5G与边缘计算.pdf-资料库

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5G与边缘计算与边缘计算通信网络电信网（即电话交换网络）由终端、传输和交换三大部分组成；因特网（即计算机互联网）由终端、传输、交换以及多个计算机网络等几部分组成。随着通信行业的快速发展，传统的电信网、计算机互联网与有线电视网的融合（三网融合）已经成为网络发展的趋势。三者融合发展，互联互通，为客户同时提供语音、数据和广播电视等多重服务。这里我们将其统一称之为通信网络。相对应的，通信网络由三大部分组成：接入网、承载网、核心网。接入网是 “窗口”，负责把数据收上来；承载网是 “卡车”，负责把数据送来送去；核心网就是 “管理中枢”，负责管理这些数据，对数据进行分拣，然后告诉它，该去何方。核心网演进之路核心网（Core Network，简称 CN）或被成为骨干网（Backbone），本质就是对数据的处理和分发，即 “路由交换”。早古时期最早的时候，固定电话网的核心网，说白了就是把电线两头的电话连接起来，这种交换，非常简单，主要满足人们无线移动通话的需求。后来，用户数量越来越多，网络范围越来越大，开始有了分层。网络架构也复杂了，有了网络单元（Net Element，简称 NE，网元），是具有某种功能的网络单元实体。同时，我们要识别和管理用户了，不是任何一个用户都允许用这个通信网络，只有被授权的合法用户，才能使用。于是，多了一堆和用户有关的网元设备。它们的核心任务只有三个：认证、授权和记账，简称 3A。再后来，有了无线通信，连接用户的方式变了，从电话线变成无线电波，无线接入网（RAN，Radio Access Network）诞

生。接入网变了，核心网也要跟着变，于是有了无线核心网。再再后来，有了 2G、3G、4G。每一代通信标准，每一项具体制式，都有属于自己的网络架构，自己的硬件平台，自己的网元，自己的设备。 2G 网络架构第二代蜂窝移动通信系统出现在数字蜂窝技术的发展与成熟之后，为了进一步提高通话的质量，推出了数字化语音业务的第二代蜂窝移动通信系统。 2G 的核心网设备如下，名字就叫 MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心）。 2G 的网络架构如下，组网非常简单，MSC 就是核心网的最主要设备。HLR、EIR 和用户身份有关，用于鉴权。后来，到了 2.5G，在 2G 和 3G 之间，就是 GPRS。在之前 2G 只能打电话发短信的基础上，有了 GPRS，就开始有了数据（上网）业务。于是，核心网的网络架构有了大变化，开始有了 PS（Packet Switch，分组交换，包交换）核心网。如下图红色部分，包含 SGSN（Serving GPRS Support Node，服务 GPRS 支持节点）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关 GPRS 支持节点）。SGSN 和 GGSN 都是为了实现 GPRS 数据业务。从 2000 年 GPRS 首商用到 2020 年 5G 到来，不禁为移动通信迅猛发展之势而感慨。数据速率从 2G GPRS 65Kbit/s 到 LTE- A 1Gbit/s，再到 5G 时代 10-20Gbit/s，增长速度令人吃惊。

3G 网络架构 20 世纪末，IP 和互联网技术的快速发展改变了人们的通信方式，传统的语音通信的吸引力下降，人们期望无线移动网络也能够提供互联网业务，于是出现了能够提供数据业务的第三代移动通信系统。 2.5G 到了 3G，网络结构变成了下图模样。而 3G 基站，由 RNC 和 BSC 组成。到了 3G 阶段，设备商的硬件平台进行彻底变革升级。3G 的核心网设备如下： 3G 除了硬件变化和网元变化之外，还有两个很重要的思路变化。其中之一，就是 IP 化。以前是 TDM 电路，就是 E1 线，中继电路。粗重的 E1 线缆 IP 化，就是 TCP/IP，以太网。网线、光纤开始大量投入使用，设备的外部接口和内部通讯，都开始围绕 IP 地址和端口号进行。第二个思路变化，就是分离。具体来说，就是网元设备的功能开始细化，不再是一个设备集成多个功能，而是拆分开，各司其事。在 3G 阶段，是分离的第一步，叫做承载和控制分离。在通信系统里面，说白了，就两个（平）面，用户面和控制面。如果不能理解两个面，就无法理解通信系统。用户面，就是用户的实际业务数据，就是你的语音数据，视频流数据之类的。控制面，是为了管理数据走向的信令、命令。这两个面，在通信设备内部，就相当于两个不同的系统，2G 时代，用户面和控制面没有明显分开。3G 时代，把两个面进行了分离。

从 R7 开始，通过 Direct Tunnel 技术将控制面和用户面分离，在 3G RNC 和 GGSN 之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过 SGSN 在 RNC 和 GGSN 之间传输。到了 R8，出现了 MME 这样的纯信令节点。 4G 网络架构第四代移动通信系统提供了 3G 不能满足的无线网络宽带化。4G 网络是全 IP 化网络，主要提供数据业务，其数据传输的上行速率可达 20Mbit/s，下行速率高达 100Mbit/s，基本能够满足各种移动通信业务的需求。 4G 网络架构中，SGSN 变成 MME（Mobility Management Entity，移动管理实体），GGSN 变成 SGW/PGW（Serving Gateway，服务网关；PDN Gateway，PDN 网关），也就演进成了 4G 核心网，如下图。 MME（移动性管理实体）的主要功能是支持 NAS（非接入层）信令及其安全、跟踪区域（TA）列表的管理、PGW 和 SGW 的选择、跨 MME 切换时进行 MME 的选择、在向 2G/3G 接入系统切换过程中进行 SGSN 的选择、用户的鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP 不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于 S3 节点），以及 UE 在 ECM_IDLE 状态下可达性管理（包括寻呼重发的控制和执行）。 4G LTE 网络架构（注意，基站里面的 RNC 没有了，为了实现扁平化，功能一部分给了核心网，另一部分给了 eNodeB）。 2009 年，在部署 LTE/EPC（4G 核心网）的时候，有人认为核心网演进之路已经走到尽头，继续突破创新实在太难，毕竟要掌控每小区峰值速率 150Mbps 的网络王国，实在是一件不容易的事。然而，随着 VoLTE 和 VoWiFi 的出现，LTE/EPC 又引入了 S2a、S2b 和 S2c 接口，这些接口将核心网的控制范围延伸到了非 3GPP 网络，即可信 Non-3GPP 接入（Non-3GPP

Trusted Access）和非可信 Non-3GPP 接入（Non-3GPP untrusted Access）连接到 3GPP 网关 PGW。自此，核心网的构架如下图所示，图中绿色实线表示用户面 & 控制面接口。演进到 4G 核心网之前，硬件平台也提前升级了。以中兴为例，开始启用 ATCA/ETCA 平台（后来 MME 就用了它），还有 xGW T8000 平台（后面 PGW 和 SGW 用了它，PGW/SGW 物理上是一体的）。 ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture，先进电信计算架构）机框 ETCA（Enhanced ATCA，增强型 ATCA） xGW T8000 硬件平台其实就是一个大路由器 ATCA 里面的业务处理单板，本身就是一台单板造型的 “小型化电脑”，有处理器、内存、硬盘，我们俗称 “刀片”。既然都走到这一步，原来的专用硬件，越做越像 IT 机房里面的 x86 通用服务器，那么，不如干脆直接用 x86 服务器吧。长久以来，网络越来越庞大，越来越复杂，而那些专用的电信设备不但扩展不灵活，而且习惯了自扫门前雪，整体效率太低，如同公司的体制，这是一个庞大而臃肿的机构，仿佛背着世界前行。所以电信运营商要打破传统，用 IT 的方式来重构网络。而虚拟化打通了开源平台，让更多的第三方和合作伙伴参与进来，从而在已运行多年的成熟的电信网络上激发更多的创新和价值。这正是 NGMN 的愿景：生态、客户和商业模式。于是，网元功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）的时代到来了。软件上，设备商基于 OpenStack 开发自己的虚拟化平台，把以前的核心网网元，“种植” 在这个平台之上。网元功能软件与硬件实体资源分离

设备商先在虚拟化平台部署 4G 核心网，也就是，在为后面 5G 做准备，提前实验。硬件平台，永远都会提前准备。 5G NGMN 是这样定义 5G 的：5G 是一个端到端的生态系统，它将打造一个全移动和全连接的社会。5G 主要包括三方面：生态、客户和商业模式。它交付始终如一的服务体验，通过现有的和新的用例，以及可持续发展的商业模式，为客户和合作伙伴创造价值。比起 2/3/4G 时代主要局限于接入网和随之演进的核心网，更多聚焦于技术。5G 的野心是 “端到端” 的系统构架。从技术上讲，5G 还将实现电信也从未有过的软件和硬件分离，并引入 IT 数据中心所采用的云化和虚拟化的概念。简而言之，2/3/4G 是技术推动单调的服务和商业模式，而 5G 要运用各种技术去满足和支持持续变化的生态和商业模式。如果说 4G 时代的智能终端技术全面促进了传统 PC 互联网同移动网络的深度融合，那么在 5G 时代，MEC 技术将会推动云计算平台同移动网络的融合，并可能在技术及商业生态上带来新一轮的变革和颠覆。电信产业经历过辉煌，但如今跌入低谷，5G 将是电信产业重返辉煌的机会。 5G 网络的需求国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）针对每一个新世代的网络，都会制定出需求及应用场景，而各大电信标准组织，再依照 ITU 所提出的需求，订定标准并向 ITU 提交标准，供 ITU 审订。5G 提交的标准为 IMT-2020。 ITU 在 IMT-2020 中订定了 5G 的八大 KPI：更好的使用者传输速率体验（User Experienced Data Rate）： 100 Mb/s 以上更高的峰值传输速率（Peak Data Rate）：20Gb/s 单位面积在单位时间内更高的传输数据量（Traffic Capacity）： 10~100Mb/s/m2 更高的频谱使用率（Spectrum Effiency）：3 倍以上更快的移动速度（Mobility）：500km/h 更低的延迟（Latency）：1ms 以下更高密度的装置联机（Connection Dencity）： 100 万 devices/km2

更低的耗能（Network Energy Efficiency）：电力消耗为 1/100 以下这八个 KPI 主要是要满足三大场景的应用： eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带）：指的是更快速的传输速率以及更好的使用者上网体验，即解决人与人之间通信，人们上网的问题。 mMTC（Ultra-reliable and Low Latency Communications，海量物联网通信）：指的是更大量、更密集的机器通信（每平方公里 100 万个以上的装置进行联机），即解决物联网的问题。 uRLLC（Massive Machine Type Communications，低时延、高可靠通信）：指的是更低的延迟，像是无人驾驶、工业自动化和远端医疗手术等应用。要实现这样的愿景，5G 网络需要面临的技术挑战主要是：高速率、端到端时延、高可靠性、大规模连接、用户体验和效率。 5G 网络架构的设计原则为了应对这这样的技术挑战，5G 网络设计原则为：从集中化向分布式发展从专用系统向虚拟系统发展从闭源向开源发展

如果用四个词来概括 5G 网络的设计原则，它们是：解耦、软件化、开源化和云化。解耦：软硬件解耦，控制面/用户面分离。软件化：NFV、SDN、编排和网络切片。开源：软硬件开源，前传、API 接口开放。云化：从 CAPEX 向 OPEX 模式转型，虚拟化& DevOps 环境，动态 & 自动化运维。 5G 网络的逻辑架构

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