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摘要：隨著5G網(wǎng)絡(luò)商用部署步伐的加快，以5G網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)為基礎(chǔ)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)大帶寬（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、超高可靠超低時(shí)延（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）和海量連接（massive Machine Type Communication，mMTC）成為牽引5G應(yīng)用落地的核心能力。在眾多的垂直行業(yè)需求中，以4K/8K高清視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）為代表的視頻業(yè)務(wù)無疑是5G+MEC技術(shù)的“殺手锏”應(yīng)用。本文以MEC平臺(tái)和云平臺(tái)部署位置、部署模式、部署條件、部署規(guī)模和平臺(tái)能力等差異為出發(fā)點(diǎn)，圍繞5G視頻業(yè)務(wù)用戶體驗(yàn)，分析5G視頻業(yè)務(wù)終端視頻顯示能力對視頻文件帶寬需求的影響，提出基于面向用戶體驗(yàn)的5G視頻業(yè)務(wù)邊云協(xié)同策略，可以在不降低用戶體驗(yàn)質(zhì)量的條件下降低5G視頻業(yè)務(wù)對MEC平臺(tái)存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬的需求，提高邊云協(xié)同效率。

關(guān)鍵詞：無線通信；5G；視頻業(yè)務(wù)；邊云協(xié)同；用戶體驗(yàn)

1　引言

邊緣計(jì)算，從字面上理解，便是將計(jì)算處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)加速及智能分析等能力遷移至網(wǎng)絡(luò)邊緣。因此，在邊緣計(jì)算誕生之前，便已經(jīng)有了與之相對的概念——云計(jì)算。傳統(tǒng)的云計(jì)算平臺(tái)采用集中式模式部署在核心網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備如果要訪問云計(jì)算平臺(tái)，需要通過接入網(wǎng)、承載網(wǎng)最終達(dá)到核心網(wǎng)，其中與傳輸距離成正比的傳輸時(shí)延成為限制時(shí)延性能的重要瓶頸。當(dāng)云計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算、存儲(chǔ)等能力下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣時(shí)，由于傳輸距離的大大縮減，邊緣計(jì)算可以逾越集中式云化部署方案中不可壓縮的傳輸時(shí)延，以支持uRLLC業(yè)務(wù)需求；其次，終端設(shè)備在邊緣計(jì)算平臺(tái)同樣可以獲得數(shù)據(jù)清洗、融合、計(jì)算、存儲(chǔ)能力，在本地即可進(jìn)行大帶寬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而無需將海量寬帶數(shù)據(jù)上傳至中心云平臺(tái)，可極大降低寬帶業(yè)務(wù)對帶寬的需求，顯著節(jié)省 后向帶寬，減少本地流量對核心網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力，提升eMBB業(yè)務(wù)性能；另外，在mMTC業(yè)務(wù)場景，邊緣計(jì)算平臺(tái)可以卸載終端設(shè)備的智能數(shù)據(jù)處理、圖像渲染等能力，在降低終端設(shè)備成本，提升計(jì)算處理性能的同時(shí)，并沒有顯著增加業(yè)務(wù)時(shí)延。因此，邊緣計(jì)算技術(shù)雖然不是因5G而生，卻因其對uRLLC、eMBB和MMTC業(yè)務(wù)都有相輔相成的技術(shù)特色而伴隨5G快速成長，成為5G時(shí)代炙手可熱的技術(shù)之一。

2　云計(jì)算與邊緣計(jì)算

2.1　云計(jì)算定義與特征

ISO/IEC JTC1和ITU-T聯(lián)合工作組制定的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 17788《云計(jì)算詞匯與概述》（Information technology-Cloud Computing-Overview and vocabulary）中，對云計(jì)算給出了明確的定義：云計(jì)算是一種將可伸縮、彈性、共享的物理和虛擬資源池以按需自服務(wù)的方式供應(yīng)和管理，并提供網(wǎng)絡(luò)訪問的模式。ISO/IEC 17788《云計(jì)算詞匯與概述》定義云計(jì)算的關(guān)鍵特征，包括廣泛接入、服務(wù)可測、多租戶、按需自服務(wù)、彈性擴(kuò)展和資源池化。

2.2　邊緣計(jì)算/邊緣云定義

邊緣云即實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的云化平臺(tái)。而邊緣計(jì)算作為一個(gè)新生技術(shù)，不同領(lǐng)域?qū)吘売?jì)算概念的理解也眾說紛紜。從電信運(yùn)營商的角度出發(fā)，除了采用部署在區(qū)域數(shù)據(jù)中心的核心云計(jì)算平臺(tái)，其他部署在本地城域數(shù)據(jù)中心、邊緣數(shù)據(jù)中心、端局機(jī)房的計(jì)算平臺(tái)都可以稱為邊緣計(jì)算平臺(tái)；從OTT公司角度出發(fā)，部署在用戶側(cè)的計(jì)算平臺(tái)則稱為邊緣計(jì)算平臺(tái)；從企業(yè)用戶的角度出發(fā)，部署在廠房、操作間等現(xiàn)場級(jí)的計(jì)算平臺(tái)則稱為邊緣計(jì)算平臺(tái)；對于攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、車輛、機(jī)器手等終端設(shè)備而言，具有計(jì)算存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程訪問等智能設(shè)備也被稱為邊緣計(jì)算平臺(tái)。因此，邊緣計(jì)算平臺(tái)的物理形式也千差萬別，既可能是具有智能處理能力的邊緣終端，也可能是具備數(shù)據(jù)采集匯聚分流能力的邊緣網(wǎng)關(guān)；既可能是在幾臺(tái)通用服務(wù)器上采用虛擬化技術(shù)搭建的一個(gè)IT級(jí)邊緣云平臺(tái)，也可能是包含計(jì)費(fèi)、策略下發(fā)等核心網(wǎng)功能的電信級(jí)邊緣云平臺(tái)。

ETSI從電信運(yùn)營商的角度給出邊緣計(jì)算的定義：在靠近移動(dòng)用戶的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和計(jì)算能力。

OpenStack從IT化的角度給出邊緣計(jì)算的定義：邊緣計(jì)算是為開發(fā)者和服務(wù)提供商在網(wǎng)絡(luò)管理域的邊緣側(cè)提供云服務(wù)和IT環(huán)境服務(wù)。

ISO/IEC JTC1/SC38從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的角度給出邊緣計(jì)算的定義：邊緣計(jì)算是一種需要處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)的分布式計(jì)算模式。

邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）從產(chǎn)業(yè)界的角度給出邊緣計(jì)算的定義：在靠近物或者數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

2.3　云與邊緣云的異同

由于邊緣計(jì)算脫胎于云計(jì)算技術(shù)，因此，邊緣云與云一樣，都由計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)成，都可以通過虛擬化和資源池化技術(shù)將底層資源抽象屏蔽，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶和應(yīng)用程序之間的資源共享，并支持基于API來增強(qiáng)平臺(tái)間的互操作性，具有廣泛接入、服務(wù)可測、多租戶、按需自服務(wù)、彈性擴(kuò)展和資源池化等特點(diǎn)。但是，由于業(yè)務(wù)場景不同，邊緣云還具有其獨(dú)特的屬性。

（1）部署位置

云計(jì)算平臺(tái)通常部署的位置較高，大多在核心網(wǎng)區(qū)域數(shù)據(jù)中心。邊緣云平臺(tái)要依據(jù)邊緣業(yè)務(wù)需求和覆蓋范圍，可以下沉部署在本地城域數(shù)據(jù)中心、邊緣數(shù)據(jù)中心、接入局房甚至業(yè)務(wù)現(xiàn)場。

（2）部署模式云計(jì)算平臺(tái)大多采用集中式部署模式對云計(jì)算資源進(jìn)行統(tǒng)一管控。部署在不同地理位置的邊緣云平臺(tái)則采用分布式分層多級(jí)部署模式，邊緣云可以通過廣域網(wǎng)與中心云相連，或通過中心云調(diào)度動(dòng)態(tài)加入邊緣云共享資源池，但是多個(gè)邊緣云之間存在潛在的高延遲、網(wǎng)絡(luò)不可靠和低帶寬風(fēng)險(xiǎn)。

（3）部署條件

部署在核心區(qū)域數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算平臺(tái)，具有良好的物理空間、通風(fēng)散熱及供電環(huán)境，可以采用1~1.2米深，19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜部署通用機(jī)架式服務(wù)器。部署在本地城域數(shù)據(jù)中心邊緣云平臺(tái)的部署條件與核心區(qū)域數(shù)據(jù)中心的部署條件差異較小，可以采用1~1.2米深，19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜部署通用機(jī)架式服務(wù)器。如果邊緣云平臺(tái)部署在環(huán)境較好的邊緣數(shù)據(jù)中心，受場地物理空間限制，可以選擇1米深通用刀片服務(wù)器。在部署在條件較差邊緣數(shù)據(jù)中心或接入局房時(shí)，只能采用深度低于600毫米的定制化專用服務(wù)器。在部署條件極為惡劣的接入局房或者業(yè)務(wù)現(xiàn)場，除了物理空間更加狹小之外，邊緣云平臺(tái)部署可能面臨直流供電的問題，因此，支持直流電源的小型硬件設(shè)備成為搭載邊緣云平臺(tái)的首選。

（4）部署規(guī)模

部署在核心區(qū)域數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算平臺(tái)通常具有上千臺(tái)服務(wù)器的規(guī)模，資源相對較為充足。而部署越靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的邊緣云平臺(tái)，面臨的部署條件越苛刻，部署規(guī)模也越小，極端情況下，只能部署在1~2U的服務(wù)器或者微型硬件平臺(tái)，CPU、內(nèi)存、硬盤等硬件性能十分有限。

（5）平臺(tái)能力

受部署條件和平臺(tái)規(guī)模限制，云計(jì)算平臺(tái)具有更強(qiáng)大的計(jì)算存儲(chǔ)能力。但是，邊緣云平臺(tái)更靠近數(shù)據(jù)源和用戶側(cè)，能夠獲得更多的原始數(shù)據(jù)和對終端設(shè)備的控制能力，因此，邊緣云平臺(tái)除了對eMBB、uRLLC、mMTC邊緣業(yè)務(wù)的增強(qiáng)能力之外，還可以提供面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)清洗、融合、脫敏等預(yù)處理能力，將已脫敏的高質(zhì)量數(shù)據(jù)提供給云計(jì)算平臺(tái)執(zhí)行高精度數(shù)據(jù)分析。另外，面向機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人工智能類邊緣業(yè)務(wù)，云平臺(tái)可以基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)先訓(xùn)練算法模型、優(yōu)化參數(shù)，邊緣云平臺(tái)則基于云平臺(tái)推送下發(fā)的算法模型執(zhí)行現(xiàn)場推理，并將高質(zhì)量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)上傳至云計(jì)算平臺(tái)以支持算法模型的迭代優(yōu)化。通過云邊協(xié)同，充分發(fā)揮邊緣計(jì)算和云計(jì)算的互補(bǔ)優(yōu)勢。

3　5G視頻業(yè)務(wù)帶寬需求

3.1　5G視頻文件傳輸帶寬需求

視頻業(yè)務(wù)對邊緣云平臺(tái)傳輸帶寬的需求由與圖像分辨率、圖像幀率、色彩深度、掃描模式及編碼格式相關(guān)。圖像分辨率是指單位英寸中所包含的像素點(diǎn)數(shù)，常見的圖像分辨率包括720P、1080P、2K、4K、8K等。由于5G網(wǎng)絡(luò)對大帶寬業(yè)務(wù)的支撐能力特性，1080P、2K甚至更高清晰度的4K/8K超高清視頻已經(jīng)成為5G時(shí)代的主流業(yè)務(wù)。圖像幀率是單位時(shí)間內(nèi)顯示的圖幀數(shù)量，圖像幀率越高畫質(zhì)越好，基于ITU-R RecommendationBT.2020標(biāo)準(zhǔn)，圖像幀率可選取值包括120、60、60/1.001、50、30、30/1.001、25、24、24/1.001FPS，圖像幀率越高，傳輸帶寬需求越大，5G視頻業(yè)務(wù)為了提供優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)，通常采用50FPS以上的圖像幀率，甚至在AR/VR沉浸式交互業(yè)務(wù)中采用120FPS、180FPS、240FPS的超高頻圖像幀率。色彩深度是存儲(chǔ)介質(zhì)在存儲(chǔ)或緩存單位像素時(shí)所需二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)，常用可選參數(shù)為8、10或12bpp，5G視頻業(yè)務(wù)通常采用至少10bpp的色彩深度。掃描模式有逐行掃描p和隔行掃描i兩種模式，由于隔行掃描只傳輸一般的圖像，其傳輸帶寬也只有逐行掃描的一半，5G超高清視頻通常選用逐行掃描模式；編碼方式是在保證一定畫質(zhì)要求前提下，對視頻文件進(jìn)行壓縮處理的方式，以便提高傳輸和存儲(chǔ)效率，5G視頻業(yè)務(wù)通常采用H.264、H.265等編碼格式。目前典型5G視頻業(yè)務(wù)傳輸帶寬需求如表1所示。

表1 5G視頻業(yè)務(wù)傳輸帶寬需求

3.2　基于用戶體驗(yàn)的5G視頻文件傳輸帶寬需求

在5G視頻業(yè)務(wù)中，影響用戶體驗(yàn)的因素除了視頻源視頻文件大小還有視頻接收終端屏幕分辨率。終端設(shè)備屏幕分辨率的選擇通常由終端設(shè)備屏幕大小、觀看距離和人眼分辨能力決定。人眼分辨能力理論極限是20"，視力好的人對易于分辨的黃綠波的分辨能力通常為1'，而普通人眼的分辨能力通常為3'~5'。因此，常見終端設(shè)備分辨率配置通常如表2所示。

表2 常見終端設(shè)備分辨率配置

由表2可見，受人眼分辨能力、屏幕尺寸和觀看距離的約束，視頻顯示終端的屏幕分辨達(dá)到滿足要求或性能極限的配置提供最佳的用戶體驗(yàn)質(zhì)量，更高配置的屏幕分辨率只會(huì)增加終端設(shè)備成本，因此終端設(shè)備廠商的屏幕配置通常為表2中的結(jié)果保持一致。同樣，5G視頻業(yè)務(wù)同樣可以依據(jù)終端分辨率需求由MEC平臺(tái)提供相應(yīng)的視頻文件。例如，對于智能手機(jī)、平板電腦和40寸以下的電視，傳輸帶寬需求在30M以下的1080P視頻業(yè)務(wù)即可滿足絕大多數(shù)用戶的需求；對于采用100寸以下的終端設(shè)備時(shí)，完全不需要傳輸4K以上視頻文件，因此其5G視頻業(yè)務(wù)帶寬需求通常小于50~100M；只有在200寸以上的巨幕5G高清視頻業(yè)務(wù)中才會(huì)需要100M以上帶寬傳輸8K以上的視頻，而占用傳輸帶寬和存儲(chǔ)資源的高畫質(zhì)視頻文件在云端進(jìn)行備份存儲(chǔ)即可。

4　5G視頻業(yè)務(wù)邊云協(xié)同解決方案

面向用戶體驗(yàn)的5G視頻業(yè)務(wù)邊云協(xié)同解決方案如圖1所示。本方案中，終端設(shè)備管理系統(tǒng)基于無線側(cè)上報(bào)IMEI號(hào)解析終端設(shè)備信息，或者通過手動(dòng)配置、終端設(shè)備類型信息爬取等方式采集通過5G基站或CPE設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備信息。

當(dāng)終端設(shè)備上傳或下載視頻文件時(shí)，基站首先將終端設(shè)備視頻業(yè)務(wù)需求發(fā)送到MEC平臺(tái)。MEC平臺(tái)基于終端設(shè)備管理系統(tǒng)提供的終端類型信息，選擇滿足終端分辨能力需求的格式對視頻文件進(jìn)行處理、本地存儲(chǔ)或文件下發(fā)，并將高畫質(zhì)視頻文件在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)上傳至遠(yuǎn)端云平臺(tái)。

如果MEC平臺(tái)本地存儲(chǔ)的視頻文件畫質(zhì)不能滿足終端類型需求，則將視頻業(yè)務(wù)需求及終端類型信息轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)端云平臺(tái)，由云平臺(tái)完成高畫質(zhì)視頻業(yè)務(wù)處理與視頻下發(fā)。

圖1 5G視頻業(yè)務(wù)邊云協(xié)同解決方案

該方案中，MEC平臺(tái)分流決策模塊基于終端設(shè)備類型信息，為5G視頻用戶提供可滿足其終端顯示能力的視頻文件，而無需傳輸或存儲(chǔ)遠(yuǎn)高于終端設(shè)備所需的高畫質(zhì)視頻文件。

5　結(jié)論

本文從5G網(wǎng)絡(luò)新媒體行業(yè)技術(shù)需求出發(fā)，結(jié)合5G終端能力、視頻業(yè)務(wù)特性、MEC平臺(tái)與云平臺(tái)能力差異，提出面向用戶體驗(yàn)的5G視頻業(yè)務(wù)邊云協(xié)同策略。面向用戶體驗(yàn)的邊云協(xié)同策略以MEC平臺(tái)和云平臺(tái)部署位置、部署模式、部署條件、部署規(guī)模和平臺(tái)能力等差異為出發(fā)點(diǎn)，圍繞5G視頻業(yè)務(wù)用戶體驗(yàn)，分析5G視頻業(yè)務(wù)終端視頻顯示能力對視頻文件帶寬需求的影響，提出基于面向用戶體驗(yàn)的5G視頻業(yè)務(wù)邊云協(xié)同策略，可以在不降低用戶體驗(yàn)質(zhì)量的條件下降低5G視頻業(yè)務(wù)對MEC平臺(tái)存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬的需求，提高邊云協(xié)同效率。

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作者簡介：

劉秋妍，博士，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信、區(qū)塊鏈與邊緣計(jì)算技術(shù)。

呂華章，碩士，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算技術(shù)。

李銘軒，碩士，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算、容器、通信云解耦技術(shù)。

張忠皓，博士，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)、毫米波技術(shù)與邊緣計(jì)算技術(shù)。

李佳俊，博士，中國聯(lián)通華盛通信有限公司創(chuàng)新業(yè)務(wù)部總監(jiān)，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)終端技術(shù)。

李福昌，博士，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線新技術(shù)研究和無線標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究。

馮　毅，中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信新技術(shù)和5G創(chuàng)新業(yè)務(wù)研究。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年12月刊