邊緣計算技術作為5G網(wǎng)絡架構中核心，智能化改造趨勢分析[圖]

    邊緣計算指的是在網(wǎng)絡邊緣側即靠近終端的位臵提供業(yè)務場景所需的計算服務。邊緣計算天生具備分布式特征，根據(jù)具體業(yè)務場景的個性化需求，邊緣計算平臺可以靈活部署在網(wǎng)絡中的各個位臵，概括起來主要有兩種，一種部署在網(wǎng)絡的接入側，即與不同級別的宏基站聯(lián)合部署；另一種則直接部署于設備現(xiàn)場，就近提供計算服務。邊緣計算與云計算相互協(xié)同合作，云計算負責全局性、非實時、長周期的大數(shù)據(jù)處理與分析，而邊緣計算則面向網(wǎng)絡邊緣側全新業(yè)務形態(tài)，根據(jù)業(yè)務需求對局部性、實時、短周期數(shù)據(jù)的處理與分析。

邊緣計算的概念

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    近些年來，隨著SDN/NFV等先進網(wǎng)絡技術的日漸成熟，各大網(wǎng)絡標準化組織才逐漸意識到邊緣計算對于網(wǎng)絡功能的巨大提升；并于2016年4月，將之列為5G網(wǎng)絡架構的關鍵技術。2016年11月，華為、英特爾、ARM、中國科學院沈陽自動化研究所、中國信息通信研究院和軟通動力發(fā)起成立了邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)，致力于邊緣計算在各行業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新與行業(yè)應用落地。

    根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，整個系統(tǒng)被分為三層，即現(xiàn)場層、邊緣層、云端。其中邊緣層又劃分為邊緣管理器和邊緣節(jié)點兩部分，邊緣節(jié)點是具有計算和存儲能力的功能模塊，包括負責處理和轉換網(wǎng)絡協(xié)議的邊緣網(wǎng)關，負責閉環(huán)控制業(yè)務的邊緣控制器，負責大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的邊緣云以及負責信息采集與簡單處理的邊緣傳感器；而邊緣管理器則主要是實現(xiàn)對邊緣節(jié)點的各項功能進行統(tǒng)一管理和調(diào)度。

邊緣計算參考框架

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    整個框架強調(diào)了云—邊—端一體化的要求，邊緣傳感器將設備端基礎數(shù)據(jù)匯集到邊緣云平臺，在平臺上對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到的即時結果反饋到設備端；而邊緣管理器則負責數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)配，與云端建立聯(lián)系，將業(yè)務相關數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行更加深入的分析，而后再對邊緣側算法進行優(yōu)化，從而靈活高效的指導生產(chǎn)實踐。

    與邊緣計算相比，云計算有諸多劣勢。首先是實時性，傳感器接收到數(shù)據(jù)以后，云計算需要通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，經(jīng)過分析處理后再由網(wǎng)絡反饋到終端設備，這樣數(shù)據(jù)來回傳傳輸就造成了較高時延。其次云計算對帶寬的要求也越來越大，例如在公共安全領域，每一個高清攝像頭都需要2M的帶寬來傳輸視頻，這樣的一個攝像頭一天就可以產(chǎn)生10幾個G的數(shù)據(jù)，如果這樣的數(shù)據(jù)全部傳到數(shù)據(jù)中心進行分析存儲的話，對帶寬的消耗非常大。第三是能耗方面，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的能耗在業(yè)界已經(jīng)占據(jù)了非常高的比例，國家也不斷對數(shù)據(jù)中心的能耗指標作出要求。最后是數(shù)據(jù)安全和隱私方面，數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡上傳到云端經(jīng)歷了眾多環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)都有可能被泄露。

    而邊緣計算則可以完美的解決以上諸多問題，邊緣計算就部署在接入網(wǎng)，在網(wǎng)絡邊緣就可以完成對數(shù)據(jù)的分析處理，數(shù)據(jù)甚至都不必上傳至云端，這樣就大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸時間，減輕了通信網(wǎng)絡的帶寬壓力，數(shù)據(jù)在邊緣處理存儲也更加高效安全。

    實際上，云計算與邊緣計算的關系更像是人體的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，大腦即為云計算中心，而神經(jīng)中樞與神經(jīng)元則代表了下沉到不同程度的邊緣計算。傳感器從邊緣設備對數(shù)據(jù)進行初始的采集，到邊緣層進行一部分實時的處理，再傳輸?shù)胶诵膶舆M行深度的計算分析，最后再將分析結果回饋到邊緣，對邊緣智能進行優(yōu)化完善。兩者構成了一套完整的系統(tǒng)，云計算負責全局性、非實時、長周期的大數(shù)據(jù)處理與分析，而邊緣計算則根據(jù)特定的需求對局部性、實時、短周期數(shù)據(jù)的處理與分析。

    就像人體的神經(jīng)網(wǎng)絡一樣，神經(jīng)中樞與神經(jīng)元都具有一定程度的“計算”能力，但究竟在什么情況下用哪個還是得依據(jù)人體各部分具體的機能來定。同樣的，不同的行業(yè)具體的業(yè)務需求不同，對于邊緣計算中“邊緣”的位臵理解也不同。典型的如OT領域，有的工業(yè)設備可能僅僅需要處理簡單的數(shù)據(jù)，不需要進行復雜的運算，但是機器設備對于加工精度有著比較高的要求，對時間延遲十分敏感；這種情況下，主流公司就采用現(xiàn)場設備智能化升級的方案，通過向現(xiàn)場設備部署SDK的方式來應對具體的業(yè)務需求。另一種典型的如自動駕駛，行駛中的汽車需要根據(jù)周圍復雜的環(huán)境信息運算得出下一步的駕駛指令，由于汽車駕駛過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分巨大，所進行的復雜運算也需要專業(yè)的服務器才能完成，這時就需要借助網(wǎng)絡將運算遷移到最近的邊緣計算平臺上來進行。以上兩種場景實際上代表了邊緣計算部署的兩種模式，一種是將算力直接部署在設備終端旁，最大限度的發(fā)揮邊緣計算的優(yōu)勢；另一種則是將邊緣計算平臺部署在終端附近，一個平臺負責一片區(qū)域內(nèi)的業(yè)務需求。

    目前市場上邊緣計算的建設主體主要有電信運營商、第三方廠商、OT廠商等，電信運營商采用MEC多接入邊緣計算的形式將邊緣計算部署在網(wǎng)絡的邊緣，一般是在宏基站的機房內(nèi)或者多個宏基站的匯聚點。第三方廠商則需要借助運營商MEC平臺開放底層資源來推出自己個性化服務，一般是自身云計算業(yè)務的在邊緣處的延伸。而OT廠商則聚焦于邊緣設備，對其進行智能化改造，讓終端設備具備一定的計算能力，用以滿足自身業(yè)務需求。

    由于以上兩類邊緣計算應用形式面向的客戶場景不同，體現(xiàn)的客戶價值也不同，所以各建設主體對于邊緣計算的理解、用到的關鍵技術等都有較大的區(qū)別。各參與者根據(jù)自己的優(yōu)劣勢，在不同的業(yè)務形態(tài)中擔任不同的角色。需要說明的是，在實際部署的商業(yè)用例中，上述兩種邊緣計算應用可以獨立存在，也可以兩者相互融合互補并存。

    網(wǎng)絡側的多接入邊緣計算MEC是一種基于通信網(wǎng)絡的全新分布式計算方式，包含了原先移動邊緣計算的核心理念并予以升級，它在新一代通信網(wǎng)絡中已經(jīng)被3GPPSA2列為5G網(wǎng)絡架構的關鍵技術。技術上，通過部署一定的計算存儲能力部署在無線接入網(wǎng)端，在接入網(wǎng)端構建一個云服務環(huán)境，使得一部分的網(wǎng)絡服務與網(wǎng)絡功能在脫離核心網(wǎng)的情況下進行，從而大幅度的減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，節(jié)省帶寬，降低網(wǎng)絡負載，同時還能夠保證數(shù)據(jù)的安全性。

    隨著5G時代來臨，一方面，5G將會為用戶提供4K/8K視頻、AR/VR等更加真切的業(yè)務體驗，人機交互方式面臨著再次升級；另一方面，以物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等為代表的典型應用場景與移動通信網(wǎng)絡深度融合，海量的機器設備將會接入5G網(wǎng)絡。全新的業(yè)務形態(tài)在帶給用戶更好的體驗的同時，通信網(wǎng)絡的承載負擔無疑也被大大加重。

    2018年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)已經(jīng)達到了70億，到2020年，活躍的物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量預計將增加到100億個，到2025年將增加到220億個。

世界物聯(lián)網(wǎng)設備接入數(shù)量預測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    物聯(lián)網(wǎng)接入設備的爆發(fā)性增長無疑會占用大量的網(wǎng)絡資源，但是未來增加的也不僅僅是設備數(shù)量。近期，工信部等三部門印發(fā)的《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2019-2022年）》中，也將提升網(wǎng)絡傳輸能力，滿足4K和8K視頻傳輸?shù)牡蜁r延、高寬帶、高可靠、高安全應用需求作為其中的重點任務之一。MEC技術通過業(yè)務本地化、緩存加速以及本地分流、靈活路由等技術可以有效降低網(wǎng)絡回傳帶寬需求，緩解核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力，從而進一步避

    免了核心網(wǎng)傳輸資源的進一步投資。

    對于一些對可靠性要求嚴格的場景，例如遠程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等，對網(wǎng)絡時延有著嚴苛的要求。其中，低時延高可靠場景中對空口時延的要求甚至為1ms量級?；贛EC提供的邊緣云計算服務，可以將傳統(tǒng)的部署在Internet或者遠端云計算中心的業(yè)務應用，遷移至無線網(wǎng)絡邊緣部署。此時，特定業(yè)務或者將非常受歡迎的內(nèi)容可以部署或者緩存在靠近無線接入網(wǎng)以及終端用戶的位臵，從而可以有效降低網(wǎng)絡端到端時延，從而提升用戶的服務質(zhì)量。

    移動互聯(lián)網(wǎng)打破電信運營商原有的圍墻花園模式，OTT多種多樣服務類型的快速出現(xiàn)以及相應業(yè)務量的急劇增長，促使移動通信網(wǎng)絡逐漸管道化，運營商對用戶的掌控力度將逐步減弱，淪為數(shù)據(jù)“啞管道”的趨勢加劇，成為移動互聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)值較低的環(huán)節(jié)。運營商當前以計數(shù)據(jù)流量為主的資費模式，相對于OTT靈活的商業(yè)模式顯得較為單一。

    在互聯(lián)網(wǎng)應用的替代作用及取消長途漫游資費雙重影響下，2018年運營商話音業(yè)務收入完成1776億元，比上年下降25.7%，在電信業(yè)務收入中的占比降至13.7%，比上年下降4.2個百分點。受OTT廠商擠占，運營商的傳統(tǒng)業(yè)務生存空間一再被壓縮。

2013-2018年電信收入結構

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    電信運營商不僅可以將MEC平臺的存儲、計算能力開放給應用開發(fā)商和內(nèi)容提供商，為他們提供全新的業(yè)務開發(fā)環(huán)境及用戶體驗；也可以將無線側eNB信息封裝成各種服務（例如，RNIS、位臵服務、帶寬管理服務等），運行在MEC平臺之上，開放給企業(yè)和垂直行業(yè)使用，從而提供更多的增值服務，實現(xiàn)網(wǎng)絡價值的最大化。

    未來5G網(wǎng)絡的基礎設施平臺將主要由采用通用架構的數(shù)據(jù)中心組成，主要包括中心級、匯聚級、邊緣級和接入級，其各自的功能劃分。

    MEC部署的位臵較為靈活，在基站級、接入級、地市級均可部署，具體部署的位臵還要按照具體的業(yè)務需求來確定?？紤]到影響MEC部署位臵最主要的是業(yè)務要求時延，時延要求越嚴格，MEC部署的位臵就越接近用戶端。

    端級邊緣計算在領域的應用

    1、智慧安防

    在智慧安防領域，一個二線以上城市可能就有上百萬個監(jiān)控攝像頭，針對產(chǎn)生的海量視頻數(shù)據(jù)，云計算中心服務器計算能力有限。如果我們能夠在邊緣處能夠?qū)σ曨l進行預處理，將部分或全部視頻分析遷移到邊緣處，就可以大大降低對云中心的計算、存儲和網(wǎng)絡帶寬需求。

    隨著“平安城市”建設進程的推進，中國的安防行業(yè)保持了快速發(fā)展的勢頭，安防產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，市場規(guī)模持續(xù)增長。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)報告顯示，2022年中國安防行業(yè)市場規(guī)模將會達到9737億元。

2015-2022年中國安防行業(yè)市場規(guī)模變化及預測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    基于邊緣計算的視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)等應用場景確實能夠大大減少安防領域的開支，隨著邊緣計算在行業(yè)應用的不斷深入，應用邊緣計算的安防設備將會成為市場主流。如果按照2016年安防行業(yè)各子模塊業(yè)務收入比例測算，視頻監(jiān)控產(chǎn)品收入約占安防行業(yè)整體規(guī)模的18%，按照60%的邊緣計算產(chǎn)品滲透率，2022年基于邊緣計算的視頻監(jiān)控產(chǎn)品市場規(guī)模將達到1052億元。

    2、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新工業(yè)革命的關鍵支撐和智能制造的重要基石。構建企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，核心是平臺，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化需求，構建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配臵的工業(yè)云平臺。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺第一層是就是邊緣層，在邊緣端通過大范圍、深層次的數(shù)據(jù)采集，以及異構數(shù)據(jù)的協(xié)議轉換與邊緣處理，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎。邊緣層對數(shù)據(jù)的處理主要是三個層次，一是通過各類通信手段接入不同設備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集海量數(shù)據(jù)；二是依托協(xié)議轉換技術實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的歸一化和邊緣集成；三是利用邊緣計算設備實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)向云端平臺的集成。

    邊緣層是數(shù)據(jù)采集與預處理是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)得以實行的基礎，邊緣的智能化對于某些特定的業(yè)務場景來說尤為重要。如在工業(yè)制造領域的紡織行業(yè)，傳統(tǒng)方法是通過人工驗布的方式來檢驗布的瑕疵，受檢驗員的主觀意識、經(jīng)驗、環(huán)境、認知等因素的限制，檢測結果往往差異性大，一致性差。將邊緣計算引入后，在設備邊緣直接布臵具備簡單計算能力的智能設備，在機器運行時采集相關數(shù)據(jù)，直接在現(xiàn)場實時處理和分析數(shù)據(jù)，最大限度的減少因時延而造成產(chǎn)品缺陷。經(jīng)過對邊緣機器的智能化改造后，一臺智能驗布機的驗布效率相當于5-6臺人工驗布機，并且檢測精度更高，誤檢漏檢率更低。

驗布機邊緣云架構

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    在國家政策的推動下，中國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在過去幾年經(jīng)歷了爆發(fā)式的增長，2019年兩會政府工作報告中明確提出：打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展‘智能+’，為制造業(yè)轉型升級賦能。而邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用實際上更多是以邊緣設備的智能化改造的概念提出來的，兩者的核心理念也較為接近，都是采用在終端安裝智能芯片或外接智能設備的方式讓設備具備一定計算能力，從而實現(xiàn)對設備自身簡單生產(chǎn)流程的把控。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2017年，中國智能制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將近15000億元，預計到2022年市場規(guī)模將超過25300億元，隨著國家對工業(yè)智能制造的不斷推動，我們預測到2022年基于邊緣計算技術的智能制造滲透率至少達到60%，即市場規(guī)模將達到15180億元。邊緣智能元器件作為智能制造的重要支撐，必將受益于智能制造的不斷深入。

2015-2022年中國智能制造行業(yè)市場規(guī)模及預測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    在智能家電領域，邊緣計算也有著極大的用武之地。這里所說的的智能家電與我們目前生活中的智能家電有一定的區(qū)別，目前我們所接觸到的智能家電同樣也裝有傳感器及處理芯片，但其感知的對象是其所處的物理環(huán)境因素，如感知時間、環(huán)境溫度等等。這里所說的智能家電更具智能化，家電自身將變成一個擬人智能終端，通過對人的行為習慣的感知為用戶提供生活上的指導建議，而物聯(lián)網(wǎng)的應用又使得其對身邊的物具備了感知能力，這樣所有家電就構成了一套完善的智能家居系統(tǒng)，為生活提供更多智能化服務。

2016-2022年中國智能家電行業(yè)市場規(guī)模及預測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    端級邊緣計算是各OT廠商爭相搶占的戰(zhàn)略高地之一。智慧安防、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能家居是目前端級邊緣計算主要的應用場景，各廠商在這些應用場景下也都有了完整的解決方案。并且在智慧安防及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，端級邊緣計算帶來的紅利肉眼可見，因而這兩個領域會是接下來端級邊緣計算應用的主戰(zhàn)場；而智能家居帶來的好處多是用戶體驗層面，決定權在用戶，其推廣勢必會相對較慢，但一體化智能家居系統(tǒng)是未來發(fā)展的方向。國家層面上，政策也在積極推動傳統(tǒng)工業(yè)的數(shù)字化轉型，應用先進的數(shù)字通信技術為傳統(tǒng)工業(yè)賦能。從上面大致的測算來看，端級邊緣計算下游應用會是一個超過1.7萬億元(智能安防1052億+智能制造15180億+智能家居1522億)的市場規(guī)模，國內(nèi)的相關芯片廠商及相關元器件供應商也必將從中獲益。

    相關報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國商業(yè)智能化行業(yè)市場發(fā)展模式調(diào)研及投資趨勢分析研究報告》