在接下來的幾年中，5G有望通過新的用例，業(yè)務(wù)模型和組織重塑整個行業(yè)，這些新用例，業(yè)務(wù)模型和組織將隨著技術(shù)和業(yè)務(wù)格局的變化而出現(xiàn)。這其中，5G無線技術(shù)的成長，包括邊緣計算架構(gòu)，都是必要的。5G主要的發(fā)展有：O-RAN（開放無線接入網(wǎng)），它直接解決了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)快捷性和成本問題；云計算的發(fā)展，對于企業(yè)使用公共本地私有云的任何靈活I(lǐng)T架構(gòu)而言，它都是可伸縮的和不可或缺的，云計算還通過終端設(shè)備支持具有高帶寬應(yīng)用程序的各種混合模型；和人工智能的結(jié)合，AI在改善網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行（尤其是網(wǎng)絡(luò)邊緣）并創(chuàng)造新的服務(wù)機(jī)會方面可以發(fā)揮重要作用。

　　本文提供了有關(guān)5G架構(gòu)的演變，其對現(xiàn)有云架構(gòu)的適應(yīng)性以及可用于當(dāng)前cloud-native應(yīng)用的各種方法。它涵蓋了新興用例及其對5G網(wǎng)絡(luò)的要求的詳細(xì)全景圖，這些用例可為不同延遲范圍的應(yīng)用程序提供先進(jìn)的移動，計算，存儲和加速功能。

　　最重要的是，本文在定義邊緣架構(gòu)的同時，深入了解了各種行業(yè)計劃，同時還考慮了計劃為5G應(yīng)用服務(wù)的新興網(wǎng)絡(luò)?？傮w而言，它定義了下一代邊緣參考架構(gòu)，并探索了網(wǎng)絡(luò)的未來方向。

　　下一代5G邊緣計算技術(shù)

　　作為下一代無線技術(shù)，5G與以前的無線世代完全不同。前幾代的無線技術(shù)旨在連接人與人以及人與網(wǎng)絡(luò)，而它能夠連接物品與人、網(wǎng)絡(luò)以及其他的許許多多東西。它還解決了一系列垂直行業(yè)的擴(kuò)展問題，使網(wǎng)絡(luò)更靈活地滿足對時延，單元密度，射頻頻譜和數(shù)據(jù)速率的廣泛要求。

　　5G致力于支持三種廣泛的應(yīng)用類別，以實現(xiàn)前所未有的用例：eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶），mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）和URLLC（超可靠的低延遲通信）。5G架構(gòu)比以往的無線世代要要分散得多，需要更多的單元以實現(xiàn)更分布的處理。

　　5G架構(gòu)與云的交互以及支持更廣泛的垂直領(lǐng)域的關(guān)鍵特征和特性有：

　　5G CLOUD-NATIVE架構(gòu)是分散化和虛擬化的

　　具有分布式架構(gòu)

　　5G無線接入網(wǎng)絡(luò)：新級別的容量，峰值數(shù)據(jù)速率和低延遲。

　　5G和邊緣計算使用案例

　　近些年，云計算成為了數(shù)據(jù)中心發(fā)展的主導(dǎo)因素。一些大規(guī)模的基于云的數(shù)據(jù)平臺，如Super 7 CSPs，持續(xù)地提高能力和影響力。云計算經(jīng)濟(jì)也十分引人注目；大規(guī)模共享的可重復(fù)使用的計算，網(wǎng)絡(luò)與存儲資源可以產(chǎn)生可觀的利潤。到2020年，發(fā)布的應(yīng)用中超過70%將會用于云、網(wǎng)絡(luò)部署。

　　圖1 預(yù)期邊緣演變

　　邊緣計算對于機(jī)器學(xué)習(xí)和其他形式的人工智能（例如圖像識別，語音分析和傳感器的大規(guī)模使用）特別重要。5G與客戶之間的無線通信以及核心架構(gòu)中不斷涌現(xiàn)新的創(chuàng)新，可能的改進(jìn)或新服務(wù)中最佳示例用例如下：自動車輛控制、緊急通訊、工廠單元自動化/智能工廠、大型戶外活動/體育場、大量的地理位置分散的設(shè)備/物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程手術(shù)和檢查、智慧城市、智能電網(wǎng)、交通信息、虛擬現(xiàn)實，增強(qiáng)現(xiàn)實和游戲。使用案例有：增強(qiáng)現(xiàn)實、邊緣視頻分析、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和邊緣內(nèi)容緩存、邊緣加速網(wǎng)、健康保健、語音分析和派生工作負(fù)載、物聯(lián)網(wǎng)邊緣的數(shù)據(jù)處理、視頻監(jiān)控和安全應(yīng)用、將活動參與者連接到視頻和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序、遠(yuǎn)程監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)故障排除和虛擬機(jī)。

　　AI / ML在下一代邊緣系統(tǒng)中的作用

　　AI / ML（人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)）的作用越來越大，這是設(shè)計下一代邊緣網(wǎng)絡(luò)的正在加速的趨勢。先進(jìn)的AI / ML技術(shù)正被用于解決新興的自主，沉浸式和多模式感官應(yīng)用所帶來的復(fù)雜，嚴(yán)格和多樣化的要求。

　　預(yù)計AI / ML工具的應(yīng)用將滲透到邊緣系統(tǒng)設(shè)計的各個方面，從啟用AI / ML的客戶端設(shè)備到無線接入網(wǎng)再到云基礎(chǔ)架構(gòu)。最近的一項工作是將ML技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化各種應(yīng)用程序的端到端（E2E）交付，密集和分層的多無線接入邊緣基礎(chǔ)架構(gòu)的部署和管理，以及對這些應(yīng)用程序的動態(tài)適應(yīng)和編排軟件定義的云和服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)。

　　圖2 基于ML和AI的技術(shù)滲透到E2E無線系統(tǒng)設(shè)計，服務(wù)管理和交付的各個方面

　　隨著基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式AI / ML的普及，將有廣泛極大的動機(jī)將無線邊緣用于分布式學(xué)習(xí)的集成計算通信引擎。考慮到無線基礎(chǔ)設(shè)施的普遍性，人們可以設(shè)想將無線邊緣用于ML訓(xùn)練的趨勢正在增加，而這將會使得其計算工作負(fù)載過重。為此，必須解決無線邊緣網(wǎng)絡(luò)和客戶端的限制，這需要開發(fā)一種新的設(shè)備，并使用跨學(xué)科的方法，既運(yùn)用AI / ML技術(shù)，又能滿足無線通信的局限性。

　　5G架構(gòu)，流狀態(tài)分析

　　3GPP當(dāng)前專注于基于ITU IMT-2020要求的第五代無線系統(tǒng)5G規(guī)范。針對5G早期版本的5G規(guī)范的第一階段，該版本的功能有限，已作為3GPP第15版的一部分發(fā)布。該版本從2019年開始已部署15版兼容的5G系統(tǒng)，并預(yù)計在2020年時大規(guī)模推出。

　　O-RAN聯(lián)盟是一個由運(yùn)營商主導(dǎo)的行業(yè)組織，旨在開發(fā)基于3GPP Split RAN架構(gòu)的Open RAN架構(gòu)。

　　圖3 O-RAN結(jié)構(gòu)

　　圖4總結(jié)了前傳，中傳和回傳之間不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)要求。盡管中傳網(wǎng)絡(luò)的延遲預(yù)算比回傳略小，但所需的傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)卻非常相似，如表1所示。實際上，在許多情況下，考慮到運(yùn)營商甚至在給定城域內(nèi)將采用的不同部署方案，中傳和回傳流量也將在網(wǎng)絡(luò)的許多部分中合并（例如，Distributed-RAN (D-RAN)和Centralized-RAN/Cloud-RAN (C-RAN/Cloud-RAN)的合并）。

　　表1 移動傳輸網(wǎng)絡(luò)特性

　　LTE和5G無線的帶寬增長要求對前傳流量進(jìn)行打包以支持所需的規(guī)模。

　　圖4 減少前傳帶寬

　　一旦部署了5GC（5G Core），移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（MNO）將能夠利用3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義的這一新功能。5G旨在支持廣泛的應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)需求，這些應(yīng)用和需求都有其各自的性能，規(guī)模，可靠性要求。標(biāo)準(zhǔn)中定義了3GPP網(wǎng)絡(luò)切片，以增加靈活性和可擴(kuò)展性，以在同一基礎(chǔ)架構(gòu)上同時有效地支持更多樣化的需求。盡管沒有3GPP網(wǎng)絡(luò)切片的目標(biāo)用例的事實清單，但行業(yè)中正在討論許多不同的觀點和候選應(yīng)用。

　　圖5 網(wǎng)絡(luò)切片的整體視圖

　　邊緣架構(gòu)-流狀態(tài)分析

　　作為5G所需的重新架構(gòu)的一部分，很大的一系列轉(zhuǎn)換將在邊緣進(jìn)行。與服務(wù)的貨幣化相關(guān)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換包括：OTT服務(wù)，以及渴望實現(xiàn)更快的上市時間（TTM）的技術(shù)轉(zhuǎn)換；技術(shù)轉(zhuǎn)換包括：服務(wù)質(zhì)量（QoE），超低延遲技術(shù)，SDN、NFV和開放邊緣云的集成，利用邊緣分析能力進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，5G組件虛擬化和自動化。

　　該架構(gòu)正在轉(zhuǎn)變，以包括類似于5G新型無線多業(yè)務(wù)自適應(yīng)（NORMA） 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)云概念，ECOMP（增強(qiáng)控制，編排，管理和策略）以及由RAN，核心，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）和應(yīng)用程序交付組成的靈活架構(gòu) ，自動化和物聯(lián)網(wǎng)。最終的變革發(fā)生在工業(yè)領(lǐng)域，其中IT（信息技術(shù)）與OT（運(yùn)營技術(shù)）相交。這包括信息，通信技術(shù)和電子（ICT&E），SCADA（監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)，ICS（工業(yè)控制系統(tǒng)）和物聯(lián)網(wǎng)，所有這些領(lǐng)域都需要低延遲和高安全性。

　　圖6 云，霧，邊緣示意圖

　　下一代邊緣參考架構(gòu)

　　預(yù)計5G在許多方面都是革命性的，這將需要對5G系統(tǒng)的計劃、設(shè)計和運(yùn)營進(jìn)行新的考慮。例如，最佳功能布局已成為有效，高效地部署支持超低延遲和高帶寬應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要求。虛擬RAN和核心網(wǎng)元的位置以及應(yīng)用程序工作負(fù)載（AR / VR，工業(yè)自動化，聯(lián)網(wǎng)汽車等）將取決于光速，如圖7所示。

　　圖7 邊緣計算布局

　　以下是一些可能會在邊緣上部署的應(yīng)用程序及其關(guān)聯(lián)的時標(biāo)：

　　非實時應(yīng)用程序/第三方分析應(yīng)用程序（>?500毫秒）

　　近實時（?50-100 ms）UE /區(qū)域優(yōu)化應(yīng)用程序/第三方應(yīng)用程序

　　作為增值服務(wù)的第三方應(yīng)用程序

　　與UEs直接交互的第三方應(yīng)用程序

　　圖8引入了一種架構(gòu)模式，該模式用簡單的控制應(yīng)用程序替代了當(dāng)前的單片系統(tǒng)。使用這種方法，創(chuàng)建用戶流成為將這些控制應(yīng)用程序與東西向和南北向接口拼接在一起的問題。這些控制應(yīng)用程序可以用一組與各自的用戶平面（UP）功能和適用于它們所服務(wù)的區(qū)域的資源相關(guān)聯(lián)的控制平面組件來實現(xiàn)。

　　圖8 有線和無線訪問的統(tǒng)一邊緣架構(gòu)

　　此體系結(jié)構(gòu)模式的主要元素是延遲受限的網(wǎng)絡(luò)功能的分解，可編程性，分解及分解后的功能組件的分布和互連，以及用于自優(yōu)化系統(tǒng)的智能分布。

　　部署注意事項

　　邊緣云（EC）站點構(gòu)成共享資源，用于交付各種應(yīng)用程序，例如AR / VR，自動駕駛汽車，智能高速公路，互聯(lián)房屋，工廠和交互式服務(wù)。邊緣云站點被實現(xiàn)為一套虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（vNF），每個虛擬站點功能都有自己的EC站點資源和位置要求。同樣，不同的RAN功能拆分也對EC站點提出了要求。EC站點的選擇和理想的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诤艽蟪潭壬先Q于重要屬性的綜合要求，這些要求涵蓋了所有受支持的網(wǎng)絡(luò)功能，包括：

　　延遲——UE-EC

　　訂閱者分布

　　所需的地理覆蓋范圍

　　流量特性——每天的時間變化，UE的移動

　　吞吐量，計算和存儲要求

　　與基于網(wǎng)絡(luò)的通用功能的連接

　　跨EC站點的彈性和負(fù)載平衡

　　可用性，恢復(fù)性和網(wǎng)絡(luò)可靠性

　　選擇邊緣計算（EC）站點并將工作負(fù)載分配到EC站點是一個復(fù)雜的優(yōu)化問題。SLA的延遲要求，用于不同vNFs的各種資源，拓?fù)浜推渌Y源限制以及包括成本和可用性在內(nèi)的多個標(biāo)準(zhǔn)都會是不同的挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上講，這是一個很大的約束組合問題。幾種聚類和數(shù)學(xué)編程方法被用于設(shè)計，并且已經(jīng)開發(fā)了許多有效的啟發(fā)式方法。設(shè)計方法的詳細(xì)信息特定于提供商的網(wǎng)絡(luò)和資源。

　　開源和標(biāo)準(zhǔn)的作用

　　邊緣的特點是，固定和移動接入網(wǎng)絡(luò)的各種需求由不同的主題、用例、部署方案和業(yè)務(wù)模型驅(qū)動。有兩個關(guān)鍵技術(shù)范例與這些邊緣的特點重疊——5G和云計算。

　　ETSI NFV有一個MEC特定的工作組，但是在移動系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上工作的其他SDO（例如3GPP和O-RAN Alliance）沒有指定特定于邊緣的體系結(jié)構(gòu)。也有一些開源項目從云概念汲取到邊緣。其中Linux Foundation Edge和OpenStack Edge計劃值得注意。

　　為了創(chuàng)建帶有“護(hù)欄”的開放式創(chuàng)新領(lǐng)域，組織不得不適應(yīng)并創(chuàng)建側(cè)重于邊緣的需求和開源項目。開放源代碼計劃與標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織（SDO）共同發(fā)揮的作用是5G技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵要素。

　　使用開源的最主要驅(qū)動力包括通過降低互操作門檻促進(jìn)多廠商生態(tài)系統(tǒng)，通過利用開源軟件提高創(chuàng)新速度以及通過虛擬化實現(xiàn)云規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

　　未來方向

　　當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是基于以主機(jī)為中心的通信模型。擁有地址可連接并在主機(jī)和客戶端之間建立會話是接收數(shù)據(jù)的先決條件。然而，互聯(lián)網(wǎng)的使用已經(jīng)發(fā)展，大多數(shù)用戶主要對訪問大量信息感興趣，而對其物理位置如何并不在乎。

　　互聯(lián)網(wǎng)使用模式的這種轉(zhuǎn)變，以及對安全性和移動性支持的需求，已導(dǎo)致研究人員考慮使用基于名稱的體系結(jié)構(gòu)。路由，轉(zhuǎn)發(fā)，緩存和數(shù)據(jù)傳輸操作是在與拓?fù)錈o關(guān)的內(nèi)容名稱上執(zhí)行的，而不是在IP地址上執(zhí)行的。命名數(shù)據(jù)塊可以使ICN（信息中心網(wǎng)絡(luò)）按照其語義直接解釋和處理內(nèi)容，而無需進(jìn)行深度數(shù)據(jù)包檢查（DPI）或?qū)⑵湮山o應(yīng)用程序?qū)印?/p>

　　圖9 互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的時間表

　　當(dāng)今的邊緣計算是實時執(zhí)行的，但業(yè)務(wù)流程主要是通過集中式架構(gòu)在帶外進(jìn)行的。然而，由于移動性，無線鏈路的開啟或關(guān)閉，上下文的變化等，計算和邊緣服務(wù)要求可能會在邊緣動態(tài)變化。ICN的基本體系結(jié)構(gòu)是分布式和分散的，這與動態(tài)業(yè)務(wù)流程的需求非常吻合。諸如NFN和RICE之類的其他協(xié)議通過將編排與執(zhí)行綁在一起，從而在邊緣進(jìn)行深度學(xué)習(xí)或聯(lián)合學(xué)習(xí)的編排。

　　結(jié)論

　　隨著移動業(yè)務(wù)量的增長，人們普遍接受在移動網(wǎng)絡(luò)中采用更多虛擬化技術(shù)，以及更多由軟件驅(qū)動的設(shè)備，這些設(shè)備具有靈活，智能和高能效的特點，以促進(jìn)高效的無線訪問和融合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。O-RAN是該領(lǐng)域的最新發(fā)展之一，致力于解決網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)靈活性和成本問題。在此方面，本白皮書討論了幾個關(guān)鍵問題，包括5G和人工智能技術(shù)相結(jié)合的新興創(chuàng)新。

　　5G網(wǎng)絡(luò)的示例用例和要求也在本文中提供了。已經(jīng)演示了5G如何在考慮了一系列延遲問題的情況下促進(jìn)應(yīng)用程序的移動，計算，存儲和加速功能。該論文還涵蓋了5G，AI和邊緣計算領(lǐng)域的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了新興的用例和服務(wù)的好處。它概述了下一代Edge網(wǎng)絡(luò)的愿景和發(fā)展路徑，研究了5G和Edge架構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)，并回顧了AI和ML的新興作用。

　　在定義下一代Edge參考架構(gòu)并探索網(wǎng)絡(luò)的未來方向時，5G確實被證明處于計算邊緣。