàn)有的網(wǎng)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(wǎng)絡錨點和移動終端的最大距離，根據(jù)應用的流量路徑進行定位和計算。

2.3.2 對話轉(zhuǎn)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(wǎng)際協(xié)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(zhuǎn)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(nèi)出現(xiàn)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(yōu)化。

2.3.3 多個PDU的對話

在同一時間區(qū)間，多個PDU會話可以由用戶體驗終端（User Experience，UE）發(fā)起或連接，可選擇同一數(shù)據(jù)網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡能力一體化架構(gòu)的有效應用分析

3.1 智慧城市應用分析

在現(xiàn)代都市發(fā)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(fā)展具有重大影響。5G與智能城市關(guān)系密切，可以有效提升城市的整體建設。例如，在現(xiàn)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(chuàng)新和發(fā)展。在運用5G邊緣運算技術(shù)時，重點在于如何有效分析和處理目前各個街區(qū)、公安系統(tǒng)以及運營商的通信數(shù)據(jù)，并采用新穎的手段來綜合和分析數(shù)據(jù)，使其能夠更好地為市民提供智能化服務。運用邊緣技術(shù)還可以加快智能城市相關(guān)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(fā)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(chǔ)、交通、醫(yī)療衛(wèi)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(nèi)外對5G的邊緣運算技術(shù)進行了廣泛討論。為推動5G技術(shù)的長期發(fā)展，5G邊緣技術(shù)越來越多地融入人們的生活。例如，5G邊緣運算技術(shù)可以廣泛運用于交互和視頻等方面。互動直播已經(jīng)是一種非常普遍的行為方式，改善了市場狀況和相關(guān)產(chǎn)業(yè)，并通過相應的部署和布局得到了全方位優(yōu)化和變革，獲得了可觀的經(jīng)濟效益。邊緣運算技術(shù)是一種新型的高并行邊緣分布技術(shù)，為云中央處理系統(tǒng)提供了大量資源。在現(xiàn)有核心帶寬的情況下，它可以節(jié)約30%的帶寬，有效降低交互直播延遲，提升互動直播的節(jié)目品質(zhì)和觀眾的觀看體驗。在互動直播領(lǐng)域中積極應用5G邊緣運算技術(shù)，可以有效降低云中央的工作負荷，推進互動直播產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和優(yōu)化升級。

3.3 智慧校園應用分析

自2009年以來，國家陸續(xù)出臺了一批有關(guān)教育信息化的政策。目前，智慧校園的建設架構(gòu)逐漸完善，有關(guān)理念逐漸清晰。在智慧校園構(gòu)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(xiàn)物理與虛擬的完美結(jié)合。例如，結(jié)合我國目前的智慧校園建設要求，充分進行調(diào)查和分析，制定了一個智慧校園的建設計劃，并結(jié)合不同的課堂教學形式和5G邊緣運算技術(shù)，將傳統(tǒng)課堂教學、室外教學、網(wǎng)絡直播以及錄課等進行優(yōu)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?；A(chǔ)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(tǒng)等。網(wǎng)絡應用則包括教育網(wǎng)絡、安全網(wǎng)絡以及教育網(wǎng)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(huán)境緊密結(jié)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(fā)展展望

4.1 標準化發(fā)展

目前，5G技術(shù)在技術(shù)研究、系統(tǒng)流程操作以及基礎(chǔ)設施建設方面均取得了較好效果，為其今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。5G邊緣運算技術(shù)實施過程必須嚴格遵守國家有關(guān)法規(guī)和產(chǎn)業(yè)標準，在保證各種技術(shù)多樣性和有效性的前提下提高系統(tǒng)的使用效率，防止技術(shù)和權(quán)利的混淆，減少技術(shù)缺陷。

4.2 業(yè)務協(xié)同發(fā)展

我國把5G邊緣運算技術(shù)運用于工業(yè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展，使其具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。?G邊緣運算技術(shù)擴展到更廣泛的領(lǐng)域，使5G邊緣運算技術(shù)得到了廣泛探索與分析應用，結(jié)合不同業(yè)務類型和服務需求創(chuàng)新其業(yè)務協(xié)作規(guī)劃與應用模式，帶來了更高的經(jīng)濟價值。

4.3 開放生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在我國的發(fā)展過程中，許多區(qū)域利用5G技術(shù)與邊緣技術(shù)的結(jié)合，使區(qū)域經(jīng)濟實力得到了明顯提高。這種開放的發(fā)展方式不僅可以使5G邊緣技術(shù)得到推廣，而且可以實現(xiàn)在政府機構(gòu)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(shù)不僅能夠在一定程度上實現(xiàn)功能的個性化，而且能夠?qū)ζ溥M行適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，在現(xiàn)有的開放工業(yè)發(fā)展鏈和發(fā)展模型基礎(chǔ)上不斷規(guī)范化5G邊緣運算技術(shù)，確保5G技術(shù)在充分理解開放型工業(yè)特征的情況下提高技術(shù)保障水平，為5G的發(fā)展和創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段，我國通信行業(yè)的發(fā)展格局和模式發(fā)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(shù)及其實際使用領(lǐng)域及前景，以期促進5G的發(fā)展。