前言

5G 來了。

云計算方興未艾，邊緣云計算還未具雛形，在5G 元年的當口，把5G 和邊緣云計算放在了一起，筆者是不是在趕時髦？當完成《云計算：規劃、實施、運維》和《大數據：規劃、實施、運維》兩本書的時候，雖覺得頗有樂趣，卻也深感吃力，曾發誓不再寫這類書了。云計算的本意是資源的復用，以提高效率，然而現在看到的卻是數據中心越建越多，各種“煙囪云”拔地而起，筆者內心感到十分驚訝，甚至有些痛惜。不僅如此，目力所及相關作品的水準，往往停留在朋友圈分享文章的層面上，正應了評論互聯網時常說的：只有鏈接沒有答案（All cross references no answers）。面對這種狀況，筆者只能挽起袖子再次操刀了。

事實上，無論是5G，還是邊緣云計算，媒體都有著過高的渲染，以致對2022年市場規模給出了10多萬億元的驚人估值。不僅充斥著5G=IT 的味道，甚至唱出了5G 改變社會的高調，使得各路玩家絞盡腦汁地想要在5G 邊緣云計算業務中開拓新市場。再極端一些，可能還會出現面對新東西的“國王的新衣綜合征”。在此大膽地引用筆者的朋友William Webb 的說法：“5G 是一個現實與愿望脫節的‘Myth’，其支持者都是為了各自的利益：學術界希望借此得到更多的科研經費；廠家借機來提升價格；運營商擔心如果他不做會喪失競爭力；各國政府則以此作為政治噱頭……誰都不愿把這‘Myth’說穿?！?/p>

這里，我們先試著探討5G 究竟是什么、5G 能做什么。在人們通常理解的5G 帶來的移動端大帶寬、低時延、泛連接的背后，還隱藏著什么秘密？云計算、大數據、人工智能和區塊鏈等新技術一波接著一波，5G 邊緣云計算和這些技術是什么關系？5G 會對哪些行業帶來深刻的影響？甚至，5G 和讀者你之間會有怎樣的關系？

5G 邊緣云計算系統的自治能力以及與其他系統的接口尤為重要，系統的架構及任務分工（Tasks Partition）與協同編排（Orchestration）會使中心云與邊緣云出現緊耦合、松耦合和半松半緊耦合這些不同程度的耦合，并催生出一種全新的合眾計算范式（Computing Paradigm），即聯邦計算（Federated Computing）。5G 的到來，不僅僅促進了移動接入側網絡的進步，更是在倒逼整個大網的升級改造，建成面向服務的未來網絡；不僅僅是邊緣算力的提升，更是計算范式的變化，合眾的聯邦計算將會成為主流并保持相當長的時間；5G 時代云計算的多數創新必然會出現在邊緣計算上，不夸張地說，5G時代的云計算就是邊緣云計算。

在技術層面上，相較于4G，試商用的5G 頻率在高頻段提高到了28GHz 附近，頻率的提高導致波長變短，進入了毫米波的范圍。5G 將4G 的大規模天線陣列技術和波束賦形與毫米波配合使用，從而提升了天線增益。5G 的同時同頻全雙工技術使得頻譜資源的使用更加靈活，而終端直通技術（Device to Device，D2D）則實現了終端之間的直接通信。5G 采用低密度奇偶校驗（LDPC）信道編碼，提高了數據傳輸速率，以C-RAN（Centralized Radio Access Network）架構實現了集中化處理，使得5G 系統的峰值速率提升了10～20倍，達到10～20Gbps；用戶體驗速率提升了10～100倍，達到0.1～1Gbps；流量密度提升了100倍，達到10Tbps/km2；連接數密度提升了10倍，可接入設備數量達到100萬個/km2。可以說，在移動應用場景下，5G 的優越性是顯而易見的。但與此同時，5G 場景也帶來了諸多新的挑戰。泛連接的終端將產生海量的數據，使得原有的大數據變得更大，從而對數據的處理能力提出了新的要求；從中心，到邊緣，再到器件的分層結構所形成的復雜性，對運維提出了更高的要求，并使得采用人工智能（AI）的方式來實現組網、重構和運維成為必然趨勢；安全作為一直存在的問題，對5G 網絡邊緣而言，顯得格外突出，急需制定邊緣側的安全技術標準和規范，而區塊鏈技術或將成為使能者。

邊緣計算（Edge Computing，EC）可謂是一個老話題。在云計算興起之前，幾乎所有的IT 系統都是客戶側（On Premise）—貼近企業的計算。隨著端（User Equipment，UE）的“動中通”能力的提升，就有了移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）。隨著端的接入技術的多元化，進而有了多接入邊緣計算，同樣保留了英文縮寫MEC，但字母M 代表的是多接入（Multi-access）。其中的接入方式可以為有線方式，也可以為無線的Lora、NB-IoT、Wi-Fi、4G 等。5G 邊緣云計算則是以5G 為接入技術，以云的范式進行的邊緣計算，即“Run edge computing in a cloud fashion”。

5G 邊緣云計算將給產業互聯網帶來諸多優越性。5G 具有增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類型通信（mMTC）、超高可靠和低時延通信（uRLLC）的特性，可以惠及當前各行各業，如新媒體、云游戲、智慧醫療、智能制造、智慧城市等。而要想讓5G 真正發揮出優勢，又離不開與云計算、大數據、人工智能等技術的深度融合。由此呈現出了“云就是網，網就是云，云網一體”的云聯網格局。這也再一次印證了筆者在美國工作過的Sun 公司所倡導的“The Network is the computer”。可以認為，5G 技術既是邊緣側無線通信技術的進步，更是對核心網的挑戰。產業互聯網應用正逼迫著整個網絡由IP“盡力而為”（Best Effort）的網絡向需要QoS（Quality of Service，服務質量）保證的“確定性”網絡的方向升級改造。

在新媒體領域，不同于傳統的語音業務和常規數據業務，更要求網絡能夠提供大帶寬、低時延、“動中通”的移動網絡。例如，在2019年兩會期間，中央廣播電視總臺首次使用專業級4K 超高清視頻直播技術，并結合5G 網絡資源及邊緣計算技術，確保滿足4K 超高清視頻信號的傳輸要求，完成了畫質更清晰、互動更流暢的會議報道。新的技術讓制作人員不僅可以回傳采訪的超高清視頻，還可以在云平臺上進行節目內容的直接編排與制作。

在游戲領域，通信網絡連接游戲終端的“最后一公里”成為云游戲的瓶頸。5G 采用大規模天線陣列技術建造本地基站解決了“最后一公里”的連接問題，由邊緣機房中的云計算服務器承載云游戲服務端程序，保證了足夠高的數據傳輸速率和足夠短的響應時間。云游戲有了5G 邊緣云的助力，將會帶動消費互聯網的升級。消費者說的“建了半天的5G，就是打了個游戲”雖像是戲言，但云游戲確實最有可能成為率先具有清晰商業模式的領域。

在智慧醫療領域，以中國聯通為例，他們借助5G 通信技術，成功實現了心臟介入手術的跨國展示，使得遠在巴勒斯坦的醫療工作者可以在大屏幕上實時觀看青島阜外醫院進行的心血管手術。整個直播期間畫面清晰無卡頓。更重要的是，5G 邊緣云計算技術使得智慧健康真正上升為智慧醫療。它一方面提升了醫療供給，實現了患者和醫療資源的信息連接，更大程度地提高了醫療資源利用效率；另一方面，醫療數據的價值也將會被進一步挖掘出來，產生新的基于5G 邊緣云計算技術的移動醫療服務。

在智能制造領域，工業互聯網需要將傳感器、大數據、云計算等新一代信息技術與制造業進行深度的融合，而5G 邊緣云計算技術非常適應制造領域的大體量、毫秒級時延要求。例如，濰柴集團搭建的數字工廠，利用5G 及相關技術，打造了無人生產車間，將生產設備、物品直接連接到網絡中，實現了對生產現場的實時數據采集。與此同時，5G邊緣云計算技術也促進了生產系統（Manufacture Execution System，MES）、供應鏈系統（Supply Chain Management，SCM）、客戶關系管理系統（Customer Relationship Management，CRM）、企業資源計劃系統（Enterprise Resource Planning，ERP）等的重新分工與協同。

在智慧城市領域，5G 邊緣云計算作為智慧城市發展的新引擎，將會推動城市現代化治理與運營升級。城市中的人、物、景都將成為智能個體而被連接起來。5G 邊緣云計算為城市智能個體提供隨時隨地的連接能力，進而構成了城市“數字孿生”。新加坡是智慧城市的典范，其以3C 與3I，即“連接（Connect）、收集（Collect）和理解（Comprehend）”與“創新（Innovation）、整合（Integration）和國際化（Internationalization）”，作為建設原則。在5G 邊緣云計算推動下，將有望出現更多的“虛擬新加坡”，通過先進的建模技術為3C 與3I 注入靜態和動態的城市信息，賦能城市運營，并形成多服務的閉環，為快速發展數字經濟，助力智慧城市升級打下基礎。

離開應用場景談技術是沒有意義的，而且把一種技術局限于某個例應用上，也很難稱其為一個時代。事實上，類似上述列舉的案例還有很多，但必須指出，這些應用還是比較初級的，5G 邊緣云計算的商業模式需要我們進一步認真探索，其技術潛能尚有待釋放。技術促生新的應用場景，新的應用場景產生新的需求，新需求對技術提出更高的要求，倒逼著技術進一步的發展，由此，技術和應用就像是一對孿生子，兩者手拉手，相互促進。

5G 網絡中，毫米級波段的電磁波在介質中的衰減加劇，波的繞射能力變差，這樣一來，現存的4G 天線將不適用于5G 網絡。為了獲得比較好的覆蓋和連接效果，5G 的基站將越來越密集，這意味著大量的資金投入，這正應了那句話：天下沒有免費的午餐（Good stuff comes with a great price）。國內要建設完整的5G 網絡需要數百萬個5G 宏站及上千萬個基站。即便將來5G 基站的成本會下降，投資也要在萬億元級規模。為了達到端到端的效果，5G 網絡部署中的傳輸網折合到單個基站上的成本也在萬元級。面對如此巨大的投資成本，非常需要對5G 邊緣云的應用場景進行細致分析，明確哪些可以用，哪些不可以用，哪些沒必要用。另外，5G 邊緣云既要建得好，更要用得好。例如，現代企業需要更多有用的信息來快速應對市場、競爭對手以及商業環境的變化。又如，以前沒有得到足夠重視的生產過程信息，對企業的重要性越來越高。在這種情況下，為了將企業的運作變得更快（Faster）、更好（Better）、更經濟（Cheaper），企業需要成為技術的聰明消費者，合理地將5G 邊緣云計算技術運用到生產與運營過程中。

2019年中國手機用戶總數已超過10億，東南沿海有些地區達到人均1.5部手機，甚至更多。而家庭寬帶用戶超過3.8億戶，按照1戶4～5人的規模，其普及率也超過了85%，所以公眾對5G 的需求迫切性可能不如前面幾次技術更迭時強烈。從擴大用戶范圍的角度看，5G 的增長空間有限。就像人們常說的：你選豐田汽車還是凱迪拉克汽車？可能作為產品供應者，更應該關注的是買得起凱迪拉克汽車的高價值客戶。當然，4G 最早出現的時候，很多人說3G 已經足夠用了，還搞什么4G？但是從4G 發展到今天的10年來看，其應用場景的豐富程度已經遠遠超出了當時人們的想象。人們對5G 會不會也有同樣的看法？已經有4G 了，還要什么5G？甚至可能會問，5G 真能發揮出它的速度嗎？這種看法其實也不無道理，因為端到端的應用很少會達到傳輸的理論極限值。其原因是多方面的，問題可以出現在移動端，也可以出現在大網上。換句話說，網絡的總體性能取決于網絡中最差的一環（As fast as the slowest link）。這更說明我們需要重新審視端到端網絡的架構、功能與性能。這里，運用人工智能進行SDN（軟件定義網絡）組網會有效地提升網絡質量，降低運營成本，建成面向服務的未來網絡。

現階段對5G 邊緣云計算，從概念到應用仍然沒有一個標準的范式，往往將狹義的、廣義的、泛義的、偽義的5G 邊緣云計算混為一談，很難談得上商業方面的深度應用。所謂狹義，是指在技術的初期，5G 邊緣云計算停留在技術處理的層面，它只具有工具性；而廣義的5G 邊緣云計算則包含了相關產業鏈的各個環節所提供的產品和服務，通常帶來的是架構性的變化；泛義的5G 邊緣云計算則擴展到相關的細分行業中，通常帶來的是系統性的變化；偽義的5G 邊緣云計算則以營銷為目的，包含了相當多的炒作成分。例如，在某城市中心的一個高樓上安置了一個可旋轉的高清攝像頭，可以覆蓋20km2，就號稱用了5G 邊緣云計算技術，但實際上只是拉了光纖進行直連，就是在攝像頭上“貼”了一個5G 標簽。即便圍繞“云”這一概念本身，也還存在爭議，以致云服務提供商之間用“云清洗”（Cloud Washing）一詞相互指責競爭對手用“云”字眼為舊的產品冠名進行炒作。如何將5G 邊緣云計算的處理能力結合到具體的業務中，探尋正向的商業模式，創造價值，是現階段我們最應關注的問題。對于提供的產品和服務，誰買的單？客戶、用戶是誰？現金流從哪里來？到哪里去？如果這些都搞不清楚，也不能夠自負盈虧產生收益，就不可能稱其為一個產業。無論如何，現階段只是5G 邊緣云計算的開始，不要忘了它的工具性。作為工具，要讓工具用得好，首先要用對地方，其次要知道工具怎么用。

邊緣是相對中心的，中心就是通常的云，這種由分散到集中，又由中心到邊緣，頗具“分久必合，合久必分”合眾聯邦的味道。邊緣的第一層含義是指5G 邊緣云計算相對于一般意義上的云，也就是中心云來說，是處于邊緣側的。將一些應用布置在邊緣側去進行處理和運算，其在效果和成本上的綜合表現可能要優于放在中心位置。中心云提供彈性的計算、存儲和網絡，其彈性體現為，在工作負載驅動下，資源精確到秒級并呈波動狀動態供給。這種云的方式正是在邊緣側管理工作負載時必需的。以前沒有邊緣云的時候，終端側更像是一個“瘦終端”；而5G 的出現，使得終端側更像一個“胖終端”。邊緣的另一層含義則是指相對于使用者的生產系統來講，IT 系統就屬于“邊緣”系統，因為使用者可能更關心的是處于中心位置的MES、SCM、CRM 和ERP 等系統。對于企業來說，將面對一個“中心云+邊緣云”的架構，需要考量工作負載在中心云和邊緣云之間的可移植性，以及實現某項功能所需要完成的任務在中心位置與邊緣側的再分配，使用統一的控制平面管理中心云和多個邊緣云，提供異構計算的能力支持，以及如何讓邊緣云和客戶側保持中心云水平的資源高利用率等現實問題。由此可見，想要利用好5G 邊緣云計算，就需要對業務有深刻的理解，具備深厚的專業知識。

基于以上認知，筆者深感為5G 邊緣云計算從業者提供系統、全面的技術和行業認識的必要性。借由本書，筆者將多年的從業實戰經驗以及思考心得，從科學的高度出發，帶領讀者走進5G 邊緣云計算，并幫助讀者創作出屬于自己的大型交響樂：規劃、實施、運維三部曲。書中，對于可能遇到的困惑和問題，甚至是誤區，將會闡述必要的注意事項和指導原則，幫助讀者快速推出滿足SLA 需求的5G 邊緣云計算產品和服務，最終產生經濟效益。

本書讀者對象為5G 邊緣云計算產業政策制定者、從業者和分析師，包括：政府與企業IT 負責人、首席信息官（CIO）、IT 架構師、IT 產業從業者和分析師、網絡與系統管理人員、應用軟件開發人員，以及高?；蜓芯吭核處煛W生、其他研究人員等。

本書在撰寫時遵循了以下原則。在閱讀對象方面，兼顧專業性和大眾化，采用筆者在《云計算：規劃、實施、運維》和《大數據：規劃、實施、運維》兩本書中深受讀者喜愛的“單刀直入，直奔主題”的風格，盡量通過合適的例子將問題說清說透；在知識的深度和廣度方面，既保持高校學生與研究生的水平，又適應5G 邊緣云計算從業者的需求；在內容方面，將學術性與實用性相結合且著重突出實用性，針對與5G 邊緣云密切相關的課題，如AR/VR、機器學習、人工智能，以及MES 等專業知識進行討論。對于5G邊緣云計算，本書采用“云層（Cloud Layer）、霧層（Fog Layer）、薄霧層（Mist Layer）、器件層（Device Layer）”的分層架構，逐層遞進，一一闡述。

一個典型的5G 邊緣云計算體系涉及的云有成百個，霧有成千層，薄霧和器件有上百萬個，再加上需要相關技術人員有一定的行業知識，面對這樣一個龐然大物，開源社區涌現出了一些5G 邊緣云軟件堆棧，如LF（Linux 基金會） Edge 旗下的Akraino Edge Stack項目，為用戶提供了可較快擴展的邊緣云，這里也會有一定篇幅的討論。全球各大公有云服務提供商先后發布了客戶側云解決方案和產品，以提升其On Premise 的服務能力，這是從公有云的稟賦出發進軍邊緣云計算領域。

在5G 和邊緣計算的諸多出版物中，談5G 的著重從標準角度介紹5G 無線通信技術和網絡架構，關于邊緣計算的則側重介紹邊緣計算的原理。然而，5G 和邊緣云計算作為獨立的技術，其應用場景和潛力的發揮是非常有限的，因此兩者的結合是非常必要的。將5G 和邊緣云計算放在一起進行一定深度的介紹，同時對兩者融合過程中所遇到的實際問題從規劃、實施、運維的角度進行闡述，描繪出一幅5G 時代邊緣云計算的全景圖，這正是筆者的愿望。

在撰寫架構方面，先從5G 開始，再到邊緣云計算，后是5G 與邊緣云計算，按照規劃、實施、運維逐一展開。

本書主要內容分為5篇。

第1篇（第1～4章）為導論篇。5G 的產生，迫使產業鏈上的各企業重新審視當前已有的業務形態，優化自身的戰略。本篇引領讀者回顧移動通信系統的演進歷史，簡要介紹5G 的驅動力、基本概念，邊緣云計算的架構和本質，5G 邊緣云計算的應用和發展機遇，與5G 邊緣云計算相關的產業鏈以及商業模式，正式引出合眾的聯邦計算范式。

第2篇（第5～7章）為規劃篇。規劃是需要調研的，離開了具體的業務場景，5G邊緣云計算是沒有意義的。規劃階段是一個了解5G 邊緣云計算的過程，也是了解企業自身的過程。5G 邊緣云計算的規劃和其他項目的規劃非常類似，需要在“時間—范圍—成本”項目鐵三角之間進行平衡。企業需要評估5G 邊緣云計算能夠給自身帶來多大的價值，以及如何能夠讓價值最大化。這是一個重資產的游戲，5G 有風險，投資需謹慎，風險管控至關重要。

第3篇（第8～12章）為實施篇。實施是需要取舍的，5G 邊緣云計算的規劃落地，需要選擇具體的技術路徑，此時又會受到“功能—性能—成本”產品鐵三角的制約。本篇嘗試分析在5G 邊緣云計算實施過程中所應遵循的一般方法和特別之處，并且就實施中的關鍵技術點依次展開分析。本篇重點闡述5G 邊緣云技術，并對無線接入網技術和核心網技術等新技術進行分析。本篇還將對AR/VR、機器學習、人工智能領域的相關技術體系進行介紹，探討5G 邊緣云計算與上述領域的協同和發展。

第4篇（第13～16章）為運維篇?！叭纸ㄔO，七分運維”，運維是持久戰。5G 邊緣云計算的運維與一般云計算的運維相比，有大量共性，但也有其自身獨特性。為保持運營的持續性，需要采取必要的技術手段和人力資源來保證運維的實施，AIOps 是一個重要方向。好的運維是多要素的融合，包括規范的流程和技術。因此，達到智能化的可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、安全性（Security）、可擴展性（Scalability）、易管性（Manageability-Intelligence）—簡稱RASSM-I—是運維的終極目標（Nirvana）。

第5篇（第17～21章）為實例篇。5G 邊緣云計算為有效打通企業生產銷售全流程的信息流提供了工具，為產業互聯網的快速發展與升級提供了必要的手段。本篇重點介紹5G 邊緣云計算在典型行業：新媒體、云游戲、智慧醫療、智能制造、智慧城市中的應用。該篇也可用于單獨閱讀，筆者希望這部分內容能對相關企業進軍5G 邊緣云計算有所幫助。

最后為結束語，將對本書內容做簡要的回顧并就當前的實際情況和趨勢，探討5G 邊緣云計算領域的技術演進方向。要想實現系列影片《星球大戰》（Star Wars）中的全息通信，所需要的數據傳輸速率要在Tbps 級，時延要在0.1ms 以下，這僅僅依靠提高電磁波頻率是遠遠不夠的，需要的是顛覆性創新。即使在現有的應用場景中，涉及的云、霧、薄霧和器件數量之多，使得其所面臨的挑戰也是多方面的。未來的5G 邊緣云計算，最先可能出現的是終端通信技術上的突破，頻率可以繼續增高，并隨著通信協議的演進，進入6G 甚至7G；同時也需要器件層的演進，特別是低功耗基帶芯片和新型電池技術的進步；再者，在云計算架構上，特別是分層部署的智能化等方面，也需要創新；另外，應用軟件為了實現從中心云到邊緣云各層級的無縫遷移和運行，需要進行符合云原生架構的重構實踐。產業分工必須明確，“一家通吃”不利于5G 邊緣云計算的健康發展。新應用場景的出現，使得5G 邊緣云計算很可能形成一種組合式的突破。但無論如何，在后消費互聯網時代，5G 邊緣云計算一定是贏在特定場景的應用上。

本書附錄部分將介紹亞馬遜的邊緣云解決方案，內容包括如何搭建基于開源的邊緣云平臺，以及用于運維的常用操作系統層面的工具。

筆者在美國從事IT 前沿工作多年，是早期云計算服務設計的主要參與者，親身經歷和參與了數次IT 行業重要的發展與變遷，包括開放式系統、互聯網、云計算等。筆者曾經任職的世界500強企業，對IT 系統的功能和性能有著非?？量痰囊?。早在2000年，筆者作為美國索尼電子北美IT 總經理，就已經使用邊緣計算來支持公司VAIO 產品的18條生產線。2011年，筆者被中國電信作為國家級專家聘請回國，同年組建中國電信云計算公司，投入云計算的規?；瘧弥?。在這樣的從業背景下，筆者非常希望結合自己國內外5G 邊緣云計算的相關技術和工程實踐，通過全面的論述和比較，為政府和企業合理又經濟地發展5G 邊緣云計算提供有價值的、理性的參考意見，避免低水平或過度建設。

從初步構想到最后出版，筆者對本書品質的方方面面，都希望能做到盡職盡責。唯成書倉促，難免有諸多缺失甚至偏頗，祈業內先進賜教，以匡正之。

筆者能夠完成此書，需要感謝的人很多。

首先感謝中國工程院鄔賀銓院士、倪光南院士、劉韻潔院士在百忙之中撥冗為本書作序。中國科學院黃維院士，北京郵電大學呂廷杰教授，日升天信董事長方偉先生，寬帶資本董事長田溯寧先生的推薦評語對筆者的努力給予了很大的鼓勵與肯定，在此筆者一并表示誠摯的謝意。同時在本書的寫作過程中，電子工業出版社的冉哲老師提供了全程幫助，特別是面對我的英式中文，耐心、細致、不厭其煩地進行修改，沒有冉老師的幫助，本書難以與讀者見面。

筆者特別感謝以下幾位：時文豐按照筆者的思路和錄音整理出了最初文稿；房秉毅和張文召交叉校閱了實施篇與運維篇；于璐幫助準備了5G 邊緣云計算的案例；劉中幫助準備了附錄；徐小飛幫助進行了最后的文字整理。當然，書中的任何瑕疵完全是筆者的責任。

最后聲明：筆者雖任職中國聯通，但書中的觀點僅代表筆者自己，與中國聯通無關。

謝朝陽

2020年5月