【摘 要】5G网络通过提供大带宽、低时延等能力给移动互联网和物联网赋予了更广阔的应用空间。无人机监控、户外紧急救助、无人驾驶、直播、虚拟与增强现实等新业务均需要更高的带宽、更低的网络时延为用户提供更好的业务体验。这些新业务、新体验需要更贴近最终用户的计算和组网方式，由此推动了边缘计算的蓬勃发展。本文针对5G网络边缘计算的适用场景、需求等进行深入分析，并通过5G边缘计算在云游戏中的实践，探索5G边缘计算的实际商用途径。
【关键词】5G; 5G核心网;多接入边缘计算;高清视频;云游戏
引言
5G网络即第五代移动通信，具有高速率、低时延、广连接等特性，可实现AR/VR（Augmented Reality/Virtual Reality）、多媒体高清直播、物联网海量设备接入、无人机实时监控、无人驾驶、智能制造、新型智慧城市等典型应用，是万物互联的基础，能为最终用户提供“体验的革命”。传统电信网络无论是有线接入还是无线接入均采用集中控制建设模式，但随着业务规模日益扩大，网络变得日益臃肿，这种集中建设的中心化网络越来越难以适应5G新兴业务发展需要。所以5G网络采用更加灵活的建设方式，基础设施采用通用设备，以中心、区域、边缘三级DC+基站机房为基础架构；通过云平台使得网元可按照场景需求部署在网络相应的位置并可以进行后续灵活调整，如图1所示。
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图1 聚焦边缘的5G分布式云架构
5G核心网在标准制定时就赋予其控制面/用户面分离属性，驱动云化网络向分布式云架构演进。通过构建面向5G的分布式云架构，用户面下沉至边缘节点或边缘DC(Data Center，数据中心)，并结合MEC（Multi-access Edge Computing）平台的部署，有效实现将云计算能力从中心延伸到边缘，实现业务快速处理和就近转发，满足5G多样化应用场景[1]。
1 5G边缘计算适用场景分析
边缘计算所适用的场景不仅仅是移动网络，ETSI定义边缘计算（MEC）原来用的是移动边缘计算（Mobile Edge Computing），后来扩充为多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing）。在具体网络实现上，考虑5G更适用于垂直行业，相对于固定接入拥有更大的接入灵活性，以及相对于固定接入可预期的更好收益，通信行业尤其是移动生态圈希望借助5G的逐步部署，推动更大规模的边缘部署。
从边缘计算技术指标来看，适用的场景需满足以下至少一项：
1、与5G eMBB(Enhanced Mobile Broadband)切片相结合提供大容量数据传输或分发；
2、与5G uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)切片相结合提供超低时延或精确时延控制；
3、与硬件基础设施能力相关的高性能计算、渲染和分析的实时处理。
除了这些技术要求，安全和数据保护也是推动边缘计算发展的关键因素。
根据目前5G网络发展及应用发展趋势，边缘计算目前更适用于无线通信类、智能制造类和大视频类场景，云游戏也是边缘计算的一个重点应用方向，另外还有业内非常关注的自动驾驶（达到4级、5级）对边缘计算的需求非常大。以上所列只是5G+边缘计算所涉及的几个典型场景，还有大量潜在场景比如健康医疗类，环境保护类，金融类应用等，非常丰富，待业内进行探索与实践。
下面对可能先行商用的无线通信类、智能制造类、大视频类和云游戏类场景进行详细分析，并通过对云游戏类应用进行实践，探索边缘计算实际部署效果。
1.1 无线通信类业务场景
5G网络建设将边缘计算作为很多行业场景的重要基础设施，所以边缘计算首先也会直接应用于5G无线通信类业务[2] [3]。3GPP和ETSI共同定义了MEC的5G部署模型，用户面UPF（User Plane Function）是边缘计算和5G无线通信业务的结合点，3GPP定义的5G网络架构在接入网层面将基站重构为CU（集中单元）和DU（分布单元），在核心网层面则遵循控制与转发分离定义了UPF（User Plane Function,用户平面功能），为边缘计算在5G网络架构中的引入提供标准化网络支持[4]。5G MEC架构实现还涉及到NEF(Network Exposure Function)、PCF(Policy Control Function)、SMF(Session Management Function)、UPF等网元或功能，如图2所示。
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图2 5G边缘计算本地分流场景
在5G场景下，对于边缘，下沉部署UPF，可称之为边缘侧本地UPF，简称本地UPF，通过本地UPF结合5G无线和核心网能够提供如下业务：
1、边缘侧本地UPF分流
MEC应用编排与5GC CP（NEF或PCF）接口，交互路由与策略控制信息；PCF将分流策略下给SMF；SMF选择LDAN、ULCL或IPv6 Multi-homing方式进行分流，本地流量走本地UPF锚点卸载；而非本地流量，从本地UPF通过N9发送给核心UPF。
本地分流将直接作用于园区，提升园区业务反应效率，减缓后端网络资源负荷。不过本地分流并不是脱离运营商管理，本地UPF同样要支持计费等功能。
2、边缘能力开放
在5G MEC DC中既可以部署无线感知网元，又可以部署业务网元[5]，由此对外提供无线能力和业务能力。MEC能力开放最好与NEF能力开放采用统一接口，这样可以统一无线能力和业务能力开放出口。
无线能力包括：LBS（位置服务）、RNIS（无线网络服务）、TCPO（TCP优化服务）、VO（视频优化服务）等。MEC如何获取RAN侧上下文信息，暂无标准接口定义，还待完善。
业务能力则要根据本地部署的VNF(Virtual Network Function)进行选择，如视频识别，终端身份识别等。
通过边缘侧5G能力开放，可以吸引更多第三方应用就近采用无线侧资源开展基于位置服务或者室内覆盖的区域广告，疫情期间人群密集度提醒等业务。
1.2 工业控制类业务场景
中国致力于打造新型技术强国，“中国制造2025”战略是推动中国工业数字化进程的主要驱动力。中国经济高度依赖工业发展（工业GDP占比超过41%），生产率的提高至关重要。工业数字化中高度自动化的实现取决于高精度网络时延控制和具备实时分析（甚至更进一步引入人工智能）的低时延网络连接。要达到这个目标，需要结合5G、切片网络建设以及边缘计算就近部署。“中国制造2025”战略延伸出一系列非常有发展潜力的边缘应用场景，在智慧工厂和智慧港口应用中已经初显潜力[6]。
在智慧工厂和智慧港口应用场景中，场景设计如图3，需要提供大带宽、低时延5G专网覆盖，相比WiFi，能够支撑更大规模AGV（Automated Guided Vehicle）组网调度。MEC侧集中部署视觉导航系统，相比磁条、色带导航更灵活，相比激光导航可大幅降低单台AGV成本。在 MEC统一部署AR远程专家指导、工业数据采集、机器视觉质量检测等，通过 5G 网络重塑工业互联，实时接入海量应用数据和智能分析，实现更低时延的自动化控制，大幅降低TCO（Total Cost of Ownership）。
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图3 智慧工厂5G边缘计算应用场景
智慧工厂和智慧港口等应用场景中还大量使用机器人，通过自动化远控完成生产、装卸任务。为减少机器人意外故障停机时间，节省运营和维护成本，还需要在边缘侧部署机器人运管系统，提高机器人、机器和智能工厂设备的实时远程维护能力，该系统可根据无线电波、摄像头、磁铁或激光提供的导航信息，实现自动驾驶车辆的实时运行并通过传感器和机器人实现基于AI（Artificial Intelligence）的生产设备检验。
1.3 大视频类业务场景
5G+边缘计算在大视频类业务应用场景非常丰富，比如：高清会议、全景监控、智慧场馆、远程医疗、应急管理/安防、远程指导/教育/培训等等，5G最先商用的就是eMBB切片[7]，最适合的就是大带宽应用，尤其是涉及到高清视频、超高清视频、AR/VR等对带宽要求非常高的应用。
分析2个典型场景：
1、360°VR全景监控：
360°VR全景监控可应用于园区、厂区监控，城市安防等[8]。360度全景摄像头进行实时视频采集与图像拼接，图像数据通过CPE（Customer Premise Equipment）经5G传至MEC，经MEC分流到本地视频服务器，由本地视频服务器推送到运营指挥中心的管理平台VR服务器；需要上行带宽大于50Mbps（4G上行20M，无法满足），时延小于20ms（4G延时大于50ms）；此应用通过5G提供的大带宽，可以支撑360摄像头无线化部署，安装调试比WiFi+有线更方便；并且提供更佳的360度沉浸式体验，无眩晕，非常适合替代原有多路单体摄像头重新定义视频监控形式。
2、现场直播：
现场直播非常有利于智慧场馆建设，通过视频转码（H.264/H.265编解码互转，RTSP/HLS/RTMP互转、单码/多码互转）并集成vCDN（Virtual Content Delivery Network）和vVAP（Virtual Video Access Point），叠加视频AI分析&元数据加载功能实现场馆内活动的实时、增强显示[9]，全景直播方案如图4所示：
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图4 360度4K/8K VR全景直播
在拍摄区设置直播相机，采用某些专业相机，采用机外拼接，分辨率可达7680*3840，直播码流流80Mbps（空口实际带宽120Mbps），通过5G网络传送到MEC vCDN分发服务器；
vCDN：即虚拟化的CDN节点部署在MEC平台上，提供频道创建和推流功能。如果需要多视角观看，则需要部署多个VR相机+拼接服务器。vCDN接受场馆直播的采播车本地编辑、编码完成的视频内容并给VR头盔、移动终端和电视大屏提供视频服务。同时，vCDN接受移动终端上传的内容并提供给云端大视频平台进行审核发布。
vVAP：即虚拟化的VAP部署在MEC平台上。vVAP获取vCDN的实时直播的码流并进行人脸分析，通过与第三方球员、明星等的数据库进行比对分析，针对匹配的人员通过vCDN返回给云端大视频平台进行元数据增强，将增强的元数据信息通知视频终端进行更新和显示。
2 5G边缘计算实践-MEC对云游戏的增强
基于边缘和AR/VR技术的云游戏/电子竞技预计会在2021-2022年间得到强劲发展，但这需要更广泛的边缘计算基础设施部署。考虑到此类游戏的实时性要求，要保障固定用户体验所需的时延则需相应的5G网络和边缘计算能力。云端对于一些沉浸体验要求比较高的应用来说可能太远，另外从空间，设计和成本的角度将所有计算能力内置在用户终端设备中也是不可行的，在边缘节点存储/处理内容提高云游戏服务端反应效率及传输网利用效率是必不可少的。
行业主流云游戏提供商、电信运营商早已意识到这点并着手进行技术验证。
腾讯云在2019年6月上海KubeCon期间，发布了可自定义的边缘计算解决方案TSEC（Tencent Smart Edge Connector），为应用提供从边缘到云的智能协同。TSEC采用MEC技术，与5G网络融合，为消费者和行业应用提供低时延和高带宽。鉴于腾讯在游戏领域的地位，其重点发展云和边缘游戏、AR/VR、超高清视频和直播。2019年8月，腾讯云在中国国际数码互动娱乐展览会发布腾讯云游戏解决方案，为全球游戏开发者和平台提供一站式工具，并通过在各地部署的边缘计算数据中心进一步缩短玩家与服务之间的距离。
德国电信（Deutsche Telekom）于2019年初采用旗下MobiledgeX公司开发的技术，成功部署全球首个公共移动边缘数据中心，将现有网络运营商资源聚合到边缘云容器中。德国电信已授权MobiledgeX访问德国境内已投入应用测试的6个边缘数据中心。MobiledgeX正在构建“中间件”，让第三方应用在德国电信的边缘数据中心上运行。德国电信也已启动业务试点，其中包括为一款名叫MagentaGaming的云游戏。
2019-2020年着手在5G网络中对边缘计算实际部署效果进行验证实践，选择了云游戏进行初步探索，通过1年多的业务痛点分析、方案设计、组网部署验证和业务端到端测试，给出详细的基于边缘计算（MEC）的云游戏部署方案和实施效果。
2.1云游戏待解决问题分析
目前的云游戏有几个待解决的问题：
1、终端算力不足
无论是PC游戏，还是手机游戏，要想达到高质量的游戏体验，均需依赖高成本的硬件投入，大多数云游戏玩家的终端设备算力都难以畅玩主流游戏，硬件设备更新换代快，游戏内容付费高，这导致云游戏玩家大幅增加成本，影响游戏行业的发展。
2、游戏下载费时费力
几乎所有游戏都需要先下载安装包，再体验，增加了游戏推广难度。同时游戏玩家时间碎片化、游戏精品化使得游戏客户端的安装包体量大幅增加，用户等待下载时间非常长，不利于吸引游戏玩家。
3、 远端处理增加反应时延
目前主要的云游戏是部署在公有云的服务器上，相对于最终用户可以称为远端服务器，远端服务器处理视频转码、图形计算和云游戏渲染等功能，再通过网络传送给用户，游戏交互时延取决于网络通信延迟，与传统游戏相比，云游戏对网络更为敏感，如果网络通信质量不好，云游戏玩家体验就会很差。
4、优质画面消耗网络带宽
游戏场景渲染的多媒体流质量取决于网络通信带宽，画质越高的多媒体流消耗的带宽资源也会越高，尤其是大型联网游戏，大量玩家同时在线会对网络造成冲击，甚至干扰通信网络的其他业务。
2.2基于MEC的云游戏方案
本方案设定场景：
在5G移动实验机房直接部署MEC设备，云游戏服务部署在该MEC设备上；为对比边缘效果，在另一个5G实验室增加远端服务器运行同样的云游戏服务。
方案设计如图5：
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1、通过本方案，将云游戏从公有云迁移到靠近玩家的边缘云，视频转码、图形计算和云游戏渲染等功能在本地运行，缩短传输距离，RTT（Round-Trip Time）时延从70ms以上降低到20ms左右，显著降低时延；
丢包率低于0.01%，游戏画面完整清晰流畅，明显提升视频体验（4K、60帧率超高清）。
2、同样借助更接近玩家的边缘部署和5G eMBB切片大带宽能力，单用户下载速率达到66.7Mbps以上且能保持带宽稳定，下载和更新大型游戏安装包无需长时间等待，下载完毕后游戏启动较现网也提升1-2秒，尽量做到玩家在线即玩；
3、同时，业务流无需经过核心网并在云端处理，节省边缘云到 5G核心网回传带宽，每用户节省30M 以上，可极大降低网络侧拥堵；
4、最后，通过5G无线切换技术保障在不同无线覆盖区域切换时的游戏业务持续性。
以上测试数据对边缘计算节点支撑各类业务本地部署和业务时延体验提供了有力的支撑依据。
3 结束语
建设5G商用网络为边缘计算在中国的广泛部署提供了良好环境。边缘计算作为新型基础设施配合5G网络成为撬动经济社会高质量发展的有力杠杆。近几年来，中国已经成为测试和使用新技术的领先国家，这也包括在边缘计算方面的应用尝试。与其他新兴技术发展历程一样，边缘计算也需要一个创新和合作的生态系统。得益于中国拥有的全球最大的数字消费群体、极具竞争力的成本优势和巨大经济体量，中国科技生态系统正在提升其技术领导力和创新能力，在移动和移动领域之外催生了大量初创企业和创新公司，通过5G建设吸引这些公司投入边缘计算的实践与部署将让边缘计算无处不在，持续助力国家“新基建”。
参考文献
[1]European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Mobile-edge computing introductory technical white paper[R]. 2016
[2]3GPP TS23.501 5G.System Architecture for the 5G System[S]. 2019
[3]3GPP TS23.502 5G. Procedures for the 5G System[S]. 2019
[4]ETSI.ETSI White Paper No.28:MEC in 5G networks[R/OL]. [2019-12-01].http://www.txrjy.com/thread-1046807-1-1.html
[5]孔令义,武俊芹. MEC在移动网中的部署及应用[J].邮电设计技术,2020(5):79-82
[6]张云勇. 5G将全面使能工业互联网[J].电信科学,2019,35(1):1-8
[7]3GPP TR28.801 Study on management and orchestration of network slicing for next generation network[S]. 2019
[8]刘洁,王庆扬,林奕琳. 5G网络中的移动VR应用[J].电信科学,2018,34(10):143-149
[9]吕华章,陈丹,王友祥.运营商边缘云平台建设和典型案例分析.电信科学[J], 2019, 35(3): 7-17