3.2　5G 邊緣云計算典型架構

5G 疊加邊緣計算，將成為IT 基礎設施新的發展趨勢。在傳統的云計算架構中，所有數據處理任務均在核心網中的云數據中心完成，這要求數以億計的終端設備將它們的數據通過核心網傳輸至云數據中心。如此龐大的通信量將削弱前端容量，并可能使核心網負擔過重，產生網絡擁塞，最終將影響用戶的QoS 體驗。解決這個問題最直觀的方法是，將計算和存儲資源從云數據中心下沉至網絡邊緣，由終端產生的數據將在邊緣側得到處理，不需要全部發送到中心云中，進而減少核心網流量的激增。5G 邊緣云計算的分層架構如圖3-1所示，包括云計算層、邊緣層和終端層。

終端層包括所有連接到無線接入網中的終端設備，包括傳感器等IoT 設備，智能電話、平板電腦等移動終端。這些設備直接與網絡進行數據交換，或者這些設備之間進行數據交換。作為所有進入網絡的數據源和執行任務的主要執行器，這些設備是底層的設備。

邊緣層由終端層與云計算層之間的中間網絡設備組成。這一層的第一個數據處理點是直接與核心網相連的射頻拉遠頭和小站，在這里處理數據將大大減少回傳的負擔。宏站同樣作為數據處理點，通過回程鏈路將處理后的數據發送到核心網中。前傳和回傳都是通過以太網鏈路實現的。從射頻拉遠頭到核心網路徑上的路由器和交換機等中間設備也是計算與存儲任務可以處理的潛在場所。虛擬化技術的進步使得在這些設備上部署應用程序成為可能。每個應用程序都以虛擬機的形式打包，并在適當的設備上運行。

云計算層位于最頂層，云虛擬機作為計算的處理點。理論上無限的可擴展性和云的高端基礎設施，使得處理對計算和存儲資源有大量需求的應用成為可能，而這些在邊緣設備上是無法做到的。

為實現時延的降低，5G 對4G 的核心網和無線接入網進行了重新設計。將核心網進行了下沉，從骨干網下沉到城域網，將無線接入網分為AAU、DU 和CU。AAU 為有源天線單元，包括天線、濾波器、功放、數模轉換、數字中頻，部署在接入機房的基站位置。DU 為分布單元，負責處理物理層協議和實時協議，一般接近接入機房部署。CU 為集中單元，負責處理非實時協議和服務，可部署在無線/接入機房、普通匯聚機房、重要匯聚機房及核心機房。CU 和DU 既可以分開部署，也可以部署在同一個硬件設備上。

通信時延主要由空口時延、核心網傳播時延、核心網轉發時延、業務處理時延組成。空口時延為無線接入側時延，與幀長等因素有關。在5G 標準中對空口時延的要求是1ms。核心網傳播時延為數據傳輸過程中的時延。以光纖傳輸為例，每千米時延約為5μs。核心網轉發時延為設備接收到數據并轉發出去的時延，與設備的處理能力有關，涉及差錯控制、查找路由表等操作。以光轉換設備OTN 和路由器為例，OTN 設備時延大概為100μs，路由器時延大概為1ms。業務處理時延主要取決于服務器的性能及業務涉及的數據量，與具體業務相關。

下面以圖3-1中的用戶甲為例說明5G 網絡對時延的優化。假設云數據中心與用戶甲和用戶乙的位置相距均為300km，數據從用戶甲和用戶乙所處位置發送到云數據中心需要經過6個OTN 設備及兩跳路由器的轉發，邊緣云平臺部署在核心網邊緣機房中。用戶甲發起的通信分為三種業務場景：（S1）用戶甲的業務需要由位于云數據中心處的服務器進行處理；（S2）用戶甲的業務需要由邊緣云平臺處理；（S3）用戶甲與用戶乙通過云數據中心進行數據交換。由于業務處理時延與具體業務相關，在分析網絡時延時暫不考慮。各業務場景下的網絡時延狀況如表3-1所示。

在第一種業務場景（S1）下，用戶甲的業務需要由位于云數據中心處的服務器進行處理。對于實時性要求不高的業務，像傳統網絡一樣，將數據傳輸至云數據中心進行處理。用戶甲在無線接入網處的空口時延包括用戶甲在AAU、DU、CU 之間的信令處理時延及傳輸時延。假定已滿足5G 網絡空口時延要求，為1ms，從用戶甲傳輸至云數據中心的核心網距離為300km，傳播介質為光纖，每千米時延約為5μs，則核心網傳播時延約為1.5ms。經過6個OTN 設備的總時延為0.6ms，經過2個路由器的總時延為2ms，則總的單向時延為5.1ms。在4G 網絡下，無線接入網的時延大約為10ms。在這種情況下，5G網絡的時延優勢主要在無線接入網處得到體現。此時與4G 網絡相比，用戶甲主要在無線接入網處降低了時延，至少能夠降低約9ms。

在第二種業務場景（S2）下，用戶甲的業務需要由邊緣云平臺處理。邊緣計算的引入，將計算、存儲資源部署在網絡邊緣。與傳統將所有數據均上傳至云數據中心進行處理相比，邊緣計算的引入使得用戶甲的數據無須進入核心網，減少了從無線接入網到核心網的路由跳數，以及從核心網到云數據中心的路由跳數，進而實現了整體傳遞時延的下降。在這種情況下，去除具體的業務處理時延，主要時延為無線接入網的空口時延，即1ms。與使用4G 網絡相比，至少能夠減少約9ms 的無線接入網時延以及約4ms 的核心網時延，總計可減少約13ms 的時延。因此，邊緣計算的引入實現了計算資源的下沉，在網絡邊緣即實現了數據的處理，無須將數據傳輸至云數據中心，進而降低了整體的傳輸時延。

在第三種業務場景（S3）下，用戶甲與用戶乙涉及同一業務的數據交互，服務器位于云數據中心處。此時用戶甲與用戶乙的通信時延同樣主要由空口時延、核心網傳播時延、核心網轉發時延、業務處理時延組成。在無線接入網處的時延，包括用戶甲和用戶乙在無線接入網處的時延，為2ms。核心網傳播時延為用戶甲和用戶乙從無線接入網到核心網的時延，以及從核心網到云數據中心的時延，為8.2ms。此時，用戶甲與用戶乙的通信時間為10.2ms。與4G 網絡相比，5G 網絡主要為無線接入網處時延的降低，至少能夠降低約18ms。同時，結合網絡切片技術，對于時延敏感數據，5G 網絡將構建低時延傳輸路徑，可進一步降低時延。

除了降低鏈路時延，邊緣云還具備提高鏈路容量、改善服務質量的優勢。部署在5G無線接入網的計算能力，能夠對接收到的數據進行處理。在接近數據源側進行處理，可以避免數據進入核心網，避免占用數據傳輸通道，從而提高網絡的總體鏈路容量。以超高清視頻服務為例，當前視頻數據量呈現爆發式增長，大量視頻用戶在同一時間請求網絡服務，如果視頻服務器位于云端，所有數據均進入核心網，將大大地損耗鏈路容量。如果將視頻服務器部署在網絡邊緣，數據將在邊緣側進行傳輸，從邊緣側響應，減少了對帶寬的損耗，從而提升網絡的總體鏈路容量。

云計算層、邊緣層和終端層分別對應本書前言中為5G 邊緣云定義的云層、霧層、薄霧層和器件層，其中邊緣層細分為霧層和薄霧層。從計算能力角度考量，5G 邊緣云在不同層次上使用特定體系架構的服務器，滿足計算能力和環境要求。在云層采用搭載多CPU 多核的x86服務器，安裝CentOS、Ubuntu 或者Oracle Linux 操作系統，以滿足普適需求（General Purpose）；霧層比云層的規模要小一些，采用低功耗的x86服務器，如搭載Celeron 處理器、Atom 處理器的服務器，同樣需要安裝普適的操作系統，也可以引入ARM 和RISC-V 架構服務器；薄霧層所需要的計算能力相比之下更弱，一個明顯的標志是不再需要散熱風扇，適合使用樹莓派（Raspberry Pi）等輕量級設備，安裝輕量級的相對專用的操作系統；器件層則包括各種傳感器。以上構成了由器件層到薄霧層、霧層和云層的“三級跳”。就目前的狀況看，Ubuntu Linux 在這“三級跳”中有相對完整和清晰的路線圖。讓人驚奇的是，Oracle 發布的Oracle Linux 也在邊緣云上進行了大量投入，在這“三級跳”中同樣有相對完整和清晰的路線圖。加上Oracle 在云計算上的積累，在5G 邊緣云中，Oracle 是一支不可小覷的力量。CentOS 則在云層占據著相當大的份額，目前尚看不出從中心云到邊緣云的完整方案。在每層中選取服務器體系架構和操作系統應以人員能力積累和復用為原則，盡量避免出現“三級跳”過程中需要更換環境（如.NET、Java）和操作系統的問題。