在接下来的几年中，5G有望通过新的用例，业务模型和组织重塑整个行业，这些新用例，业务模型和组织将随着技术和业务格局的变化而出现。这其中，5G无线技术的成长，包括边缘计算架构，都是必要的。5G主要的发展有：O-RAN（开放无线接入网），它直接解决了网络的服务快捷性和成本问题；云计算的发展，对于企业使用公共本地私有云的任何灵活IT架构而言，它都是可伸缩的和不可或缺的，云计算还通过终端设备支持具有高带宽应用程序的各种混合模型；和人工智能的结合，AI在改善网络运行（尤其是网络边缘）并创造新的服务机会方面可以发挥重要作用。

　　本文提供了有关5G架构的演变，其对现有云架构的适应性以及可用于当前cloud-native应用的各种方法。它涵盖了新兴用例及其对5G网络的要求的详细全景图，这些用例可为不同延迟范围的应用程序提供先进的移动，计算，存储和加速功能。

　　最重要的是，本文在定义边缘架构的同时，深入了解了各种行业计划，同时还考虑了计划为5G应用服务的新兴网络。总体而言，它定义了下一代边缘参考架构，并探索了网络的未来方向。

　　下一代5G边缘计算技术

　　作为下一代无线技术，5G与以前的无线世代完全不同。前几代的无线技术旨在连接人与人以及人与网络，而它能够连接物品与人、网络以及其他的许许多多东西。它还解决了一系列垂直行业的扩展问题，使网络更灵活地满足对时延，单元密度，射频频谱和数据速率的广泛要求。

　　5G致力于支持三种广泛的应用类别，以实现前所未有的用例：eMBB（增强型移动宽带），mMTC（大规模机器类型通信）和URLLC（超可靠的低延迟通信）。5G架构比以往的无线世代要要分散得多，需要更多的单元以实现更分布的处理。

　　5G架构与云的交互以及支持更广泛的垂直领域的关键特征和特性有：

　　5G CLOUD-NATIVE架构是分散化和虚拟化的

　　具有分布式架构

　　5G无线接入网络：新级别的容量，峰值数据速率和低延迟。

　　5G和边缘计算使用案例

　　近些年，云计算成为了数据中心发展的主导因素。一些大规模的基于云的数据平台，如Super 7 CSPs，持续地提高能力和影响力。云计算经济也十分引人注目；大规模共享的可重复使用的计算，网络与存储资源可以产生可观的利润。到2020年，发布的应用中超过70%将会用于云、网络部署。

　　图1 预期边缘演变

　　边缘计算对于机器学习和其他形式的人工智能（例如图像识别，语音分析和传感器的大规模使用）特别重要。5G与客户之间的无线通信以及核心架构中不断涌现新的创新，可能的改进或新服务中最佳示例用例如下：自动车辆控制、紧急通讯、工厂单元自动化/智能工厂、大型户外活动/体育场、大量的地理位置分散的设备/物联网、远程手术和检查、智慧城市、智能电网、交通信息、虚拟现实，增强现实和游戏。使用案例有：增强现实、边缘视频分析、内容分发网络和边缘内容缓存、边缘加速网、健康保健、语音分析和派生工作负载、物联网边缘的数据处理、视频监控和安全应用、将活动参与者连接到视频和虚拟现实应用程序、远程监控，网络故障排除和虚拟机。

　　AI / ML在下一代边缘系统中的作用

　　AI / ML（人工智能/机器学习）的作用越来越大，这是设计下一代边缘网络的正在加速的趋势。先进的AI / ML技术正被用于解决新兴的自主，沉浸式和多模式感官应用所带来的复杂，严格和多样化的要求。

　　预计AI / ML工具的应用将渗透到边缘系统设计的各个方面，从启用AI / ML的客户端设备到无线接入网再到云基础架构。最近的一项工作是将ML技术应用于优化各种应用程序的端到端（E2E）交付，密集和分层的多无线接入边缘基础架构的部署和管理，以及对这些应用程序的动态适应和编排软件定义的云和服务基础架构。

　　图2 基于ML和AI的技术渗透到E2E无线系统设计，服务管理和交付的各个方面

　　随着基于无线网络的分布式AI / ML的普及，将有广泛极大的动机将无线边缘用于分布式学习的集成计算通信引擎。考虑到无线基础设施的普遍性，人们可以设想将无线边缘用于ML训练的趋势正在增加，而这将会使得其计算工作负载过重。为此，必须解决无线边缘网络和客户端的限制，这需要开发一种新的设备，并使用跨学科的方法，既运用AI / ML技术，又能满足无线通信的局限性。

　　5G架构，流状态分析

　　3GPP当前专注于基于ITU IMT-2020要求的第五代无线系统5G规范。针对5G早期版本的5G规范的第一阶段，该版本的功能有限，已作为3GPP第15版的一部分发布。该版本从2019年开始已部署15版兼容的5G系统，并预计在2020年时大规模推出。

　　O-RAN联盟是一个由运营商主导的行业组织，旨在开发基于3GPP Split RAN架构的Open RAN架构。

　　图3 O-RAN结构

　　图4总结了前传，中传和回传之间不同的传输网络要求。尽管中传网络的延迟预算比回传略小，但所需的传输网络架构和技术却非常相似，如表1所示。实际上，在许多情况下，考虑到运营商甚至在给定城域内将采用的不同部署方案，中传和回传流量也将在网络的许多部分中合并（例如，Distributed-RAN (D-RAN)和Centralized-RAN/Cloud-RAN (C-RAN/Cloud-RAN)的合并）。

　　表1 移动传输网络特性

　　LTE和5G无线的带宽增长要求对前传流量进行打包以支持所需的规模。

　　图4 减少前传带宽

　　一旦部署了5GC（5G Core），移动网络运营商（MNO）将能够利用3GPP标准中定义的这一新功能。5G旨在支持广泛的应用程序和业务需求，这些应用和需求都有其各自的性能，规模，可靠性要求。标准中定义了3GPP网络切片，以增加灵活性和可扩展性，以在同一基础架构上同时有效地支持更多样化的需求。尽管没有3GPP网络切片的目标用例的事实清单，但行业中正在讨论许多不同的观点和候选应用。

　　图5 网络切片的整体视图

　　边缘架构-流状态分析

　　作为5G所需的重新架构的一部分，很大的一系列转换将在边缘进行。与服务的货币化相关的业务转换包括：OTT服务，以及渴望实现更快的上市时间（TTM）的技术转换；技术转换包括：服务质量（QoE），超低延迟技术，SDN、NFV和开放边缘云的集成，利用边缘分析能力进行数据收集和分析，5G组件虚拟化和自动化。

　　该架构正在转变，以包括类似于5G新型无线多业务自适应（NORMA） 的网络架构云概念，ECOMP（增强控制，编排，管理和策略）以及由RAN，核心，内容分发网络（CDN）和应用程序交付组成的灵活架构 ，自动化和物联网。最终的变革发生在工业领域，其中IT（信息技术）与OT（运营技术）相交。这包括信息，通信技术和电子（ICT&E），SCADA（监督控制和数据采集）系统，ICS（工业控制系统）和物联网，所有这些领域都需要低延迟和高安全性。

　　图6 云，雾，边缘示意图

　　下一代边缘参考架构

　　预计5G在许多方面都是革命性的，这将需要对5G系统的计划、设计和运营进行新的考虑。例如，最佳功能布局已成为有效，高效地部署支持超低延迟和高带宽应用的5G网络的关键要求。虚拟RAN和核心网元的位置以及应用程序工作负载（AR / VR，工业自动化，联网汽车等）将取决于光速，如图7所示。

　　图7 边缘计算布局

　　以下是一些可能会在边缘上部署的应用程序及其关联的时标：

　　非实时应用程序/第三方分析应用程序（>?500毫秒）

　　近实时（?50-100 ms）UE /区域优化应用程序/第三方应用程序

　　作为增值服务的第三方应用程序

　　与UEs直接交互的第三方应用程序

　　图8引入了一种架构模式，该模式用简单的控制应用程序替代了当前的单片系统。使用这种方法，创建用户流成为将这些控制应用程序与东西向和南北向接口拼接在一起的问题。这些控制应用程序可以用一组与各自的用户平面（UP）功能和适用于它们所服务的区域的资源相关联的控制平面组件来实现。

　　图8 有线和无线访问的统一边缘架构

　　此体系结构模式的主要元素是延迟受限的网络功能的分解，可编程性，分解及分解后的功能组件的分布和互连，以及用于自优化系统的智能分布。

　　部署注意事项

　　边缘云（EC）站点构成共享资源，用于交付各种应用程序，例如AR / VR，自动驾驶汽车，智能高速公路，互联房屋，工厂和交互式服务。边缘云站点被实现为一套虚拟网络功能（vNF），每个虚拟站点功能都有自己的EC站点资源和位置要求。同样，不同的RAN功能拆分也对EC站点提出了要求。EC站点的选择和理想的网络拓扑在很大程度上取决于重要属性的综合要求，这些要求涵盖了所有受支持的网络功能，包括：

　　延迟——UE-EC

　　订阅者分布

　　所需的地理覆盖范围

　　流量特性——每天的时间变化，UE的移动

　　吞吐量，计算和存储要求

　　与基于网络的通用功能的连接

　　跨EC站点的弹性和负载平衡

　　可用性，恢复性和网络可靠性

　　选择边缘计算（EC）站点并将工作负载分配到EC站点是一个复杂的优化问题。SLA的延迟要求，用于不同vNFs的各种资源，拓扑和其他资源限制以及包括成本和可用性在内的多个标准都会是不同的挑战。从本质上讲，这是一个很大的约束组合问题。几种聚类和数学编程方法被用于设计，并且已经开发了许多有效的启发式方法。设计方法的详细信息特定于提供商的网络和资源。

　　开源和标准的作用

　　边缘的特点是，固定和移动接入网络的各种需求由不同的主题、用例、部署方案和业务模型驱动。有两个关键技术范例与这些边缘的特点重叠——5G和云计算。

　　ETSI NFV有一个MEC特定的工作组，但是在移动系统体系结构上工作的其他SDO（例如3GPP和O-RAN Alliance）没有指定特定于边缘的体系结构。也有一些开源项目从云概念汲取到边缘。其中Linux Foundation Edge和OpenStack Edge计划值得注意。

　　为了创建带有“护栏”的开放式创新领域，组织不得不适应并创建侧重于边缘的需求和开源项目。开放源代码计划与标准开发组织（SDO）共同发挥的作用是5G技术发展的关键要素。

　　使用开源的最主要驱动力包括通过降低互操作门槛促进多厂商生态系统，通过利用开源软件提高创新速度以及通过虚拟化实现云规模经济。

　　未来方向

　　当前的互联网体系结构是基于以主机为中心的通信模型。拥有地址可连接并在主机和客户端之间建立会话是接收数据的先决条件。然而，互联网的使用已经发展，大多数用户主要对访问大量信息感兴趣，而对其物理位置如何并不在乎。

　　互联网使用模式的这种转变，以及对安全性和移动性支持的需求，已导致研究人员考虑使用基于名称的体系结构。路由，转发，缓存和数据传输操作是在与拓扑无关的内容名称上执行的，而不是在IP地址上执行的。命名数据块可以使ICN（信息中心网络）按照其语义直接解释和处理内容，而无需进行深度数据包检查（DPI）或将其委派给应用程序层。

　　图9 互联网架构的时间表

　　当今的边缘计算是实时执行的，但业务流程主要是通过集中式架构在带外进行的。然而，由于移动性，无线链路的开启或关闭，上下文的变化等，计算和边缘服务要求可能会在边缘动态变化。ICN的基本体系结构是分布式和分散的，这与动态业务流程的需求非常吻合。诸如NFN和RICE之类的其他协议通过将编排与执行绑在一起，从而在边缘进行深度学习或联合学习的编排。

　　结论

　　随着移动业务量的增长，人们普遍接受在移动网络中采用更多虚拟化技术，以及更多由软件驱动的设备，这些设备具有灵活，智能和高能效的特点，以促进高效的无线访问和融合网络设计。O-RAN是该领域的最新发展之一，致力于解决网络的服务灵活性和成本问题。在此方面，本白皮书讨论了几个关键问题，包括5G和人工智能技术相结合的新兴创新。

　　5G网络的示例用例和要求也在本文中提供了。已经演示了5G如何在考虑了一系列延迟问题的情况下促进应用程序的移动，计算，存储和加速功能。该论文还涵盖了5G，AI和边缘计算领域的应用，并详细介绍了新兴的用例和服务的好处。它概述了下一代Edge网络的愿景和发展路径，研究了5G和Edge架构的当前状态，并回顾了AI和ML的新兴作用。

　　在定义下一代Edge参考架构并探索网络的未来方向时，5G确实被证明处于计算边缘。