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面向 5G 的边缘计算及部署思考

2016-01-03 8:30 作者: 管理员 上一篇 下一篇


摘要:
边缘计算对于运营商而言是一种网络架构和业务模式的创新。基于运营商的运维需求,针对5G的边缘计算提出了一套系统化的解决方案。5G 边缘计算的部署基于业务需求和场景,并结合网络需求、边缘基础设施、运营模式及维护管理需要,是性能与投资的均衡考虑。强大的生态系统是 5G 边缘计算发展的保障,完善的基础设施、灵活的网络和平台能力以及丰富的边缘应用是推动边缘生态繁荣的关键因素。


随着网络的不断拓展,越来越多的连接需要在边缘侧分析、处理与储存。随着终端能力的不断提升以及流量资费的进一步下调,大流量业务将会对用户月均流量消费额(DOU)产生直接拉动效应;预计在5G规模商用期,单用户平均流量带宽将达到 4G 网络的5~10倍,对回传网络产生巨大的压力。


当前的网络架构和移动技术对网络优化并不充分,基站到核心网往往距离数百千米,途径多重汇聚、转发设备,再加上不可预知的拥塞和抖动,难以保障一些对时延、可靠性要求较高的行业客户场景。更多的业务机会,更多的连接、利用并赋能,更好的业务体验需求均驱动了边缘计算的发展。而边缘计算作为一种网络架构和商业模式的创新,是5G网络服务垂直行业的利器之一。边缘计算是运营商提升网络价值的一次契机,将有可能推动产业链价值的重分配。

1  面向5G的边缘计算技术


边缘计算是一种在物理上靠近数据源头进行数据处理的方法,是一种分布式计算架构。它能够进一步减小传输时延,提高网络运营效率,提高业务分发/传送能力,优化/改善终端用户体验,满足行业用户在数字化变革过程中对业务实时、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。这与5G网络拓展垂直行业、面向服务的理念高度吻合,边缘计算作为5G原生功能将有助于实现应用本地化、内容分布化和计算边缘化。


1.1 面向5G的边缘计算为运营商提供了一个系统化解决方案

边缘计算相关标准在4G网络部署初期并未被考虑,欧洲电信标准化协会(ETSI)把移动网络和边缘计算的融合留给厂商实现也导致边缘计算方案各有不同。4G边缘计算以最小化网络影响为设计出发点,方案具有局限性。5G边缘计算由5G核心网(5GC)、边缘计算平台和用户设备(UE)协同实现,满足边缘场景下的计费、合法侦听、移动性管理和服务质量(QoS)需求。


为了更好地发挥边缘计算系统的能力,5G 边缘计算借鉴了 ETSI对边缘计算的参考架构和成熟理念,让用户平面功能(UPF)作为数据面锚点成为ETSI与第3代合作伙伴计划(3GPP)融合的关键点。在5G边缘计算中3GPP定义了网络架构,支持数据路由与能力开放;ETSI定义了平台架构,边缘计算平台实现 数 据 网 络(DN)和 应 用 功 能(AF)。


边缘计算功能在初期的5G网络中没有专属的网络功能(NF),而是分散在接入和移动性管理功能(AMF)、会话管理功能(SMF)、策略控制功能(PCF)、网络业务呈现功能(NEF)、AF、UPF的功能中。UPF的选择与控制通过边缘计算平台与5G核心网(5GC)交互完成,边缘计算业务受集中部署的5GC 统一管理和控制。边缘计算平台作为5G网络中的一个AF,通过NEF/PCF->SMF->UPF路径管理PDU会话、控制策略设置,部署在边缘计算平台上的边缘应用可以属于一个或多个网络切片。


1.2 5G为边缘计算提供了灵活可控的网络能力

5G网络采用C/U分离架构,用户面通过按需分布式部署,实现流量的本地卸载,从而支持端到端毫秒级时延。5G边缘计算为本地流量卸载提供了3种方案:上行分流、IPv6多归属以及本地数据网。


(1)上行分流根据SMF下发的过滤规则,通过检查数据包目的IP地址进行分流。上行分流方案中SMF 决定在 PDU 会话中插入上行分类器(UL-CL);UPF执行具体流程,支持 UL-CL 功能的 UPF 按照SMF 提供流量模板匹配业务流;UL-CL 功能提供到不同 PDU锚点的业务前传和下行流量汇聚。该方案中 1 个 PDU 会话仅 1 个 IP 地址(不考虑双栈),终端地址可以不变,减少应用层的交互。该方案适用于访问本地业务场景,如本地内容访问企业网、增强移动宽带(eMBB)场景本地分流业务、车联网等,通常采用隧道方式。


(2)IPv6多归属方案中分支点(BP)根据SMF下发的过滤规则,通过检查数据包源IP地址进行分流。IPv6多归属主要解决1个PDU 会话、多个IPv6地址的问题。该方案适用于物联网、高可靠性专网等场景;但由于要采用IPv6,目前实施难度较大。


(3)本地数据网分流通过终端判断自身位置,如终端处在本地数据网络(LADN)服务范围,则发起携带LADN 数据网络名称(DNN)的会话建立请求。



3 种分流方式都需要 UPF 和5GC的参与,但对终端和网络要求依次升高。与此同时,5G网络为满足按需的业务连续性,定义了3种会话与业务连续性(SSC)模式,可以针对不同的边缘计算业务保持PDU会话连接“锚点一直不断”“先拆后建”或者“先建后拆”。针对车到万物(V2X),如采用边缘计算技术,终端移动会导致UPF的频繁切换,此时SSC mode3模式可以在网络域保障业务连接不断。


1.3 能力开放和边缘智能是5G边缘计算的价值链延伸

5G边缘计算能力开放包括网络能力开放、信息技术(IT)资源开放以及管理开放。


网络能力开放主要指网络及用户信息开放、业务及资源控制功能开放。例如,通过将移动用户的位置信息开放,将人、物和数据之间的连接情景化,进一步拓展基于位置的精准营销服务及室内定位业务;通过将无线小区的负载信息、链路质量的实时及统计信息、网络吞吐量的实时及统计信息开放开始实现业务及网络质量优化。


5G边缘计算的网络能力开放通过平台中间件获取底层网络信息,统一发送给NEF实现能力开放调度与分发,NEF再通过北向标准的Restful 应用程序编程接口(API)开放给第三方边缘应用。边缘应用将处理后的数据信息反馈给NEF,NEF基于服务化接口通过5GC下发给边缘计算平台及 UPF 执行相关策略。


资源开放包括 IT 基础资源的开放、管理。边缘应用通过边缘计算的云管理系统实现底层IT资源规划部署、动态优化和业务编排。另外,考虑到5G边缘计算生态多样性,边缘计算还要提供图形处理器(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)等不同的硬件资源,同时还需叠加多种软、硬件加速技术,提供端到端的加速能力,以便更好地支撑资源能力开放。


管理开放指5G边缘计算管理系统通过对控制模块进行路由策略设置,针对不同用户、设备或者第三方的应用需求,实现对移动网络数据平面的控制。管理开放系统包括边缘计算实例生命周期管理、边缘计算平台中间件的创建、消亡以及第三方调用授权。


边缘能力开放需要实现边缘计算平台API的丰富和统一:丰富指需要业务丰富多样,既能通过网络能力API提供网络能力,又能通过行业API提供应用辅助能力,有力地促进应用的创新;统一指接口标准统一,便于调用、易扩展、跨平台,实现规模化效益。


5G网络是一种技术的收敛、应用的发散。当边缘应用场景海量参数无法依靠人工来优化的时候,则必须依靠边缘智能来解决。基于5G、借助人工智能技术的边缘智能是边缘计算的更高价值体现:通过在5G网络边缘部署具有人工智能芯片的人工智能型边缘计算平台,提供面向5G本地业务应用的人工智能运算和分析能力,引入边缘智能的5G边缘计算将有助于提升运营商网络智慧化和网络自动化,进一步地延伸网络价值链。当边缘计算成为边缘智能,可以使得边缘系统具备自治自律的能力、自给自足的算力以及智能,并将使得边缘应用摆脱“云计算”而相对独立地进行运营。

2  5G边缘计算部署关键问题


边缘计算是个复杂的生态系统。5G边缘计算的部署以应用为导向,受时延、带宽、数据安全及边缘基础设施等因素影响,是满足业务指标、兼顾投资效益和运维需求的均衡考虑。


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