5G应用平台边缘计算行业分析报告.docx

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5G应用平台边缘计算行业分析报告

2019年5G应用平台边缘计算行业分析报告

2019年3月

5G引入三大应用场景，eMBB（高速移动通信）、mMTC（大规模机器通信）、URLLC（低时延高可靠），为克服传输网的性能瓶颈，边缘计算成为5G网络的核心网络技术之一。

为进一步拓展运营商网络价值，避免管道化，运营商和整个5G产业联盟确定了面向eMBB、mMTC、URLLC三大应用场景的商用目标。

三大应用场景对网络性能的要求有显著差异，但为控制CAPEX，运营商必然选择一张承载网+网络切片/边缘计算技术，实现在最少的资本投入下最丰富的网络功能。

在5G时代，承载网的带宽瓶颈、时延抖动等性能瓶颈难以突破，引入边缘计算后将大量业务在网络边缘终结，是实现5G网络功能的核心技术。

边缘计算伴随5G应用发展，长期成长空间广阔。

产业链逐步成熟，等待5G商用和应用落地。

5G时代，VR/AR、车联网、工业互联网等领域对边缘计算带来刚性需求，边缘计算产业链发展迅猛，关键技术和产品逐步成熟。

5G作为新经济和新科技浪潮的核心基础设施，商用进展顺利，期待5G商用落地，大量新应用蓬勃发展将推动边缘计算产业链长期持续成长。

一、边缘计算是5G应用核心支撑技术平台

1、5G硬件层面技术突破主要集中在无线侧

5G为实现高速率、低时延和多样化的网络应用场景，引入大量新技术，但从硬件技术升级的幅度看，空口技术得到大幅提升，但传输网技术提升幅度相对有限。

5G在空口（无线侧）的技术升级巨大，具体来看：

引入大规模阵列天线（MassiveMIMO）：

相比4G的2T2R、4T4R等MIMO技术，5G采用64T64R甚至更高阶的128T128R大规模阵列天线，增强波束赋形能力，抑制干扰、提升信道增益；

新的信道编码（LDPC、Polar码等）：

相比4G时代常见的Turbo码，5G数据信道引入低密度奇偶校验（LDPC）编码、控制信道引入极化（Polar）编码，提高编解码速率，降低时延；

更宽的频谱带宽（100M连续频谱带宽）：

4G的20M提升到5G的100M连续带宽，更宽的频谱信道吞吐量更大；

新的调制技术（QAM/QPSK等之外，增加更高阶QAM调制和BPSK调制等）：

更高阶的调制技术有利于降低峰均功率比、提高低数据率信号的功放效率、增加符号数提升系统容量；

更高效的复用技术（CP-OFDM、F-OFDM等）：

降低干扰、简化系统设计、适应更多应用场景不同的网络性能要求。

毫米波技术：

高频段的毫米波通信峰值速率和系统容量大幅提升，实现热点覆盖。

相比之下，5G在传输网的硬件技术升级相对有限。

无线信号经过基站天线接收后，通过光通信网络进行回传和长距离传输。

在传输侧，5G时代硬件技术提升相对有限，传输网硬件设备仍然以高层交换机、网关、光模块、光纤光缆等为主。

其中：

交换机的核心是CPU、DSP等信号处理芯片，随着摩尔定律逐步失效，芯片性能提升的难度和研发周期显著提升，在信号处理芯片层面实现路由交换、数据吞吐速率的大幅提升难度较高；

光模块的核心是激光器芯片和信号处理芯片，在电信级应用中，中长距离传输需要解决散热、功耗、波长色散等问题，激光器芯片和信号处理芯片均面临极大技术升级瓶颈。

目前电信中长距离光模块仍然以100G速率为主，5G后期可能引入200G/400G光模块，但目前技术仍不成熟，一种替代性技术路线是使用FlexE技术，将多个100G光模块传输信道虚拟成200G/400G/800G甚至更高速率的传输信道，但仍然需要占用多个交换机端口，对实际网络容量和网络性能的提升空间有限。

2、为实现更强的网络功能，边缘计算成为5G传输网核心技术之一

5G拓展三大应用场景，在无线侧通过硬件/软件技术的大幅提升，契合不同应用场景的网络性能需求，但在传输侧，由于硬件技术升级空间有限，必须通过网络结构的优化满足5G时代新应用对网络性能的要求。

5G面向大带宽（eMBB）、大规模连接（mMTC）、超低时延高可靠（URLLC）三大应用场景，需要提供不同的网络性能。

在无线侧有大量新技术实现对不同应用场景的支撑，但传输网络侧，硬件技术提升有限的情况下，需要对网络架构进行革新。

5G承载网引入资源池云化、控制平面/用户平面分离等新架构，解决传输侧对5G不同应用场景的支撑问题，其中边缘计算是最核心的新技术之一。

传统网络结构中，网元具备完整的功能，每个网元需要单独进行配置，网元间关系相对刚性。

5G三大应用场景对网络性能要求各不相同，因此5G时代网元功能解耦，控制平面保留在核心网层面，城域网、回传网和接入侧前传网的网元只进行用户平面数据的转发和处理，网元之间资源可以灵活调配，实现不同的网络功能。

随着网络底层技术的不断革新，新的应用和商业模式推陈出新，5G面向的三大应用场景，未来将催生大量新应用，对网络性能产生更高要求。

5G时代，eMBB场景将带动VR/AR、超清视频、超清直播等应用的落地；mMTC场景将带动广域物联网、智慧家居、智慧城市等应用的成熟；URLLC场景有望带来自动驾驶、工业互联网、能源互联网等新技术和应用的落地。

随着这些下游应用的成熟，对网络能力又提出更高的要求，必须通过新的网络技术才能满足大量新应用的需求。

边缘计算技术就是解决不同应用带来的多样化网络需求的核心技术之一，在靠近接入网的机房增加计算能力，将能够1）大幅降低业务时延、2）减少对传输网的带宽压力降低传输成本、3）进一步提高内容分发效率提升用户体验。

传统网络结构中，信息的处理主要位于核心网的数据中心机房内，所有信息必须从网络边缘传输到核心网进行处理之后再返回网络边缘。

5G时代，传输网架构中引入边缘计算技术，在靠近接入侧的边缘机房部署网关、服务器等设备，增加计算能力，将低时延业务、局域性数据、低价值量数据等数据在边缘机房进行处理和传输，不需要通过传输网返回核心网，进而降低时延、减少回传压力、提升用户体验。

为实现边缘计算，需要在更底层的网络节点增加计算和转发能力，运营商组网结构将逐步演进，边缘计算能力持续提升。

边缘计算是5G时代引入的新技术，但其架构开放，也可以部署应用于4GLTE网络。

运营商将在现有网络结构上平滑演进，最终实现低层网络节点计算能力的全面覆盖，边缘计算能力持续提升。

具体来看：

1）4G阶段：

在基站和核心网之间的S1接口增加边缘计算节点，实现业务数据的分流。

在热点地区边缘计算可以部署在基站接入侧，本地业务从基站经过边缘计算节点分流至本地服务器，降低回传网负载。

在BBU池化的场景下，边缘计算可以部署在BBU池机房，提升边缘计算的业务复用率，降低对设备资源的需求。

2）Pre-5G阶段：

随着网络虚拟化技术的成熟，5G接入机房实现虚拟化改造，基站BBU虚拟化后形成Cloud-BBU，部署在接入机房的数据中心，核心网元完成控制和转发的分离，网关节点分离成控制面网元（SGW-C、PGW-C和TDF-C）和转发面网元（SGW-U、PGW-U、TDF-U），转发面网元可部署在接入机房，控制面网元部署在核心网机房。

边缘计算节点与转发面网元以及Cloud-BBU一起部署在接入机房的数据中心。

3）5G阶段：

5G网络架构以数据中心为基础设施，以云化为基础平台，形成四个云中心：

无线接入云、边缘云、汇聚云和核心云。

边缘计算基于5G网络架构，分别使用5GUPF和PCF的网络功能实现分流功能和分流策略控制。

5G网络通过PCF将分流策略配置给SMF，然后经过SMF发送到基站及UPF，实现UPF的分流功能，将业务分流到MEC服务器。

由于5G网络引入UPF和PCF的新网元，边缘计算通过UPF和PCF实现部署，因此能够解决边缘计算的计费问题和策略问题，使边缘计算能够真正实现商用化。

3、边缘计算根据使用场景不同部署在5G网络不同层次

5G业务场景众多，不同业务场景对信息处理和转发的需求差异较大，因此边缘计算也将部署在不同的网络层次，实现对各种业务的针对性支持。

5G网络中可以按需将边缘计算节点部署在接入云、边缘云或汇聚云。

1）对于低时延（URLLC）场景，边缘计算需要部署在靠近基站的接入云；2）对于大流量热点（eMBB）场景，边缘计算可以部署在边缘云提高复用率；3）对于广域大连接（mMTC）场景，边缘计算可部署在更高的汇聚云，实现大范围覆盖区域内的业务需求。

具体来看：

对于低时延场景，边缘计算节点部署在CU机房。

5G基站接入DU/CU机房，其中DU主要实现物理层、转发层等业务，CU处理更高层网络协议。

边缘计算节点在最靠近基站的节点部署，能够就近处理本地业务，为用户提供超低时延（<4ms）的服务，但相应的，边缘计算节点的业务覆盖范围较小，导致难以支持高速移动应用，因此更适用于移动性低、但对时延敏感的业务，如VR/AR等。

对于移动性和时延兼顾的业务或大流量业务，边缘计算节点可部署在边缘云机房，通过接入环与CU连接，或直接与CU共同部署在边缘云，与DU通过中传网络连接。

5G回传网由DU和CU组成，早期CU/DU可合设在接入机房，远期CU/DU分离，DU靠近接入侧而CU靠近汇聚层。

在相对接入侧更高的边缘机房部署边缘计算节点，能够协同更大范围内的基站网络资源，同时时延可控，因此适合于移动速度快、时延有一定要求的业务，如车联网等。

对于大流量、广覆盖业务，边缘计算节点可部署在汇聚层机房。

边缘计算节点与核心网转发面UPF共同部署在汇聚层，能够覆盖更大网络范围，同时仍可以在较低网络层次终结业务流量，降低对传输网的带宽压力。

适合于传统大流量应用（超高清视频等）、大连接应用（物联网等）。

可以看到，边缘计算节点的部署位置不同，将带来覆盖范围、时延、移动性等的不同性能指标，根据不同的应用场景，可综合业务性能需求，在控制面管理编排系统的统一控制下完成最佳业务部署，实现网络资源的灵活调配。

4、边缘计算是CDN的进一步演进，CDN+云计算形成核心技术

从网络功能上看，边缘计算与CDN有一定相似性，在大流量时代，CDN平台也将顺应潮流升级为边缘计算平台。

CDN（内容分发网络）通过分散部署在城域网层的大量具备存储和转发功能的节点（缓存服务器、网关、DNS策略、负载均衡算法等），将远程站点的热数据在网络边缘侧进行缓存，用户进行数据请求时，通过DNS策略将用户请求转到CDN缓存节点，通过CDN节点向用户就近发送数据，大幅降低网络拥堵和延迟。

CDN节点未缓存的内容则将用户导向源站请求数据。

5G边缘计算最基础的应用场景——本地分流业务和CDN的业务模式类似。

在本地业务突发、传输资源不足的热点区域，传输扩容难度较大，通过部署边缘计算无线缓存进行业务保障，降低传输网扩容压力。

具体来看，边缘节点将核心网上互联网应用内容数据提前缓存至接入侧边缘计算节点，用户请求数据时，成功缓存的业务从边缘计算缓存服务器直接向用户发送，同时将计费信息等发送到BOSS支撑系统；为缓存的业务流，则经过回传网向核心网请求数据，从位于核心网的互联网应用平台数据中心将数据发送给用户。

边缘计算本地分流业务的技术路线与CDN基本一致，仅增加了鉴权、计费信息向BOSS系统传输等环节。

CDN技术从1998年以来已经经过超过20年的发展，技术较为成熟，但系统诞生以来主要支撑固网业务，并未专门针对移动网络进行优化。

固网端在鉴权、计费等领域需求较弱（宽带用户每年按带宽付费），而移动网络需要通过BOSS系统进行计费管理等（移动数据用户每月按实际使用流量付费）。

未来边缘计算平台在CDN基础上，要对网络功能接口进行调整，更适应移动网络的运营需求，接入运营商BOSS系统实现业务和计费管理，实现面向5G的升级。

另一方面，边缘计算还要在CDN技术和网络架构上增加数据处理能力，实现数据分流、业务边缘处理的目标。

边缘计算将原有云计算中心的部分或全部计算任务迁移到数据源的附近执行，根据大数据3V特点，