面向5G Advanced的智能邊緣網絡演進

李 巖，周 彧，倪 慧，楊艷梅，朱方園

(華為技術有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

移動通信產業的技術演進基本遵循十年一代的規律，當前5G技術依然處于持續演進的狀態，3GPP在2021年4月正式將5G演進的名稱確定為5G Advanced。5G演進擴展了三大新場景，包括實時寬帶交互(Real Time Broadband Communication，RTBC)，打造身臨其境的沉浸式體驗；通信感知一體(Harmonized Communication and Sensing，HCS)，助力自動駕駛發展；上行超寬帶(Uplink Centric Broadband Communication，UCBC)，加速行業智能化升級。

5G演進新業務拓展，面向行業服務的模式興起，網絡面臨新的挑戰：

① 時延：RTBC場景中擴展現實(eXtended Reality,XR)、全息等業務需要沉浸式體驗，平均接入速率及時延從當前4K的約120 Mbit/s@20 ms提升到未來16K的約1 Gbit/s @8 ms，交互時延進一步降低；

② 容量：5G單小區僅支持個位數4K Cloud XR用戶，RTBC場景在給定時延和可靠性要求下的帶寬提升10倍，對網絡容量提出更大要求；

③ 算力：HCS從車聯網和無人機兩大場景切入，將蜂窩網絡大規模天線陣列(Massive Multiple-Input Multiple-Output，Massive MIMO)的波束掃描技術應用于感知領域，5G系統既能夠提供通信，又能夠提供感知，室內場景還可提供定位服務。網絡需要具備靈活部署、智能選擇、多站多維感知、信息融合計算能力，以及支持快速環境構建等感知算力。

應對類似挑戰，移動邊緣網絡從3G/4G時代就已經起步，然而典型移動寬帶(Mobile Broadband，MBB)業務所需的時延在應用部署到地市級即可滿足，邊緣網絡進一步下沉缺乏業務驅動，更缺乏商業驅動。5G演進的新挑戰下，勢必加速智能化移動邊緣網絡的部署，并進化出兩個基本特征：

① 公專合一，智能選路：同時滿足大公網場景下靈活分布式邊緣部署，以及專網園區網絡邊緣部署，在大幅降低網絡時延同時智能選擇業務流的最優路徑，減少迂回，保障移動場景下業務無縫切換；

② 算網協同，融合計算：為了提升網絡容量，網絡需要感知RTBC業務特征，從而實現基于人工智能(Artificial Intelligence，AI)、語義的信源信道“編-傳”深度結合，數據壓縮；通過業務流差異化傳輸、幀粒度完整性傳輸等實現網絡高效傳輸。針對HCS業務，感知、定位和通信融合，實現行業一網多用，架構需支持感知和定位功能按需部署，本地化快速構建，高效融合計算，提升全場景定位能力。

本文基于5G邊緣網絡的架構演進脈絡，針對5G演進新場景提出了兩個前沿研究方向。一方面是網絡自身能力的不斷突破，包括使能邊緣網絡廣泛部署的應用無縫遷移、運營商邊緣網絡互通等關鍵技術；另一方面是使能通信感知一體化、天地一體化、智慧內生等新業務[1]帶來的邊緣網絡架構重構以及關鍵技術。

1 5G智能邊緣網絡整體架構

為了滿足如圖1所示的5G階段以及5G演進階段各種新的業務場景，5G網絡在設計之初就在基礎網絡架構和協議上進行了增強，以連接邊緣網絡；與此同時，5G網絡還在持續不斷地定義新的邊緣網絡功能來輔助邊緣應用，使得邊緣業務從“基本可用”變成“好用、易用”。

圖1 5G Advanced愿景：構建美好智能世界Fig.1 5G Advanced vision: building a better and intelligent world

5G演進與4G網絡相比，5G網絡定義了更加清晰的邊緣網絡架構和功能，3GPP標準討論的范圍涉及到如表1所示的工作組，并制定了相關規范，有助于構建開放的邊緣網絡環境，達成產業共識。

表1 邊緣網絡相關3GPP工作組

5G邊緣網絡技術演進路線大致可分為兩個階段：

① 5G階段(3GPP R15～R17)：主要解決業務從中心云遷移到邊緣網絡時遇到的問題，提供連接邊緣網絡以及發現邊緣業務(Edge Application Server, EAS)等基礎能力，針對場景主要是傳統業務部署在單點邊緣網絡(如園區)。在這一階段5G核心網將控制面和用戶面分離，用戶面功能可以靈活地部署在不同位置的邊緣網絡并建立轉發路徑。同時定義了邊緣服務器發現功能(Edge Application Server Discovery Function ,EASDF)、邊緣配置服務器(Edge Configuration Server ,ECS)、邊緣使能服務器(Edge Enabler Server ,EES)等新網元，可以結合終端位置、網絡拓撲等輔助終端發現邊緣業務，提供最佳業務體驗。圖2為當前5G網絡標準[2-3]定義的與邊緣網絡相關的網絡功能，其提供的關鍵技術將在第2節做進一步介紹。

② 5G Advanced階段(3GPP R18& later)：主要解決新業務(如基于云的虛擬現實/增強現實、車聯網等)部署到多個邊緣網絡后的業務體驗的連續性問題。在這一階段5G網絡需要提供跨邊緣網絡業務無縫遷移技術，使能業務在多運營商邊緣網絡部署，同時隨著5G網絡能力進一步提升，如感知能力、智能能力等，這些能力可以作為中間件提供給邊緣業務，以簡化邊緣業務的實現邏輯。相關的架構設計和關鍵技術將在第3節詳細闡述。

圖2 5G邊緣網絡架構Fig.2 5G edge network architecture

2 5G智能邊緣網絡標準關鍵技術

2.1 智能邊緣路由技術

邊緣路由技術用于將用戶報文在網絡邊緣位置進行路由轉發，以訪問部署在不同邊緣位置的邊緣業務服務器。5G系統提供了多種不同的連接模型，用于實現更靈活和智能的邊緣路由。按照分流的錨點UPF與會話的關系，可以分為分布式錨點、會話分流和多會話三類不同的連接模型，如圖3所示[2]。

圖3 邊緣網絡的連接模型Fig.3 Connectivity models for edge network

2.1.1 分布式錨點連接模型

5G網絡中的會話可以采用以下不同的業務連續性模式[4-5]。

模式1：會話建立后，錨點UPF始終保持不變；

模式2：網絡按需觸發會話的釋放，并指示UE建立到同一分組數據網絡的會話連接；

模式3：網絡在釋放舊的分組數據單元會話(Packet Data Unit，PDU)之前，先建立到同一分組數據網絡的PDU會話連接。

在上述不同業務連續性模式的會話中，模式1會話的錨點為集中式部署，而模式2和模式3均支持分布式錨點部署，即會話的錨點UPF位于網絡邊緣。對于模式2和模式3的會話，由于其錨點位置一般都較為靠近網絡邊緣，因此所有的業務流量都能夠以較優的路由路徑訪問邊緣業務。對于此類會話，其復雜性在于錨點需要隨用戶的移動進行遷移，以保持路徑的優化。在錨點遷移期間，如何保持會話的連續性是需要考慮的關鍵問題。

對于模式2的PDU會話，當網絡判斷當前錨點UPF距離過遠時，會觸發釋放當前PDU會話，并指示UE建立一個具有更優路徑的PDU會話。由于模式2會話在錨點遷移過程中會出現會話中斷，因此主要適用于如網頁瀏覽、具有緩存能力的視頻點播等允許短暫連接中斷的應用。

對于模式3的PDU會話，當網絡判斷當前錨點UPF距離過遠時，會首先指示UE建立一個更優路徑的PDU會話，再擇機釋放舊的PDU會話。在此過程中，由于新舊會話會共存一段時間，因此業務層可以通過多路傳輸控制協議(Multipath Transmission Control Protocol，MPTCP)，多路快速UDP互聯網連接協議(Multipath Quick UDP Internet Connection，MPQUIC)等多徑路由方式保持業務層連續性。

2.1.2 會話分流連接模型

采用會話分流模式時，PDU會話的錨點UPF仍然是集中式部署。但對于需要分流到邊緣的部分業務流，5G網絡可以將其從邊緣位置直接路由到邊緣服務器而不需要經過集中錨點。網絡或終端根據網絡策略，確定業務是否需要訪問邊緣業務，并按需選擇邊緣或集中的UPF進行路由。該模式下，由于PDU會話的集中UPF保持不變，因此可以在保持PDU會話的同時，根據業務需求和用戶位置，動態地插入、刪除和移動邊緣UPF，從而實現對特定業務的靈活路由。

2.1.3 多PDU會話連接模型

在一些更為復雜的業務訪問場景中，5G終端可能需要同時訪問邊緣業務和非邊緣部署業務。這種情況下，5G網絡也支持UE按需建立多個錨點位于不同位置的PDU會話，在終端內部根據業務路由策略，將不同的業務流量通過不同的PDU會話進行傳遞，從而實現按需的業務邊緣路由。

2.2 智能業務尋址技術

傳統移動網絡中，終端IP地址通常錨定在Remote PSA上，DNS服務器無法根據終端IP地址就近選擇邊緣應用。為了滿足業務時延需求和用戶業務體驗，網絡側還需要根據終端實際訪問業務的部署位置，為數據路由提供最優的用戶面路徑。為解決該問題，5G引入EASDF功能實體，作為業務發現的中樞，與SMF網元共同協作，不僅可以發現最佳的邊緣應用，而且還能根據業務尋址動態地分流業務數據，實現邊緣應用的精準發現和業務數據的智能轉發。如圖4所示，其實現流程為：

① SMF根據終端位置、網絡拓撲以及邊緣應用部署的全域信息確定最佳邊緣應用部署位置，并進一步確定負責解析該應用的Local DNS server。EASDF從SMF獲取Local DNS server的地址；

② EASDF將終端的DNS查詢請求轉發至Local DNS server；

③ EASDF根據DNS響應消息觸發SMF基于邊緣應用的位置插入邊緣UPF，將業務數據直接旁路到本地，優化終端訪問邊緣應用的路由路徑，保障業務體驗。

圖4 EASDF使能智能業務尋址Fig.4 Intelligent service discovery enabled by EASDF

3GPP同時考慮了無需修改網絡功能實現邊緣應用尋址的實現方式，如圖5所示。這種模式是疊加在3GPP網絡之上，在網絡層和應用層之間插入了一個邊緣應用使能中間層。該邊緣應用使能中間層通過端、云交互的方式實現業務尋址，并以軟件開發工具包(Software Development Kit，SDK)或者應用編程接口(Application Programming Interface，API)的方式向應用層提供相關服務。這種模式的好處在于無需對5G網絡進行升級改造，可以支持非運營商部署的邊緣業務場景。

圖5 基于端側邊緣應用使能SDK方式尋址Fig.5 Service discovery provided by SDK of edge application enabler client

圖5中的邊緣使能客戶端(Edge Enabler Client，EEC)，可以由操作系統或者第三方提供的SDK實現，并以API的方式向邊緣應用客戶端(Application Client，AC )提供邊緣網絡和應用尋址功能。相應地，在云側，需要集中部署ECS，以及在每個邊緣網絡部署EES。EES與邊緣應用服務器關聯，存儲了邊緣應用服務器的地址等配置和屬性信息。ECS的主要功能是根據終端的位置信息為終端選擇一個合適的邊緣網絡，以及部署在邊緣網絡的邊緣應用使能平臺EES。

3 5G Advanced智能邊緣網絡技術趨勢

3.1 無縫應用遷移技術

為了滿足超低時延業務需求，邊緣網絡部署位置會靠近基站側，導致每個邊緣網絡覆蓋范圍是有限的，這就需要提供一種應用服務器在邊緣網絡無縫遷移方案，以保障終端移出當前邊緣網絡覆蓋范圍后仍能保持一致的業務體驗。如圖6所示， 5G Advanced網絡在物理層、鏈路層、網絡層和傳輸層都做了增強，以簡化應用在邊緣網絡遷移的復雜性，從而減少業務遷移時的中斷時間。

圖6 5G advanced無縫應用遷移網絡Fig.6 5G Advanced seamless application relocation network

切換零等待技術(物理層&鏈路層)[6-7]終端在5G基站切換時同時維持源基站和目標基站之間的連接，在接入目標基站過程中，終端仍在源基站收發報文，在確認目標基站切換成功后才停止和源基站的通信，解決了傳統切換在接入目標基站時存在短暫業務中斷的問題。

IP地址轉換技術(網絡層)[2]應用遷移后，其IP地址會發生變化，如果終端感知到這種變化就會觸發和邊緣業務重新連接，引入額外的建立時延。為了解決這個問題，當終端連接到目標邊緣網絡后，新的本地網關會對終端發送和接收的報文進行地址轉換以屏蔽對終端的影響。

傳輸層上下文遷移技術(傳輸層)絕大多數互聯網應用基于TCP協議傳輸，而TCP協議具有狀態信息，為了解決TCP狀態信息在邊緣網絡遷移問題，5G Advanced邊緣網絡需要定義新的中間件服務使能架構層服務器(Service Enabler Architecture Layer，SEAL)，作為TCP代理維護和終端之間的TCP上下文，終端遷移到目標邊緣網絡時，SEAL服務器會同步事先TCP狀態遷移，終端不需要重新建立TCP連接。

通過以上增強技術，5G Advanced網絡實現了“網隨流動”，保障了網絡連接的無縫遷移。現在應用遷移是和終端移動同步進行，未來隨著網絡智能性的進一步提升，可以實現應用上下文的預遷移技術，進一步減少應用遷移的時間。

3.2 跨運營商之間邊緣網絡互通技術

跨運營商的邊緣網絡互通主要解決的是當終端發生跨運營商網絡漫游時如何獲得邊緣業務服務的問題。當用戶發生漫游時，可能會訪問歸屬運營商所提供的邊緣業務，也可能會訪問漫游運營商所提供的邊緣業務[8]。

如圖7所示，漫游終端可通過本地疏導的網絡接入方式接入歸屬運營商所提供的邊緣業務。這種模式假設歸屬運營商通過租用拜訪運營商邊緣資源的方式，為其簽約用戶提供邊緣業務的服務。

圖7 漫游用戶訪問拜訪運營商的邊緣業務平臺Fig.7 Services provided by visited edge enabler platform for roaming user

與邊緣網絡連接不同，漫游用戶連接ECS獲取EES信息往往在實際應用訪問之前，對時延要求不那么敏感，因此可以假設UE通過歸屬地路由方式訪問歸屬網絡部署的ECS。技術實現上，相對于非漫游場景，歸屬ECS需要識別用戶所在的漫游網絡位置信息，從而為其選擇位于漫游網絡的邊緣資源。

圖7還給出一種漫游用戶在漫游網絡訪問漫游網絡運營商提供的邊緣業務的情況。這種情況假設用戶采用本地疏導的方式連接到拜訪運營商提供的ECS和邊緣網絡內拜訪運營商提供的邊緣業務。技術實現上，相對于與非漫游場景，需要解決拜訪地ECS的地址獲取以及如何獲取歸屬運營商的授權的問題。

3.3 集成AI能力的邊緣網絡

由于邊緣網絡更靠近數據源，提供通用邊緣AI中間件能力，如語音圖像識別、機器視覺、自然語言處理等，可以更快地響應用戶需求，同時大量數據在邊緣網絡處理可以減輕云端的壓力。由于AI在訓練階段需要大量的算力，一種自然的假設是，在云端完成訓練，然后把模型下發到邊緣網絡，由邊緣網絡執行推理。但在實際網絡中還存在以下挑戰：① 很多邊緣網絡的數據(如企業園區)有強隱私性需求，不能直接把數據送到云端完成訓練；② 邊緣網絡本身受環境約束算力有限等。為了解決上述問題，5G Advanced邊緣網絡需要提供如圖8所示的協同訓練和推理技術。

圖8 邊緣AI架構Fig.8 Edge AI architecture

協同訓練邊緣網絡獲取數據信息(包括5G網絡自身感知數據信息、終端信息、邊緣業務信息等)后，提取公用數據提供給3GPP定義的網絡數據分析功能(Network Data Analytics Function，NWDAF)，由NWDAF訓練基礎模型后分發給邊緣網絡的AI功能[9]，邊緣網絡AI功能通過基礎模型和隱私數據進一步訓練出邊緣模型。

協同推理在訓練出邊緣模型后，可以基于模型的計算復雜度、邊緣網絡的計算能力、終端計算能力和網絡連接質量做模型分割。由于不同的模型分解會導致不同的推理時間，需要選擇最優的切分點，在推理時間、計算資源和網絡資源間達到均衡。

3.4 融合感知能力的邊緣網絡

通信感知一體化是5G Advanced的一個重要演進方向，其目標是在基站疊加支持通信以外的類似雷達的感知能力?；谶@個能力，運營商可以向用戶或者第三方提供增值服務(例如交通管控、無人機探測等場景提供環境感知和目標追蹤服務)。具體實現中，需要綜合考慮性能要求、法律法規、成本等因素：

① 高準確、低時延的性能滿足。以感知能力重要應用場景V2X為例，環境感知，尤其是危險目標探測的準確性，以及相關信息獲取的及時性極大地決定了自動駕駛等功能的可用性。需要考慮將多個基站的感知能力，甚至是不同類型的信息(例如攝像頭獲取的信息、車輛提供的相對位置信息，以及車載雷達探測到的信息等)進行進一步融合來提升感知性能。架構上需要支持感算分離、多維信息融合。另一方面，為了確保信息獲取的及時性，需要如圖9所示的感算本地化部署。

② 感知功能需要滿足用戶隱私、環境安全要求。系統設計中需要考慮如何保護用戶隱私數據不會在未征得用戶同意下被泄露；同時為了確保信息流向的可管可控，需要對不同的信息訪問者執行不同的訪問授權控制；此外，還需要考慮進行感知探測時如何避開這些敏感區和探測禁止區。

③ 針對不同場景需求，提供剛剛好的性能/功能保障。不同感知精度對系統的開銷要求差異巨大，而不同場景對精度要求也不一樣，因此，系統需要提供按需配置、不同等級感知性能的服務。

綜上考慮，圖9給出一種支持感算分離以及多維信息融合的架構示意圖。其中感知控制器(Sensing Controller)是負責從外部接收(端或者第三方應用)感知任務需求，對需求任務進行授權(過程中會考慮環境安全、隱私要求等要素)，按照需求生成基站感知探測控制命令。基站按照感知控制器的要求，實施感知探測任務，并將探測到的數據上報部署在邊緣網絡的感知計算網元(Sensing Function)。感知計算網元可對來自多個基站的數據進行聯合計算以提升感知性能，同時也可以結合從端側或者外部網絡輸入的其他維度信息進一步融合計算，以彌補電磁波探測單維度獲取環境信息在分辨率等方面的不足。

圖9 邊緣感知架構Fig.9 Edge sensing architecture

3.5 天地一體化的邊緣網絡

空天地一體化是移動網絡演進的關鍵方向之一?？仗斓匾惑w化系統既包含傳統的地面無線網絡，也包含低空飛行器和衛星通信系統提供的空基無線網絡。其中地面無線網絡負責人口稠密區的大容量網絡覆蓋，衛星通信網絡可以提供全球范圍內廣域覆蓋，低空飛行器重點用于提供緊急突發的組網需求。通過上面不同物理特性網絡的融合，空天地一體化網絡可以實現更為靈活和泛在的無線覆蓋能力。在5G演進網絡中，衛星的功能也逐漸從透明模式轉發演進到再生模式轉發，從而使更復雜的邊緣轉發和處理成為可能。

在空天地一體化這樣一個異構且高動態的復雜網絡中，業務路由的優化和時延穩定性是一個較大的挑戰。與地面網絡不同，空基網絡接入節點(衛星、低空飛行器等)的數據回傳依賴于饋電鏈路和星間鏈路等資源受限且時延不穩定的傳輸資源。因此，在靠近接入節點的邊緣位置實現業務路由或處理能夠有效地節省回傳鏈路資源并降低時延。但同時，考慮到空基網絡接入節點普遍對載荷的體積和能耗存在較強的約束，目前階段還難以直接部署高復雜性的邊緣計算能力。因此，在可預見的未來，空天地一體化系統的邊緣網絡部署可以通過3種模式實現。

模式1基于空基接入節點的邊緣路由。對于終端和終端間的通信傳輸，可以通過無人機、衛星或者衛星間鏈路在接入網絡進行邊緣路由，而不需要經由地面系統進行轉發，從而減少路由時延和回傳饋電鏈路負載。

模式2基于空基接入節點的邊緣應用部署。對于某些專用的空基系統，如遙感、氣象等衛星星座，有可能將部分業務預處理能力直接部署在衛星上，從而大幅降低回傳流量。

模式3基于地面的邊緣應用部署。對于通用的空基通信系統，很難為某一類業務定制化機載或衛星載荷；或者某些業務處理能力過于復雜，無法在空基接入節點上直接實現。此時，業務服務器可以選擇部署在靠近地面信關站的位置，從而盡量降低地面傳輸引入的額外業務時延。

圖10 天地一體化邊緣網絡部署模式Fig.10 Edge network deployment mode for integration of satellite-terrestrial networks

4 結束語

在5G演進業務驅動下，網絡遇到時延、容量的性能瓶頸。智能邊緣網絡提供了連接加算力加新業務能力的基礎設施，一方面通過智能業務分流和尋址、業務無縫遷移技術加強了連接能力，更好地滿足了時延需求，提升了網絡自身能力的上限。 與此同時，在網絡與業務保持整體松耦合基礎上，進一步協同，有效提升了容量和處理效率，并提供分級控制機制，使能業務部署真正形成商業正循環。

然而在現實中，智能邊緣網絡的部署涉及到運營商、云商、企業、OTT等多方，除了技術要素外，能否形成產業共贏的生態更為重要，需要從標準、開源生態等多視角努力，希望本文從3GPP出發的思考能提供有價值的參考。