移動5G邊緣云策略及應(yīng)用研究

陸顯安

（中國移動通信集團(tuán)上海有限公司，上海 200061）

0 引 言

近年來，通信設(shè)備和使用者的數(shù)量大幅增長，移動運營商為了提高無線媒體的傳輸速率而不斷地擴展帶寬。由于5G的主要發(fā)展目標(biāo)是增加傳輸速度、容量和可靠性，因此它將徹底地改變手機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式。同時還會影響觸覺因特網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模MIMO、機器人技術(shù)、自動駕駛汽車以及工業(yè)領(lǐng)域。它的超高速性能允許1 ms的延遲立即得到解決，這對于實時應(yīng)用和無縫連接來說是非常關(guān)鍵的[1-2]。

5G技術(shù)允許多種網(wǎng)絡(luò)交互，無須考慮它們各自的特點，就能建立一個異質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)。但是這還沒有被主流的基礎(chǔ)架構(gòu)所支持。第五代通信裝置的功率消耗很小，發(fā)送的Tx/Rx信號速率是10 Gb/s[3]。5G應(yīng)用的首要目的是使生物與智能設(shè)備（機器、機器人）在任何時候都能相互聯(lián)系，并提供全面的服務(wù)。該技術(shù)為連接數(shù)以百萬計的物聯(lián)網(wǎng)裝置創(chuàng)造了一個環(huán)境。5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以使智慧城市成為現(xiàn)實。智能裝置可以在數(shù)百萬個裝置之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且具有很低的時延和費用。系統(tǒng)容量的增加、頻譜效率的增加以及能效的提升，將會提升使用者的體驗感與滿意度。小于6 GHz的低臺密度是高清晰度視頻流的關(guān)鍵，同時大規(guī)模機器類型通信（mMTC）的超可靠低延時通信（uRLLC）也是關(guān)鍵。而第五代技術(shù)恰好能夠幫助解決高傳輸速率的應(yīng)用需求[4]。

1 相關(guān)應(yīng)用研究

5G新無線電（NR）的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都與5G互聯(lián)網(wǎng)相連。人工智能（AI）、機器學(xué)習(xí)（ML）和深度學(xué)習(xí)（DL）技術(shù)被設(shè)想為使5G愿景成為現(xiàn)實的最佳技術(shù)。此外，基于ML的算法從現(xiàn)有的或運行時的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，進(jìn)行自動特征提取，并取代刻板的長指令來處理新問題[5]。因此，當(dāng)下必須提升無線網(wǎng)絡(luò)的能力，這可以通過整合基于ML的方法來實現(xiàn)，在無線系統(tǒng)的基本單元和所有層中應(yīng)用基于ML的方法。

2 移動邊緣云5G無線技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 帶動全民進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代

無線技術(shù)正在不斷發(fā)展，以滿足用戶對多功能應(yīng)用的更高更先進(jìn)的要求。在未來，5G將以其強大的優(yōu)勢助力于即將到來的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，如醫(yī)療領(lǐng)域的危急情況診斷、倉庫管理等。表1中將5G的能力與4G和6G技術(shù)進(jìn)行了對比。5G可以提供20 Gb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，廣播速率可以達(dá)到Gb/s級別，平均數(shù)據(jù)速率是100 Mb/s。因此，在未來幾年，我們將能夠在幾秒鐘內(nèi)下載視頻和電影，而無需等待流媒體[6]。

表1 4G、5G和6G通信系統(tǒng)的比較

2.2 結(jié)合多技術(shù)提供高質(zhì)量無線通信服務(wù)

移動邊緣云5G無線技術(shù)常常與虛擬RAN和納米核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，從而提供更高效和可靠的無線通信服務(wù)。具體優(yōu)勢見表2所列。虛擬RAN包括新的接口、元素和組合，以創(chuàng)建眾多的數(shù)據(jù)接入點[7]。納米核心網(wǎng)絡(luò)（CN）是另一個重要的組成部分，它包括3個類別：（1）納米技術(shù)（nano-tech），它對于保護(hù)日常生活設(shè)備是必不可少的；（2）云計算，它決定了互聯(lián)網(wǎng)上遠(yuǎn)程服務(wù)的可用性；（3）全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)（AIPN），它對蜂窩式增長是必不可少的。

表2 5G移動網(wǎng)絡(luò)邊緣云相關(guān)技術(shù)及優(yōu)勢

3 5G發(fā)展趨勢研究

3.1 增加頻譜、比特和可靠性

第五代網(wǎng)絡(luò)是一種獨立的通信方式，能夠為最新的技術(shù)應(yīng)用提供服務(wù)，如無線腦機互動（BCI）、擴展現(xiàn)實服務(wù)（XR）、連接機器人和自主系統(tǒng)（CRAS）、分布式賬本技術(shù)（DLT）等。為了正常工作和運行，6 GHz以下的頻譜必須提供更多的比特、更多的頻譜和資源、更高的可靠性。因此，需要探索更多的頻譜資源，并在高頻率頻段實現(xiàn)更高的可靠性[8]。

3.2 使用體積頻譜效率和超材料

為了提高無線通信系統(tǒng)的性能和效率，5G技術(shù)需要考慮使用體積頻譜效率和能源效率等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。其中體積頻譜效率（SEE）單位為bit/（s·Hz·m3）。沿著類似的思路，6G要求能夠支持XR、CRAS、DLT、BCI設(shè)備和飛行器，如果沒有空中帶寬，這些都是不可能實現(xiàn)的。此外，6G的三維演進(jìn)架構(gòu)需要有源表面或智能覆蓋物來傳輸信號，而不是部署一個傳統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)[9]。

4 移動5G邊緣云策略及應(yīng)用研究——以智慧教育為例

4.1 總體架構(gòu)

“5G+邊緣云+智慧教育”整體方案如圖1所示。將5G和 MEC的邊緣云計算平臺分別部署在本校和外校，普通物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、教學(xué)終端（VR/AR眼鏡、交互式遠(yuǎn)程教學(xué)設(shè)備等）、視頻監(jiān)控設(shè)備等均與校園的邊緣云計算平臺連接，通過5G網(wǎng)絡(luò)與各個學(xué)校的邊緣云平臺相連，并經(jīng)由流媒體網(wǎng)關(guān)接入當(dāng)?shù)兀缓髮⒕钟蜻吘壴婆c智慧教育中心的云平臺進(jìn)行協(xié)同對接。

圖1 “5G+邊緣云+智慧教育”整體方案

4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

基于移動5G MEC邊緣云技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。終端由5G基站接入，數(shù)據(jù)由邊緣云轉(zhuǎn)移模塊傳輸。若使用者為學(xué)校工作人員或教學(xué)人員，則透過邊緣云分流模組將資料傳送至邊緣云平臺；若包含中央云和邊緣云的互動，則會將資料直接從邊緣云端傳送至中央云端伺服器；若使用者為一般網(wǎng)絡(luò)使用者，則透過5G網(wǎng)絡(luò)直接存取資料。

圖2 基于移動5G MEC邊緣云技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該系統(tǒng)采用了渲染、視頻加速、人工智能加速、通用計算、存儲等模塊，實現(xiàn)了對中央云平臺的實時計算和存貯，能夠在滿足客戶需要的同時，降低中央云存儲和傳輸帶寬的壓力。

4.3 應(yīng)用價值

通過將5G邊緣云技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和AR技術(shù)相結(jié)合能夠為學(xué)生提供一種全新的學(xué)習(xí)體驗，幫助他們更好地掌握所學(xué)內(nèi)容，加快對知識的吸收，并使他們的學(xué)習(xí)興趣得到提升。比如，圖3所示的沉浸式教學(xué)情景可以讓你接受更豐富、更生動的教育，讓你在虛擬的環(huán)境中親身經(jīng)歷，并且可以立體地呈現(xiàn)你的學(xué)習(xí)經(jīng)驗。對于高風(fēng)險和高難度的操作訓(xùn)練，也能夠提供親身體驗場景，例如在虛擬現(xiàn)實中進(jìn)行外科手術(shù)仿真和飛行員訓(xùn)練，模擬地震及火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行實戰(zhàn)演練，從而減少執(zhí)行風(fēng)險和費用。

圖3 VR/AR沉浸式教育

基于5G邊緣云技術(shù)的互動式遠(yuǎn)程教育如圖4所示，它能增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專注力，促進(jìn)學(xué)生更多地參與其中，提升教學(xué)品質(zhì)和學(xué)生體驗。“泛教室”的發(fā)展使學(xué)校和家庭的學(xué)習(xí)逐漸結(jié)合起來，從而使“J-Evil”的家庭學(xué)習(xí)循環(huán)模式得以進(jìn)一步改善；通過信息化手段，一定程度上實現(xiàn)了教育公平，緩解了教育資源短缺的問題，例如通過“云教室”“網(wǎng)上教室”等方式，為貧困地區(qū)提供高質(zhì)量的教育，以期實現(xiàn)教育公平、均衡的發(fā)展。

圖4 遠(yuǎn)程互動教學(xué)

運用多種統(tǒng)計手段，針對課堂行為數(shù)據(jù)進(jìn)行時空上的對比，如圖5所示；根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個性化的教學(xué)方式，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的綜合能力。

圖5 課堂行為分析數(shù)據(jù)

虛擬現(xiàn)實教學(xué)、交互式遠(yuǎn)程教學(xué)以及其他具有創(chuàng)意的智能教學(xué)系統(tǒng)都要求較高的帶寬和較低的時延。本地執(zhí)行和播放視頻的成本是昂貴的，不能進(jìn)行終端的擴展。另外，由于內(nèi)容是局部發(fā)布的，用戶獲取教育資源變得困難，而且所發(fā)布資源的知識產(chǎn)權(quán)也不能得到有效的保障，這都成為制約智能教育體系發(fā)展的瓶頸。

通過5G+邊緣云技術(shù)在教育、教學(xué)等方面的應(yīng)用，一定程度上解決了教育資源的不平衡等問題[10]。利用5G邊緣云的高帶寬、低延時特點，將 AR/VR技術(shù)引入到云平臺中，實現(xiàn)終端的輕量化、實時渲染、內(nèi)容的統(tǒng)一發(fā)布。同時，也要對高質(zhì)量內(nèi)容的版權(quán)進(jìn)行保護(hù)，以推動教育全產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。

5 結(jié) 語

目前，5G正在結(jié)合智能技術(shù)為人們提供先進(jìn)的服務(wù)，如人工智能、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）和云計算等，這些技術(shù)正被用來迎合物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展。一種新的科技與生態(tài)體系的誕生與發(fā)展，離不開其背后的業(yè)務(wù)模型。在未來，產(chǎn)業(yè)對于邊緣服務(wù)平臺的應(yīng)用前景有著無限的期待。中國移動愿與業(yè)界同仁協(xié)作，在未來的邊緣云試驗及商業(yè)化進(jìn)程中，探索邊緣服務(wù)平臺的合作方式，以建立5G邊緣生態(tài)體系，促進(jìn)邊緣業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。