01/ 介紹說明

邊緣計(jì)算是一種計(jì)算范式，它使得小型云或邊緣云中的邊緣服務(wù)器能夠提升網(wǎng)絡(luò)邊緣的云能力，以執(zhí)行計(jì)算密集型的任務(wù)，并在用戶設(shè)備(UE)附近存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的云計(jì)算由于UE處理、計(jì)算、存儲(chǔ)的能力有限，允許UE的計(jì)算和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心，因此傳統(tǒng)云計(jì)算是一種集中式的計(jì)算范式。邊緣計(jì)算非常適合下一代應(yīng)用的無線通信需求，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)，它們本質(zhì)上都是交互的。這些高度交互的應(yīng)用計(jì)算密集，都服務(wù)質(zhì)量要求很高，同時(shí)每個(gè)月能產(chǎn)生多達(dá)30.6EB的數(shù)據(jù)。終端有限的能力保證了邊緣計(jì)算的需求，包括：接收和存儲(chǔ)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、處理計(jì)算和分析數(shù)據(jù)以及在本地的迷你云上做出并分發(fā)決策。因此，迷你云中的邊緣服務(wù)器具有云的功能，但規(guī)模不同，它們位于本地，不是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，后者可能遠(yuǎn)離終端。

本文的內(nèi)容主要包括為：

①  5G和邊緣計(jì)算的概況，并回答了大量關(guān)于5G中使用邊緣計(jì)算的問題；

②  5G中邊緣計(jì)算的分類；

③  5G中最先進(jìn)的邊緣計(jì)算方案；

④  有待解決的問題；

⑤  本文的總結(jié)。

02 / 5G和邊緣計(jì)算的概況

A.5G系統(tǒng)的要求

5G網(wǎng)絡(luò)首先可以產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)供給消費(fèi)者使用；其次，嚴(yán)格的QoS要求來滿足高交互性的應(yīng)用，并保證超低延遲和高吞吐量；最后必須支持異構(gòu)環(huán)境，以此滿足不同終端、QoS要求、網(wǎng)絡(luò)類型等的互操作性。

5G主要由三種新興的技術(shù)組成。首先毫米波通信使用高頻段(30GHz-300GHz)來提供高帶寬；其次小單元部署允許終端使用毫米波通信來減少干擾和傳輸距離；第三，多輸入多輸出即大規(guī)模MIMO允許了基站使用了大天線來實(shí)現(xiàn)定向傳輸，減少干擾，同時(shí)允許相鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信。這些新興的技術(shù)使得5G網(wǎng)絡(luò)擁有更高的網(wǎng)絡(luò)容量，來供給更多終端。

B.5G數(shù)據(jù)的主要特點(diǎn)

依據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)間特征，可以將數(shù)據(jù)分為三類：

· 硬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有嚴(yán)格的預(yù)定義延遲，例如游戲、醫(yī)療保健產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；

· 軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有預(yù)定義延遲，但可以接受一些預(yù)定義的和有限的延遲，例如智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；

· 非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以接受延遲。

邊緣計(jì)算被使用在邊緣服務(wù)器上處理具有硬實(shí)時(shí)需求的應(yīng)用程序和服務(wù)，由于靠近終端，可以顯著減少延遲。對(duì)于由軟實(shí)時(shí)需求或端到端延遲有限的有用和服務(wù)，如果終端與云之間的響應(yīng)延遲高于需求，則由邊緣服務(wù)器處理任務(wù)，否則卸載到云上。非實(shí)時(shí)需求的應(yīng)用和服務(wù)可將任務(wù)卸載到云端，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

C.邊緣計(jì)算的意義

邊緣計(jì)算采用去中心化模型，使云計(jì)算能力更接近終端，減少延遲。云計(jì)算和邊緣計(jì)算的模型如圖1所示，云服務(wù)器通常位于核心網(wǎng)絡(luò)，邊緣服務(wù)器位于網(wǎng)絡(luò)邊緣。邊緣計(jì)算不僅可以作為單個(gè)計(jì)算平臺(tái)運(yùn)行，也可以作為與其他組件協(xié)作運(yùn)行的平臺(tái)。同時(shí)邊緣計(jì)算彌補(bǔ)了云計(jì)算不適合計(jì)算量大、交互性強(qiáng)、QoS要求高應(yīng)用的問題，減少了能源的消耗，也滿足5G應(yīng)用亞毫秒級(jí)要求。

圖1 云計(jì)算和邊緣計(jì)算模型

D.5G中部署邊緣計(jì)算的關(guān)鍵要求

5G中部署邊緣計(jì)算的關(guān)鍵要求包括以下幾點(diǎn)：

· 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互并降低延遲；

· 在邊緣服務(wù)器上進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)處理和用戶請(qǐng)求處理，減少小區(qū)與核心網(wǎng)之間的流量傳輸；

· 將邊緣服務(wù)器嵌入到基站中，實(shí)現(xiàn)方便的訪問云端，并利用毫米波頻段實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸；

· 保證邊緣云服務(wù)的高可用性，以確保在邊緣提供的服務(wù)能夠持續(xù)、穩(wěn)定地提供給用戶。

E.邊緣計(jì)算在5G環(huán)境下的應(yīng)用

5G中的許多應(yīng)用都依靠邊緣計(jì)算來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互、本地處理、高數(shù)據(jù)速率和高可用性，包括：

醫(yī)療保健，例如遠(yuǎn)程手術(shù)和對(duì)病情的診斷；

• 娛樂和多媒體應(yīng)用，例如3D電視；
• 虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)，如VR眼鏡；
• 觸覺物聯(lián)網(wǎng)，提供了超響應(yīng)和超可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，保證控制信息的傳遞以及遠(yuǎn)程物理處決體驗(yàn)；
• 確保終端之間可靠性鏈接的URLLC;
• 萬物互聯(lián)，例如智能家居中的智能電器；
• 智能化工廠，員工遠(yuǎn)程控制機(jī)器，提高安全性和生產(chǎn)力；
• 應(yīng)急反應(yīng)，在關(guān)鍵時(shí)刻依據(jù)收集的數(shù)據(jù)和信息做出決策；

· 智能交通系統(tǒng)，無人車可感知環(huán)境信息，并自主的做出實(shí)時(shí)反應(yīng)；駕駛員可通過共享或收集交通中心的信息實(shí)施避開危險(xiǎn)路段，減少事故的發(fā)生。

03 / 邊緣計(jì)算的分類

邊緣計(jì)算按照目標(biāo)、計(jì)算平臺(tái)、屬性、5G功能的使用、性能度量和在5G中邊緣計(jì)算的角色的分類如圖2所示：

圖2 5G中邊緣計(jì)算的分類

A.目標(biāo)

5G中邊緣計(jì)算要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要包括以下五種：

1. 改善數(shù)據(jù)管理，本地實(shí)時(shí)處理終端產(chǎn)生的大量延遲敏感數(shù)據(jù)；

2. 改進(jìn)QoS提升用戶體驗(yàn)，有助于實(shí)現(xiàn)高交互的應(yīng)用和按需服務(wù)；

3. 預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)需求，有助于決定在邊緣本地還是云端處理，提供最優(yōu)資源分配；

4. 管理位置感知使得邊緣服務(wù)器可以判斷自身位置并跟蹤終端的位置，實(shí)現(xiàn)基于位置的服務(wù)，使得基于位置服務(wù)的提供商能夠?qū)⒎?wù)和數(shù)據(jù)外包到云；

5. 由于邊緣云中可用資源有限，因此要改進(jìn)資源管理，優(yōu)化對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)性能；

B.計(jì)算平臺(tái)

不同的計(jì)算平臺(tái)具有不同的算力和特性（如可用性、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜性），以便處理不同類型的數(shù)據(jù)。根據(jù)具體需求和網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，這些平臺(tái)可以單獨(dú)或組合使用。例如，對(duì)于具有嚴(yán)格QoS要求的應(yīng)用和服務(wù)，可以使用邊緣服務(wù)器來處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這是單獨(dú)使用的一種情況；而對(duì)于同時(shí)包含實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的醫(yī)療保健應(yīng)用和服務(wù)，可以使用邊緣服務(wù)器處理實(shí)時(shí)輕量級(jí)數(shù)據(jù)，再使用云來處理重量級(jí)數(shù)據(jù)，這是計(jì)算平臺(tái)組合使用的一種情況。5G當(dāng)中的計(jì)算平臺(tái)主要包括以下三個(gè)：

1. 云計(jì)算：遠(yuǎn)離終端不適合實(shí)時(shí)服務(wù)；

2. 邊緣計(jì)算：靠近終端，在本地收集、處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提供低延遲和延時(shí)分析；表1給出了兩中邊緣計(jì)算平臺(tái)的對(duì)比情況。

2.1 霧計(jì)算Fog computing：部署本地霧節(jié)點(diǎn)(本地硬件設(shè)備)提供本地計(jì)算。其是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的水平體系結(jié)構(gòu)，將計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和網(wǎng)絡(luò)的資源和服務(wù)分布在從云到物之間的任何地方；但存儲(chǔ)容量較低。

2.2 多接入邊緣計(jì)算MEC：在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供存儲(chǔ)和計(jì)算能力，例如BSs，提高上下文感知和減少延遲。MEC通常連接多臺(tái)主機(jī)，通過收集主機(jī)的信息來監(jiān)視主機(jī)。

表1 霧計(jì)算與MEC的比較

3. 云計(jì)算和邊緣計(jì)算協(xié)同使用，分別進(jìn)行非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)決策，綜合兩者優(yōu)勢(shì)，可大大減少延遲，但是混合平臺(tái)更加復(fù)雜。

C.屬性

邊緣計(jì)算主要有三個(gè)屬性：

1. 低延遲和近距離：終端距離服務(wù)器很近，端到端延遲和響應(yīng)延遲小。

2. 位置感知：邊緣服務(wù)器收集臨近源的數(shù)據(jù)，而不發(fā)送到云端。

3. 感知網(wǎng)絡(luò)上下文：實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化資源利用率。

D.邊緣計(jì)算有關(guān)的5G功能

5G中邊緣計(jì)算的五大實(shí)現(xiàn)因素為：

1. 軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN：將網(wǎng)絡(luò)分為控制和數(shù)據(jù)平面，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理和部署新服務(wù)。

2. 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV：虛擬機(jī)中執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)需求在云端或邊緣處理。

3. 大規(guī)模MIMO：增加天線陣列，增加網(wǎng)絡(luò)容量和能源效率；同時(shí)多個(gè)UE可以同時(shí)將任務(wù)卸載到邊緣服務(wù)器，減小延遲和能耗。

4. 動(dòng)態(tài)接入的無線接入技術(shù)：允許接入各種設(shè)備，提高了網(wǎng)絡(luò)的拓展性。

5. D2D通信：相鄰UE可直接通信；邊緣計(jì)算賦予了UE計(jì)算能力，確保了D2D的成功。

E.邊緣計(jì)算在5G中的作用

1. 本地存儲(chǔ)：數(shù)據(jù)從UE卸載到邊緣云，針對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)提供不同存儲(chǔ)策略。

2. 本地計(jì)算：邊緣云以獨(dú)立自主的方式提供類似終端的本地計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力。

3. 本地?cái)?shù)據(jù)分析：直接在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后分析的結(jié)果用于決策。

4. 本地決策：邊緣計(jì)算幫助實(shí)體做出決策，例如如何進(jìn)行控制。

5. 本地操作：邊緣計(jì)算可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和監(jiān)控，尤其是關(guān)鍵設(shè)備。

6. 本地安全性增強(qiáng)：由于邊緣計(jì)算非常近，可快速檢測(cè)和隔離惡意實(shí)體，并發(fā)起響應(yīng)。

F.績(jī)效指標(biāo)

邊緣計(jì)算的績(jī)效都是其實(shí)現(xiàn)本地的各項(xiàng)功能帶來的：

1. 降低成本：通過本地的功能(R.1)-(R.5),不用再發(fā)送到云端，減少了對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。

2. 更高的QoS：通過本地的功能提高了QoS，減少了延遲。

3. 能源效率：通過本地功能降低了能耗即將任務(wù)和數(shù)據(jù)卸載到云端所需能量，提高了能源效率。

04 /  目前的技術(shù)

A.基于霧的解決方案

①跨層資源管理方案：采用混合計(jì)算平臺(tái)，邊緣云執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，云服務(wù)器執(zhí)行高計(jì)算和資源密集型任務(wù)。不同應(yīng)用的服務(wù)在三層(即云、霧和UE層)中執(zhí)行。高度計(jì)算和資源密集型的業(yè)務(wù)在集中的云層執(zhí)行，實(shí)施業(yè)務(wù)卸載到霧層；終端層在終端本地執(zhí)行功能。該方案具有低時(shí)延以及臨近性特點(diǎn)，且提供了較低的端到端時(shí)延(Qos)。

②基于吞吐量和能耗的能源效率模型：利用霧計(jì)算來分析霧計(jì)算及其相較于云計(jì)算的能耗；使用終端動(dòng)態(tài)接入rat等5G功能。該方案具有低時(shí)延和臨近性特點(diǎn)，且不同rat(3G、4G、5G)可給多個(gè)不同終端提供服務(wù)。

B.基于MEC的解決方案

①執(zhí)行能量感知卸載的架構(gòu)：每個(gè)移動(dòng)終端決定是否執(zhí)行或?qū)⒂?jì)算任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器，以減少M(fèi)EC的能量消耗。

該體系結(jié)構(gòu)通過本地計(jì)算和本地決策，優(yōu)化了數(shù)據(jù)管理以及Qos；通過邊緣計(jì)算執(zhí)行能量感知功能；同時(shí)也使用了對(duì)rat動(dòng)態(tài)訪問的5G功能。該方案的三個(gè)主要步驟為：首先根據(jù)移動(dòng)終端的能耗以及與MEC之間的傳輸時(shí)延進(jìn)行分類（1型終端使用MEC服務(wù)器計(jì)算，2型終端本身進(jìn)行計(jì)算，3型終端可選擇使用MEC服務(wù)器或本身計(jì)算）。其次，根據(jù)能耗、可用渠道等對(duì)終端進(jìn)行優(yōu)先排序（類型1終端優(yōu)先級(jí)更高，滿足時(shí)延約束）。最后，對(duì)終端進(jìn)行不同優(yōu)先級(jí)的渠道分配。

②預(yù)測(cè)和主動(dòng)緩存：通過本地存儲(chǔ)和本地計(jì)算，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)數(shù)據(jù)管理和預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)需求的目標(biāo)。使用邊緣計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)邊緣或終端執(zhí)行主動(dòng)緩存，同時(shí)使用包括D2D通信在內(nèi)的5G功能。

該方案具有網(wǎng)絡(luò)上下文感知的特性，可獲得網(wǎng)絡(luò)信息和流量分布。在非高峰時(shí)段，被請(qǐng)求頻率高的內(nèi)容被緩存到邊緣服務(wù)器、BSs或UE中。當(dāng)BS請(qǐng)求特定內(nèi)容時(shí)，有兩種可能：a)該內(nèi)容過去被有影響力的UE處理或擁有過，因此通過D2D從UE發(fā)送到BS；b)改內(nèi)容在任何有影響力的終端上不可用，因此從核心網(wǎng)發(fā)送到BS。該方案可以降低運(yùn)作成本。

C.混合解決方案

①為了增強(qiáng)MEC，引入了基于D2D的移動(dòng)邊緣和霧計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，以支持協(xié)同計(jì)算，在多個(gè)計(jì)算平臺(tái)或范式中執(zhí)行任務(wù)。該架構(gòu)具有低延遲和接近性的屬性。在該架構(gòu)中，每個(gè)終端發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，并發(fā)送到最近的中繼網(wǎng)關(guān)，中繼網(wǎng)關(guān)與核心網(wǎng)或云項(xiàng)鏈，其服務(wù)處理程序擁有有關(guān)可用服務(wù)的信息，它決定請(qǐng)求的服務(wù)在本地執(zhí)行還是轉(zhuǎn)發(fā)到可以執(zhí)行該服務(wù)的另一中繼網(wǎng)關(guān)。決策是基于服務(wù)在中繼網(wǎng)關(guān)及其臨近網(wǎng)關(guān)的可用性。

②提出一個(gè)實(shí)時(shí)的、上下文感知的、服務(wù)組合和協(xié)作體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)快速結(jié)合服務(wù)，這是由不同硬件和具有不同功能的軟件的協(xié)作支持的多個(gè)服務(wù)的合并。提出的架構(gòu)使用混合計(jì)算，來支持云、MEC和終端之間的協(xié)作。在該架構(gòu)中頻繁訪問的塊是由文件分解的小單元，存儲(chǔ)或緩存在MEC服務(wù)器中。多個(gè)服務(wù)器請(qǐng)求的塊會(huì)根據(jù)文件類型和內(nèi)容復(fù)制并緩存到其它MEC服務(wù)器中。這有助于減少訪問云所引起的端到端延遲。

05 / 未解決的問題

A.改善服務(wù)QoE

QoE是衡量客戶對(duì)服務(wù)提供商的整體滿意度水平的指標(biāo)。其與QoS相關(guān)，但又不同，QoS既體現(xiàn)了硬件特性(如存儲(chǔ)器數(shù)量)又體現(xiàn)了軟件特性(如接口開發(fā))。當(dāng)前存在的問題是如何實(shí)現(xiàn)以下兩者之間的平衡：a)應(yīng)用程序更高的可用性或無縫鏈接，這可在終端離開邊緣服務(wù)器附近時(shí)由云提供；b)終端在邊緣服務(wù)器附近時(shí)，邊緣云可提供更高的應(yīng)用程序QoE，以減少延遲和抖動(dòng)。

B.協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化要求5G環(huán)境中的邊緣計(jì)算要有一套被人普遍接受的規(guī)則。由于邊緣云太靈活且不同供應(yīng)商不同的規(guī)則定制，導(dǎo)致很難就一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致，同時(shí)大量的異構(gòu)終端與邊緣云通信時(shí)采用不同的接口，這些都是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化過程中存在的挑戰(zhàn)。

C.異構(gòu)性問題

5G環(huán)境下邊緣計(jì)算中通信、計(jì)算等技術(shù)的異質(zhì)性，例如不同公司數(shù)據(jù)傳輸范圍、傳輸速率存在較大差異，難以開發(fā)跨不同環(huán)境的便攜解決方案，這就是異構(gòu)型問題。

D.安全性和隱私性

邊緣計(jì)算中數(shù)據(jù)不能跨網(wǎng)絡(luò)傳輸，在一定程度上增強(qiáng)了安全性和隱私性，但是在網(wǎng)絡(luò)邊緣仍存在隱患。首先，動(dòng)態(tài)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致不同網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)需求迅速變化；其次，相互通信設(shè)備數(shù)量的增加，需要一個(gè)可伸縮的解決方案。為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性，這些問題必須得到解決，但可能提高復(fù)雜性和成本。

06 / 總結(jié)

本文綜述了5G通信中邊緣計(jì)算的最新發(fā)展，包括基于霧、MEC和混合方案，并介紹了針對(duì)不同特征分類的邊緣計(jì)算方法及其特征。邊緣計(jì)算的關(guān)鍵要求包括實(shí)時(shí)交互、本地處理、高速率和高可用性。文章指出了5G部署邊緣計(jì)算所面臨的問題，如服務(wù)增強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化、異構(gòu)和安全漏洞，并簡(jiǎn)要介紹了技術(shù)發(fā)展方向。5G中部署邊緣計(jì)算帶來了許多好處，但也帶來了一些新問題，需要科研人員和社會(huì)共同努力解決。

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