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边缘计算:5G 应用核心平台

三驾马车 11天前

分类: 物联网 214 0

5G 引入三大应用场景,eMBB(高速移动通信)、mMTC(大规模机器通信)、URLLC(低时延高可靠),为克服传输网的性能瓶颈,边缘计算成为5G 网络的核心网络技术之一。

什么是边缘计算?

边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台。边缘计算与云计算互相协同,共同助力各行各业的数字化转型。它就近提供智能互联服务,满足行业在数字化变革过程中对业务实时、业务智能、数据聚合与互操作、安全与隐私保护等方面的关键需求。

通俗点来说:如果把云计算比作整个计算机智能系统的大脑。那么边缘计算就是这个系统的眼睛耳朵和手脚。核心服务器让智能系统具有很强的人工智能,但是如果这个人工智能是聋子瞎子,它也发挥不了太大的作用。大数据应用中常常面对的一个痛点,就是没有采集到合适的数据。边缘计算可以为核心服务器的大数据算法提供最准确,最及时的数据来源。边缘计算和云计算的结合让整个智能系统不但头脑清楚,而且耳聪目明,手脚灵便。

5G时代的多元化应用催生了边缘计算的快速发展,其将影响网络架构的跨时代变革,推动网络建设、支持、运营链条的革命性重构。边缘计算可加速未来物联网业务实现高带宽、低延时、高密度链接等需求,同时满足系统在实时业务、智能应用、安全隐私保护等方面的要求。由此可见,边缘计算的实现将加速推动智慧城市、远程医疗等新物联业务的发展。如果说3G、4G是云计算的时代,那么5G就是边缘计算时代。

为实现更强的网络功能,边缘计算成为5G 传输网核心技术之一

5G 拓展三大应用场景,在无线侧通过硬件/软件技术的大幅提升,契合不同应用场景的网络性能需求,但在传输侧,由于硬件技术升级空间有限,必须通过网络结构的优化满足5G时代新应用对网络性能的要求。5G 面向大带宽(eMBB)、大规模连接(mMTC)、超低时延高可靠(URLLC)三大应用场景,需要提供不同的网络性能。在无线侧有大量新技术实现对不同应用场景的支撑,但传输网络侧,硬件技术提升有限的情况下,需要对网络架构进行革新。

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5G 承载网引入资源池云化、控制平面/用户平面分离等新架构,解决传输侧对5G 不同应用场景的支撑问题,其中边缘计算是最核心的新技术之一。传统网络结构中,网元具备完整的功能,每个网元需要单独进行配置,网元间关系相对刚性。5G 三大应用场景对网络性能要求各不相同,因此5G 时代网元功能解耦,控制平面保留在核心网层面,城域网、回传网和接入侧前传网的网元只进行用户平面数据的转发和处理,网元之间资源可以灵活调配,实现不同的网络功能。

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随着网络底层技术的不断革新,新的应用和商业模式推陈出新,5G 面向的三大应用场景,未来将催生大量新应用,对网络性能产生更高要求。5G 时代,eMBB 场景将带动VR/AR、超清视频、超清直播等应用的落地;mMTC 场景将带动广域物联网、智慧家居、智慧城市等应用的成熟;URLLC 场景有望带来自动驾驶、工业互联网、能源互联网等新技术和应用的落地。随着这些下游应用的成熟,对网络能力又提出更高的要求,必须通过新的网络技术才能满足大量新应用的需求。

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边缘计算技术就是解决不同应用带来的多样化网络需求的核心技术之一,在靠近接入网的机房增加计算能力,将能够1)大幅降低业务时延、2)减少对传输网的带宽压力降低传输成本、3)进一步提高内容分发效率提升用户体验。传统网络结构中,信息的处理主要位于核心网的数据中心机房内,所有信息必须从网络边缘传输到核心网进行处理之后再返回网络边缘。5G 时代,传输网架构中引入边缘计算技术,在靠近接入侧的边缘机房部署网关、服务器等设备,增加计算能力,将低时延业务、局域性数据、低价值量数据等数据在边缘机房进行处理和传输,不需要通过传输网返回核心网,进而降低时延、减少回传压力、提升用户体验。

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为实现边缘计算,需要在更底层的网络节点增加计算和转发能力,运营商组网结构将逐步演进,边缘计算能力持续提升。边缘计算是5G 时代引入的新技术,但其架构开放,也可以部署应用于4G LTE 网络。运营商将在现有网络结构上平滑演进,最终实现低层网络节点计算能力的全面覆盖,边缘计算能力持续提升。

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具体来看:

1)4G 阶段:在基站和核心网之间的S1 接口增加边缘计算节点,实现业务数据的分流。在热点地区边缘计算可以部署在基站接入侧,本地业务从基站经过边缘计算节点分流至本地服务器,降低回传网负载。在BBU 池化的场景下,边缘计算可以部署在BBU 池机房,提升边缘计算的业务复用率,降低对设备资源的需求。

2)Pre-5G 阶段:随着网络虚拟化技术的成熟,5G 接入机房实现虚拟化改造,基站BBU虚拟化后形成Cloud-BBU,部署在接入机房的数据中心,核心网元完成控制和转发的分离,网关节点分离成控制面网元(SGW-C、PGW-C 和TDF-C)和转发面网元(SGW-U、PGW-U、TDF-U),转发面网元可部署在接入机房,控制面网元部署在核心网机房。边缘计算节点与转发面网元以及Cloud-BBU 一起部署在接入机房的数据中心。

3)5G 阶段:5G 网络架构以数据中心为基础设施,以云化为基础平台,形成四个云中心:无线接入云、边缘云、汇聚云和核心云。边缘计算基于5G 网络架构,分别使用5G UPF和PCF 的网络功能实现分流功能和分流策略控制。5G 网络通过PCF 将分流策略配置给SMF,然后经过SMF 发送到基站及UPF,实现UPF 的分流功能,将业务分流到MEC 服务器。由于5G 网络引入UPF 和PCF 的新网元,边缘计算通过UPF 和PCF 实现部署,因此能够解决边缘计算的计费问题和策略问题,使边缘计算能够真正实现商用化。

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边缘计算根据使用场景不同部署在5G 网络不同层次

5G 业务场景众多,不同业务场景对信息处理和转发的需求差异较大,因此边缘计算也将部署在不同的网络层次,实现对各种业务的针对性支持。5G 网络中可以按需将边缘计算节点部署在接入云、边缘云或汇聚云。1)对于低时延(URLLC)场景,边缘计算需要部署在靠近基站的接入云;2)对于大流量热点(eMBB)场景,边缘计算可以部署在边缘云提高复用率;3)对于广域大连接(mMTC)场景,边缘计算可部署在更高的汇聚云,实现大范围覆盖区域内的业务需求。

具体来看:

对于低时延场景,边缘计算节点部署在CU 机房。5G 基站接入DU/CU 机房,其中DU 主要实现物理层、转发层等业务,CU 处理更高层网络协议。边缘计算节点在最靠近基站的节点部署,能够就近处理本地业务,为用户提供超低时延(<4ms)的服务,但相应的,边缘计算节点的业务覆盖范围较小,导致难以支持高速移动应用,因此更适用于移动性低、但对时延敏感的业务,如VR/AR 等。

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对于移动性和时延兼顾的业务或大流量业务,边缘计算节点可部署在边缘云机房,通过接入环与CU 连接,或直接与CU 共同部署在边缘云,与DU 通过中传网络连接。5G 回传网由DU 和CU 组成,早期CU/DU 可合设在接入机房,远期CU/DU 分离,DU 靠近接入侧而CU 靠近汇聚层。在相对接入侧更高的边缘机房部署边缘计算节点,能够协同更大范围内的基站网络资源,同时时延可控,因此适合于移动速度快、时延有一定要求的业务,如车联网等。

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对于大流量、广覆盖业务,边缘计算节点可部署在汇聚层机房。边缘计算节点与核心网转发面UPF 共同部署在汇聚层,能够覆盖更大网络范围,同时仍可以在较低网络层次终结业务流量,降低对传输网的带宽压力。适合于传统大流量应用(超高清视频等)、大连接应用(物联网等)。可以看到,边缘计算节点的部署位置不同,将带来覆盖范围、时延、移动性等的不同性能指标,根据不同的应用场景,可综合业务性能需求,在控制面管理编排系统的统一控制下完成最佳业务部署,实现网络资源的灵活调配。

边缘计算跟随5G应用落地,有望长期受益

5G网络建设逐步完成后,大量新应用有望迅速落地。可以预见的未来,VR/AR、自动驾驶、智慧家居、工业互联网等应用将在5G时代进入规模商用阶段。根据中国信通院《5G经济社会影响白皮书》预测,2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到6.3万亿和10.6万亿元。在直接产出方面,按照2020年5G正式商用算起,预计当年将带动约4840亿元的直接产出,2025年、2030年将分别增长到3.3万亿、6.3万亿元,十年间的年均复合增长率为29%。在间接产出方面,2020年、2025年、2030年,5G将分别带动1.2万亿、6.3万亿和10.6万亿元,年均复合增长率为24%。具体结构上看,与边缘计算相关的网络设备和信息服务经济产出占比达到万亿规模。边缘计算受益于5G应用的快速落地,将对设备商和信息服务商带来长期增量市场空间。

作者:Kane(创业风编辑)  素材来源:天风证券研究所

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