聚焦MEC边缘云,赋能5G行业应用

文章作者:

吕华章 陈 丹 王友祥

(中国联通网络技术研究院)

文章来源:

《信息通信技术》杂志

全文8000多字,预计阅读20分钟。

花20分钟了解中国联通的边缘云也是挺好的。

随着日渐成熟的SDN/NFV、大数据、人工智能等技术,5G网络将成为各行业数字化转型的关键基础设施。5G万物互联下的新型业务呈现更低时延、更大带宽、更加智能的特点,传统竖井式网络架构在资源共享、敏捷创新、弹性扩展和简易运维等方面存在明显不足。为了有效满足未来eMBB、mMTC、uRLLC等业务需求,夯实行业竞争力,全球运营商纷纷开展网络重构和转型,构建以DC为核心的全云化网络。同时,随着3GPP5G标准陆续制定完毕,我国5G预商用的时间表也提前到了2019年。美国、欧洲、日韩纷纷高调宣布加大5G投资,各类5G行业应用也在等待合适的时机爆发和井喷。MEC边缘云作为5G网络架构中的关键一环,如何利用MEC边缘云赋能5G行业应用,是在5G来临的前夜,整个行业所急需思考的问题。

MEC,ETSI将其定义为多接入边缘计算。顾名思义,可支持多种网络接入模式,如LTE、NR、WiFi、有线,以及ZigBee、LoRa、NB-IoT、工业以太总线等各种物联网应用场景。MEC边缘云平台在整个网络架构中的位置非常灵活,可以按需部署,通常部署在汇聚、综合接入等边缘机房,可以实现业务本地化处理,不仅降低了业务响应时延,提升了用户感知,同时还能够缩短大带宽业务对传输资源的占用,降低成本。由于边缘数据中心在全国范围内分布极为广泛,因此可以根据每个地域的特性,面向垂直行业市场,快速推出新业务。由此可见,边缘云已经成为支撑运营商进行5G网络转型的关键技术,以迎合未来高清视频、VR/ AR、工业互联网、车联网等多种业务发展的需求。

中国联通致力于打造开放、开源的边缘云业务PaaS平台,为应用开发者提供丰富的平台服务能力及统一API,从而加速边缘应用的创新业务孵化和商用推进。中国联通联合INTEL、卓远、九州云等在 Linux Foundation和Openstack社区分别成立Akraino和 StarlingX项目,为Cube-Edge边缘业务平台的开发奠 定了基石。Cube-Edge是开放的平台,它的开放体现在其云的开放、平台管理的开放以及网络能力的开放。 整个Cube-Edge边缘业务平台的资源可以按需申请, 由ICT统一编排管理。同时,该平台实现了电信级的虚拟化部署,消除了单点故障,确保了平台整体的流畅运转,业务不中断。

业务推广与落地是构建边缘云生态的重要动力。 2018年,中国联通已经成功启动15省市规模试点,探索MEC边缘云商业场景。作为中国联通边缘生态孵化和边缘业务平台搭建的样板工程,中国联通携手中兴通讯、INTEL、腾讯视频等首次在天津京津大学城建成了边缘数据中心测试床,已完成边缘vCDN、边缘转码 和边缘AI智能分析等多个边缘业务的部署测试。以边缘 vCDN为例,将应用内容下沉到网络边缘,既能减少网络传输和多级转发带来的带宽压力与时延损耗,又能帮助内容提供商降低成本,大幅度提升用户体验。此次样板工程的搭建,开启了中国联通在边缘计算领域同OTT合作的先河,对中国联通进一步开展边缘DC机房改造 和5G创新业务商用孵化具有非常重要的指导价值。另外,中国联通还持续开展了智慧场馆、安防监控、智慧港口等试点工作,未来结合各省产业现状和需求,在2019年5G预商用前夕,中国联通将持续开展边缘云业务推广和商用落地,积极部署5G MEC边缘云,迎接未来业务爆发和需求井喷。

1 5G时代业务需求及网络云化演进

1.1 5G时代业务需求

边缘云技术的发展主要受到业务应用需求与云化演进两个方面的推动。

从业务应用需求角度出发,5G时代将采用全新的无线接入技术NR,使得5G时代的各项网络指标相比4G时代提升了数倍甚至数十倍。举例来说,5G时代 能够实现下行峰值速率20Gb/s,是4G时代1Gb/s的20 倍;下行用户体验速率可以达到100Mb/s,频谱效率是4G时代的3倍。5G网络时延将低至0.5ms,同时支持海量连接,每平方公里达到百万级连接数。移动性方面,5G最大支持终端500km/h的移动速度而不中断业务,保证了高速移动下的业务连续性。因此,在新技术的 驱动下,5G网络的演进必然将催生一系列新业务的出现,包括:以大视频大流量为代表的VR/AR、智慧安防场景,以及对时延要求极为严格的车联网、工业控制场景,还有以海量连接为代表的物联网场景等等。毋庸置疑,5G时代必将是一个业务百花齐放的时代,如图1所示。

综合无线与固网发展趋势,未来业务需求将给运营商带来巨大挑战。

1)eMBB:以8K视频、3D视频、VR/AR为代表 的增强宽带业务将对网络带宽产生数百Gb/s的超高需求,从而对回传网络造成巨大传输压力。单方面投资扩容汇聚与城域网络将大幅提高单位媒体流传输成本,无法实现投资收益。

2)URLLC:以V2X、工业互联网为典型代表的超 可靠低时延业务需要端到端1ms级超低时延支撑。仅仅依赖无线和固网物理层、传输层技术进步,无法满足苛刻的时延需求。需要根据垂直行业特点,引入网络与行业应用部署创新。

3)mMTC:以智慧城市、智能楼宇为典型代表的海量连接业务将产生海量数据,导致运营管理的巨大挑战。各种实践表明,仅仅由云端集中统一监控无法支撑如此复杂的物联系统,必须引入本地化的智能控制与管理技术。

1.2 云化网络需求

从云化网络角度来说,如图2所示,伴随控制面与转发面分离的网络架构演进需求,传统专有封闭的设备体系也正在逐步瓦解,转向基于通用硬件+SDN/NFV的云化开放体系。基于虚拟机以及容器技术承载电信网络功能,使用MANO与云管协同统一编排业务与资源,并通过构建DevOps一体化能力,大幅缩短新业务面市周期,从而实现 IT与CT技术深度融合,提高运营商业务竞争力。因此,从中心机房到边缘机房,借助云化技术重构电信基础设施将是必然选择。

边缘云的良好发展和业务保障,离不开灵活而强大的网络支持。中国联通要做5G时代的引领者,加速5G网络重构,主要秉承 如下4点原则:网络全面云化,集约而弹性;持续进行能力开放,业务不断创新;网络安全可靠,维护更加便捷;云网一体化,最终实现业务的便捷高效部署。

中国联通5G网络将实现全面云化,实现业务的按需部署和快速上线,缩短周期。用户面网关下沉到地市或边缘,避免流量迂回,减轻对核心网和传输网的压力,使得 网络更加高效。此外,4G、NB-IoT、5G多种接入方式并存,满足多样化的业务需求。

2 边缘云平台架构

为了迎合未来业务高带宽、低时延、海量连接等特性,边缘业务平台秉承弹性、开源、开放的特性,其搭建涉及到基础设施层、虚拟化层、应用使能层及业务编排管理等。根据思科全球云指数的预估,到2019年,物联网产生数据的45%将在网络边缘存储、处理、分析,而全球数据中心总数据流量预 计将达到10.4泽字节(ZB,十万亿亿字节)。IDC最新统计报告显示,到2020年将有超过500亿的终端与 设备联网。如此众多的设备接入和大数据流量,将对边缘云架构的设计和搭建提出非常严格的要求。

中国联通致力于打造开放、开源的边缘业务PaaS平台,为开发者提供丰富的网络能力开放和服务,以及统一的API接口,如图3所示。

中国联通边缘业务平台包括硬件资源层、虚拟化层、应用使能层及业务编排管理层,为应用开发者提供丰富的平台能力和统一的API。

1)硬件基础设施层(COTS)包括计算资源、存储资源、网络资源以及加速器资源。

2)虚拟化层(Cloud OS)将各类硬件资源进行虚拟化,目前主要基于轻量化Openstack以支持虚机部署方式为主,并逐渐向容器方式演进。

3)业务使能(Service Enable)层可以安全高效地将基础网络服务能力提供给第三方应用,还可在第三方应用之间实现服务能力的可靠共享,满足多样化的业务需求。

4)管理编排(MANO)层主要支持对基础设施的管理、对第三方业 务APP的编排管理等。 自研Cube-Edge平台是目前中国联通边缘云的重要任务,如图4所示。构建边缘生态的成功与否,就在于其边缘云平台是否开源、开放,API接口是否友好。

目前,中国联通Cube-Edge平台已商用部署于天津宝坻“上京顺园”边缘机房。在天津,我们建成了全国最大的Edge-Cloud测试床, 由10余台基于X86架构的通用服务器构成计算、存储和网络资源池。平台的计算节点与存储节点采用融合部署方案,控制节点分离部署,可实现系统管理、告警管理和性能管理。同时在该平台上,还搭载了高性能转码集群与高性能存储集群,有效提升了Cube-Edge平台整体的业务性能和业务流畅程度。

3 边缘云标准化分析

目前,产业界对于边缘云的标 准工作也逐步开展,包括ETSI、 3GPP、CCSA等各大国内外标准化组织。标准化内容非常广泛,涉及到边缘云平台、架构、接口、需求、功能定义、信令流程、各类 API等。对边缘云架构、需求、接口等的标准化工作非常必要,因为当前各方边缘云平台接口和架构之间无法互通,封闭性极强,同时对于功能模块之间的交互也缺乏定义,这种现状违背了边缘云“开源、开放、友好”的发展初衷。同时,现阶段各大设备厂商均看到了边缘云和边缘计算的美好发展前景,纷纷自研边缘云平台,但是时至今日都没有实质性的边缘生态出现。第三方APP缺乏在设备商边缘云平台上部署的兴趣,其中一个重要原因就在于平台接口私有化加大了第三方的开发成本和开发难度,导致边缘云应用使能层建设缓慢,进展有限。 2014年,ETSI率先启动MEC标准项目,旨在移动网络边缘为应用开发商与内容提供商搭建一个云化计算与IT环境的服务平台,并通过该平台开放无线侧网络信息,实现高带宽、低时延业务支撑与本地管理。联盟成员包括沃达丰、中兴、Intel、华为、诺基亚、惠普等各大厂商。目前完成了Phase I阶段 基于传统4G网络架构部署,定义边缘计算系统应用场景、参考架构、边缘计算平台应用支撑API、应用生命周期管理与运维框架以及无线 侧能力服务API(RNIS/定位/带宽管理)。正在进行的Phase II阶段,则主要聚焦在包括5G/Wi-Fi/固网在内的多接入边缘计算系统,重点覆盖MEC in NFV参考架构、端到端边缘应用移动性、网络切片支撑、合法监听、基于容器的应用部署、V2X支撑、Wi-Fi与固网能力开放等研究项目,从而更好地支撑MEC商业化部署与固移融合需求。

随着ETSI MEC影响力的扩大,3GPP亦紧锣密鼓投入边缘计算支撑研究。4G CUPS与5G New Core引入控制面与转发面分离架构,转发面支持分布式部署到无线网络边缘,控制面集中部署并控制转发面,从而实现业务按需本地分流。SA2 5G系统架构在本地路由与业务操纵、会话与服务连续性、网络能力开放、QoS与计费等各方面给予边缘计算全面支持。此外,SA5网络功能管理与SA6北向通用 API框架研究也将进一步考虑边缘计算需求。作为ETSI MEC的有效补充,3GPP正在加速MEC商用化进程。

标准主导和商业部署是推动边缘云产业向前发展的鸟之双翼、人之双足。中国联通布局边缘云标准化由来已久,未来目标是从标准的跟踪与研究发展成为 主导MEC国际标准,实现引领整个产业链发展,如图5所示。中国联通重点在ETSI、CCSA、3GPP布局边缘云标准化,提交多项标准化文稿和提案。

在ETSI,中国联通牵头完成“MEC平台使能OTT业务”标准立 项,开创与OTT合作的先河,填补 了ETSI MEC标准化中过分强调ICT 业务需求而忽视OTT业务需求的不 足;在ITU-T SG20标准组织中,牵 头完成2个IoT边缘计算立项,并成立“边缘计算联合报告人组”。在国内,中国联通于CCSA TC5牵头标准立项“5G EC平台 能力开放技术研究”,在CCSA ST8工业特设组中牵头首个工业边缘云标准立项“面向制造业的边缘计算:边缘云模型与技术要求”;在3GPP SA2牵头完成相关立项2个。

此外,中国联通牵头成立CORD产业联盟,加快向新型架构CUBE-Net 2.0转型;并在SDN/NFV 联盟牵头成立“MEC应用推进工作组”,凝聚产业力量,构建生态。

未来,中国联通还将继续秉承标准与实践并重的理念,积极布局边缘云标准化。未来中国联通的重点工作主要集中于以下两个方面。

1)针对边缘云平台架构提交各类草案。中国联通将根据自身边缘云平台建设经验和实际部署情况,将遇到的实际问题和标准不足之处 反馈到标准化组织。目前ETSI等标准化组织中,其标准化内容缺乏实践支持,而中国联通的工作将为这些标准化内容提供有效的支持和帮助。

2)针对边缘云相关领域进行布局和谋划。边缘云技术的成熟也带动了其他领域的发展。边缘云同其他通信云一样,也面临安全、鉴权等问题,这些都是边缘云技术成熟所带来的附加问题。中国联通未来将重点考虑这些问题的标准化内容,包括边缘安全、边缘智能、边缘大数据、边缘IoT等领域。

4 边缘云业务实践与探索

落地实践是实现MEC边缘云价值最重要的推手。2018年,中国联通已经成功启动15省市规模试点,探索MEC边缘云商业场景。试点内容丰富多样,本文限于篇幅重点介绍vCDN、智能安防、智慧场馆、智能制造以及车联网五类场景,如图6所示。

4.1 vCDN业务

在天津和浙江部署的边缘vCDN,重点解决中国联通“腾讯王卡”、“蚂蚁王卡”等大量发行而带来的流量激增问题。可将vCDN节点分布式部署在MEC边缘节点中,降低集中节点的处理负荷和端到端时延,提升用户体验,增加客户黏性。根据外场测试结果,在腾讯视频和沃视频vCDN下沉后,平均往返时延和下载速率均 得到了明显的改善,如图7所示。同时,中国联通联合中兴通讯等合作伙伴基于无线信息进行了视频自适应码 率调整的验证,通过沃视频APP上报反映视频质量和无 线网络质量的指标,MEC基于该上报指标,进行视频码率的适应性判断并通知UE发起码率调整。UE-APP向沃视频SERVER上报视频码率切换指示,SERVER切换到对应码率的片源。

4.2 边缘安防监控业务

传统的监控部署采用有线方式,有线网络覆盖全部的摄像头,布线成本高、效率低,占用大量有线资源。同时,传统方式下需要将监控视频通过承载网和核心网传输至云端或服务器进行存储和处理,这种方式不仅加重了网络的负载,业务的端到端时延也难以得到有效的保障。基于上述诉求,可以将监控数据分流到Edge-Cloud边缘云业务平台,从而有效降低网络传输压力和业务端到端时延。此外,视频监控还可以和人工智能相 结合,在边缘云搭载AI人工智能视频分析模块,面向智能安防、视频监控、人脸识别等业务场景。边缘云低时延、大带宽、快速响应等特性可以有效弥补当前基于AI的视频分析中产生的时延大、用户体验较差的问题,实现本地分析、快速处理、实时响应。

图8为基于Edge-Cloud边缘业务平台的AI视频分 析系统架构。Edge-Cloud对4G摄像头采集的视频进行本地分流,降低对核心网及骨干网传输带宽资源的占 用,缩短端到端时延。云计算中心执行AI的Training任 务,Edge-Cloud执行AI的Inference,二者协同可实现本地决策、实时响应,可实现表情识别、行为检测、 轨迹跟踪、热点管理、体态属性识别等多种本地AI典 型应用。此外,有线摄像头亦可以接入Edge-Cloud智能分析平台。

在湖北、江苏等地,创新性地将智能安防应用于智慧水产养殖中,基于MEC边缘云重建安防监控系统的网络体系。通过在边缘云部署边缘智能AI,实现了在边缘侧进行视频预处理,对AI Inference进行本地判决, 实时响应;而云中心进行AI Training,实现边云协同。

4.3 边缘云“智能场馆”业务

在上海、北京开展智能场馆试点验证。中国联通 作为2022年北京冬残奥会合作伙伴,联合INTEL、阿 里、腾讯等已开启基于5G边缘云的“智慧场馆”试点 建设。试点业务内容涵盖了安保、360度VR直播、虚 拟圣火等。Edge-Cloud边缘云平台可为实时(VR)视频直播带来超低延时。传统图像采集摄像头和VR摄像头是有线的,而利用无线蜂窝网络回传代替有线方案, 更利于移动场景和室外直播。此外,VR视频与高清直播视频的分发、拼接和计算可以卸载到网络边缘,摄像头只需采集图像信息,无需处理,使得摄像头成本更低、更小、更便携,直播内容近端分发可带来较低延迟和较好体验。

如图9所示,中国联通联合INTEL、腾讯云等在上 海“梅赛德斯-奔驰文化中心”搭建了Edge-Cloud边缘云平台,部署MEC虚拟化网络功能,开放API集成EVO等边缘视频编排分发系统。用户可在场馆内观看超大带 宽以及近乎零时延的实时VR直播、多角度高清视频并与 “粉丝-网红”直播互动。相对于30~40s时延的传统互 联网(Center-Cloud)直播,基于边缘云平台的VR、视频本地部署大大提升了用户体验,获得了良好的反响。

4.4 工业边缘云实践

在广东、辽宁、河南等省打造边缘云智能制造产业示范基地。借助牵头国家专项《面向制造业的边缘计算:边缘云模型与技术要求》的契机,结合当地工业制造现状和业务需求,中国联通将重点推广工业边缘云平台,融合本地网络、计算、存储、应用核心能力,为智能工厂提供快速连接、实时业务、数据优化、应用赋能、安全保障等方面的全链条管理服务。

基于边缘计算模型驱动和智能分布式架构,在工业现场可以构建智能的Edge-Cloud边缘云,实现统一的网络连接、统一的智能分布式架构、统一的信息模型、统一的数据服务、统一的控制模型、统一 的业务编排,如图10所示。工业边缘云是指在工厂内部,融合本地网络、计算、存储、应用核心能力,就近提供生产管理服务的本地云平台,遵循“工厂管理下沉,感知端数上移”的模式,将 OT、IT、CT进行有条件融合,实现终端及设备的海量、异构与实时连接,网络自动部署与运维,并保证连接的安全。工业边缘云 硬件基础设施采用通用的X86架构服务器,比商业服务器具备更强的工业特性,并提供更好的稳定 性和安全性。基于Openstack或者 Kubernets技术,在硬件基础设施 上建立VM或者Container虚拟化平台,将计算、存储、网络等资源池化,供垂直行业应用开发者设计各种不同的应用。

4.5 边缘云V2X车联网业务

在重庆、北京等地,联合百度、长安等打造边缘云车联网示范应用,实现云边协同智能交通,解决方案如图11所示。重庆是我国道路较复杂的城市,中国联通在 C-V2X的试点过程中选取了两江新区开发路段进行实验,该实验全长9.6km,覆盖空旷路口、人流密集路口、复杂交通路口等12种不同类型的典型路口及道路,从无线覆盖、优化、车载信息收集、MEC数据分析复杂度而言都具有复杂性和典型性。此次基于Edge-Cloud边缘 业务平台的C-V2X试点在该路段实验了信号交叉口闯红灯预警、信控交叉口辅助驾驶、交叉路口防碰撞提醒、信控交叉口车速引导、应急车辆预警、信号灯控制参数优化、行人穿行预警、编队行驶模拟等多个场景,获取了丰富而宝贵的实验数据,为未来的车联网扩大实验和产业应用奠定了基础。

5 结语

面对即将到来的5G时代和ICT融合的滚滚浪潮,我们需要以变革的姿态迎接未来、决胜未来。不同于4G时代的管道提供商角色,运营商在5G时代会有更多的机会拓展增值业务,变身成综合性的端到端业 务提供商。作为ICT融合的新生技术,边缘计算将高带宽、低时延、本地化业务下沉到网络边缘,为固移融合提供统一的电信基础设施支撑,对于运营商数字化 转型和产业结构升级至关重要。中国联通Edge-Cloud边缘业务平台将面向垂直行业应用方开放差异化的网络能力和服务,提供统一的运营管理支撑,从而大大提升行业竞争力。

沃联万物,智胜边缘,是中国联通边缘云发展的未来目标,描绘了一幅万物连接、边缘百花齐放的美好愿景。实现这一愿景离不开产业界的大力支持和帮助。中 国联通将持续秉承开放、包容的姿态,以MEC边缘云为契机,赋能5G行业应用,携手产业界,共创美好边缘生态。

万物智联时代正与5G并肩而来,2019年是5G商用元年,全球运营商纷纷拉开网络DC云化与转型帷幕。在本届世界移动通信大会(MWC2019)期间,中国联通将隆重召开“MEC边缘云商用加速计划”发布会,以“构建边缘智能生态,赋能5G数字转型”为主题,向全球产业界传递联通MEC边缘云战略布局及商用计划,携手合作伙伴共建5G生态。

MEC边缘云将高带宽、低时延、本地化业务下沉到网络边缘,成为5G网络重构与数字化转型的关键利器。此次发布会上,中国联通将披露“2018年MEC边缘云金牌合作伙伴先行者”,及举行“2019年MEC边缘云合作伙伴加盟及起航仪式”,重磅发布《CUBE-EDGE 2.0平台及行业实践》白皮书,及Edge-Eye、Edge-Box、Edge-Link、Edge-AR等七大创新业务产品。华为、INTEL、中兴、联想、VMware、Redhat、阿里、腾讯、HPE、NVIDIA、ARM、浪潮、沃尔沃、Wind River、QWILT、星耀、九州云、华兴宏视、Baicells等众多合作伙伴参与,嘉宾阵容强大。除此之外,中国联通将携手华为和INTEL等联合展示三大商用落地创新成果“5G边缘云赋能智能驾驶”(Hall 1馆 #1H50)、“CUBE-EDGE平台助力5G新媒体及AI应用”(Hall 3馆 #3E31),和“基于5G MEC的云游戏体验增强”(Hall 3馆 #3E31)

原文发布于微信公众号 - 边缘计算社区(edgewnet)

原文发表时间:2019-02-23

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