摘要：随着5G网络商用部署步伐的加快，以5G网络和MEC技术为基础的移动通信网络大带宽（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、超高可靠超低时延（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）和海量连接（massive Machine Type Communication，mMTC）成为牵引5G应用落地的核心能力。在众多的垂直行业需求中，以4K/8K高清视频、增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）为代表的视频业务无疑是5G+MEC技术的“杀手锏”应用。本文以MEC平台和云平台部署位置、部署模式、部署条件、部署规模和平台能力等差异为出发点，围绕5G视频业务用户体验，分析5G视频业务终端视频显示能力对视频文件带宽需求的影响，提出基于面向用户体验的5G视频业务边云协同策略，可以在不降低用户体验质量的条件下降低5G视频业务对MEC平台存储容量和传输带宽的需求，提高边云协同效率。

关键词：无线通信；5G；视频业务；边云协同；用户体验

1　引言

边缘计算，从字面上理解，便是将计算处理、数据存储、网络加速及智能分析等能力迁移至网络边缘。因此，在边缘计算诞生之前，便已经有了与之相对的概念——云计算。传统的云计算平台采用集中式模式部署在核心网络，终端设备如果要访问云计算平台，需要通过接入网、承载网最终达到核心网，其中与传输距离成正比的传输时延成为限制时延性能的重要瓶颈。当云计算平台的计算、存储等能力下沉至网络边缘时，由于传输距离的大大缩减，边缘计算可以逾越集中式云化部署方案中不可压缩的传输时延，以支持uRLLC业务需求；其次，终端设备在边缘计算平台同样可以获得数据清洗、融合、计算、存储能力，在本地即可进行大带宽数据进行处理，而无需将海量宽带数据上传至中心云平台，可极大降低宽带业务对带宽的需求，显著节省 后向带宽，减少本地流量对核心网络的带宽压力，提升eMBB业务性能；另外，在mMTC业务场景，边缘计算平台可以卸载终端设备的智能数据处理、图像渲染等能力，在降低终端设备成本，提升计算处理性能的同时，并没有显著增加业务时延。因此，边缘计算技术虽然不是因5G而生，却因其对uRLLC、eMBB和MMTC业务都有相辅相成的技术特色而伴随5G快速成长，成为5G时代炙手可热的技术之一。

2　云计算与边缘计算

2.1　云计算定义与特征

ISO/IEC JTC1和ITU-T联合工作组制定的国际标准ISO/IEC 17788《云计算词汇与概述》（Information technology-Cloud Computing-Overview and vocabulary）中，对云计算给出了明确的定义：云计算是一种将可伸缩、弹性、共享的物理和虚拟资源池以按需自服务的方式供应和管理，并提供网络访问的模式。ISO/IEC 17788《云计算词汇与概述》定义云计算的关键特征，包括广泛接入、服务可测、多租户、按需自服务、弹性扩展和资源池化。

2.2　边缘计算/边缘云定义

边缘云即实现边缘计算的云化平台。而边缘计算作为一个新生技术，不同领域对边缘计算概念的理解也众说纷纭。从电信运营商的角度出发，除了采用部署在区域数据中心的核心云计算平台，其他部署在本地城域数据中心、边缘数据中心、端局机房的计算平台都可以称为边缘计算平台；从OTT公司角度出发，部署在用户侧的计算平台则称为边缘计算平台；从企业用户的角度出发，部署在厂房、操作间等现场级的计算平台则称为边缘计算平台；对于摄像头、物联网设备、车辆、机器手等终端设备而言，具有计算存储和远程访问等智能设备也被称为边缘计算平台。因此，边缘计算平台的物理形式也千差万别，既可能是具有智能处理能力的边缘终端，也可能是具备数据采集汇聚分流能力的边缘网关；既可能是在几台通用服务器上采用虚拟化技术搭建的一个IT级边缘云平台，也可能是包含计费、策略下发等核心网功能的电信级边缘云平台。

ETSI从电信运营商的角度给出边缘计算的定义：在靠近移动用户的移动网络边缘提供IT服务环境和计算能力。

OpenStack从IT化的角度给出边缘计算的定义：边缘计算是为开发者和服务提供商在网络管理域的边缘侧提供云服务和IT环境服务。

ISO/IEC JTC1/SC38从行业标准化的角度给出边缘计算的定义：边缘计算是一种需要处理和数据存储放在网络边缘节点的分布式计算模式。

边缘计算产业联盟（ECC）从产业界的角度给出边缘计算的定义：在靠近物或者数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。

2.3　云与边缘云的异同

由于边缘计算脱胎于云计算技术，因此，边缘云与云一样，都由计算资源、存储资源和网络资源构成，都可以通过虚拟化和资源池化技术将底层资源抽象屏蔽，实现多个用户和应用程序之间的资源共享，并支持基于API来增强平台间的互操作性，具有广泛接入、服务可测、多租户、按需自服务、弹性扩展和资源池化等特点。但是，由于业务场景不同，边缘云还具有其独特的属性。

（1）部署位置

云计算平台通常部署的位置较高，大多在核心网区域数据中心。边缘云平台要依据边缘业务需求和覆盖范围，可以下沉部署在本地城域数据中心、边缘数据中心、接入局房甚至业务现场。

（2）部署模式云计算平台大多采用集中式部署模式对云计算资源进行统一管控。部署在不同地理位置的边缘云平台则采用分布式分层多级部署模式，边缘云可以通过广域网与中心云相连，或通过中心云调度动态加入边缘云共享资源池，但是多个边缘云之间存在潜在的高延迟、网络不可靠和低带宽风险。

（3）部署条件

部署在核心区域数据中心的云计算平台，具有良好的物理空间、通风散热及供电环境，可以采用1~1.2米深，19英寸标准机柜部署通用机架式服务器。部署在本地城域数据中心边缘云平台的部署条件与核心区域数据中心的部署条件差异较小，可以采用1~1.2米深，19英寸标准机柜部署通用机架式服务器。如果边缘云平台部署在环境较好的边缘数据中心，受场地物理空间限制，可以选择1米深通用刀片服务器。在部署在条件较差边缘数据中心或接入局房时，只能采用深度低于600毫米的定制化专用服务器。在部署条件极为恶劣的接入局房或者业务现场，除了物理空间更加狭小之外，边缘云平台部署可能面临直流供电的问题，因此，支持直流电源的小型硬件设备成为搭载边缘云平台的首选。

（4）部署规模

部署在核心区域数据中心的云计算平台通常具有上千台服务器的规模，资源相对较为充足。而部署越靠近网络边缘的边缘云平台，面临的部署条件越苛刻，部署规模也越小，极端情况下，只能部署在1~2U的服务器或者微型硬件平台，CPU、内存、硬盘等硬件性能十分有限。

（5）平台能力

受部署条件和平台规模限制，云计算平台具有更强大的计算存储能力。但是，边缘云平台更靠近数据源和用户侧，能够获得更多的原始数据和对终端设备的控制能力，因此，边缘云平台除了对eMBB、uRLLC、mMTC边缘业务的增强能力之外，还可以提供面向大数据应用的数据清洗、融合、脱敏等预处理能力，将已脱敏的高质量数据提供给云计算平台执行高精度数据分析。另外，面向机器学习、深度学习、人工智能类边缘业务，云平台可以基于历史数据预先训练算法模型、优化参数，边缘云平台则基于云平台推送下发的算法模型执行现场推理，并将高质量数据在网络闲时上传至云计算平台以支持算法模型的迭代优化。通过云边协同，充分发挥边缘计算和云计算的互补优势。

3　5G视频业务带宽需求

3.1　5G视频文件传输带宽需求

视频业务对边缘云平台传输带宽的需求由与图像分辨率、图像帧率、色彩深度、扫描模式及编码格式相关。图像分辨率是指单位英寸中所包含的像素点数，常见的图像分辨率包括720P、1080P、2K、4K、8K等。由于5G网络对大带宽业务的支撑能力特性，1080P、2K甚至更高清晰度的4K/8K超高清视频已经成为5G时代的主流业务。图像帧率是单位时间内显示的图帧数量，图像帧率越高画质越好，基于ITU-R RecommendationBT.2020标准，图像帧率可选取值包括120、60、60/1.001、50、30、30/1.001、25、24、24/1.001FPS，图像帧率越高，传输带宽需求越大，5G视频业务为了提供优质的用户体验，通常采用50FPS以上的图像帧率，甚至在AR/VR沉浸式交互业务中采用120FPS、180FPS、240FPS的超高频图像帧率。色彩深度是存储介质在存储或缓存单位像素时所需二进制数据位数，常用可选参数为8、10或12bpp，5G视频业务通常采用至少10bpp的色彩深度。扫描模式有逐行扫描p和隔行扫描i两种模式，由于隔行扫描只传输一般的图像，其传输带宽也只有逐行扫描的一半，5G超高清视频通常选用逐行扫描模式；编码方式是在保证一定画质要求前提下，对视频文件进行压缩处理的方式，以便提高传输和存储效率，5G视频业务通常采用H.264、H.265等编码格式。目前典型5G视频业务传输带宽需求如表1所示。

表1 5G视频业务传输带宽需求

3.2　基于用户体验的5G视频文件传输带宽需求

在5G视频业务中，影响用户体验的因素除了视频源视频文件大小还有视频接收终端屏幕分辨率。终端设备屏幕分辨率的选择通常由终端设备屏幕大小、观看距离和人眼分辨能力决定。人眼分辨能力理论极限是20"，视力好的人对易于分辨的黄绿波的分辨能力通常为1'，而普通人眼的分辨能力通常为3'~5'。因此，常见终端设备分辨率配置通常如表2所示。

表2 常见终端设备分辨率配置

由表2可见，受人眼分辨能力、屏幕尺寸和观看距离的约束，视频显示终端的屏幕分辨达到满足要求或性能极限的配置提供最佳的用户体验质量，更高配置的屏幕分辨率只会增加终端设备成本，因此终端设备厂商的屏幕配置通常为表2中的结果保持一致。同样，5G视频业务同样可以依据终端分辨率需求由MEC平台提供相应的视频文件。例如，对于智能手机、平板电脑和40寸以下的电视，传输带宽需求在30M以下的1080P视频业务即可满足绝大多数用户的需求；对于采用100寸以下的终端设备时，完全不需要传输4K以上视频文件，因此其5G视频业务带宽需求通常小于50~100M；只有在200寸以上的巨幕5G高清视频业务中才会需要100M以上带宽传输8K以上的视频，而占用传输带宽和存储资源的高画质视频文件在云端进行备份存储即可。

4　5G视频业务边云协同解决方案

面向用户体验的5G视频业务边云协同解决方案如图1所示。本方案中，终端设备管理系统基于无线侧上报IMEI号解析终端设备信息，或者通过手动配置、终端设备类型信息爬取等方式采集通过5G基站或CPE设备接入网络的终端设备信息。

当终端设备上传或下载视频文件时，基站首先将终端设备视频业务需求发送到MEC平台。MEC平台基于终端设备管理系统提供的终端类型信息，选择满足终端分辨能力需求的格式对视频文件进行处理、本地存储或文件下发，并将高画质视频文件在网络闲时上传至远端云平台。

如果MEC平台本地存储的视频文件画质不能满足终端类型需求，则将视频业务需求及终端类型信息转发至远端云平台，由云平台完成高画质视频业务处理与视频下发。

图1 5G视频业务边云协同解决方案

该方案中，MEC平台分流决策模块基于终端设备类型信息，为5G视频用户提供可满足其终端显示能力的视频文件，而无需传输或存储远高于终端设备所需的高画质视频文件。

5　结论

本文从5G网络新媒体行业技术需求出发，结合5G终端能力、视频业务特性、MEC平台与云平台能力差异，提出面向用户体验的5G视频业务边云协同策略。面向用户体验的边云协同策略以MEC平台和云平台部署位置、部署模式、部署条件、部署规模和平台能力等差异为出发点，围绕5G视频业务用户体验，分析5G视频业务终端视频显示能力对视频文件带宽需求的影响，提出基于面向用户体验的5G视频业务边云协同策略，可以在不降低用户体验质量的条件下降低5G视频业务对MEC平台存储容量和传输带宽的需求，提高边云协同效率。

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作者简介：

刘秋妍，博士，中国联通网络技术研究院高级工程师，主要研究方向为无线通信、区块链与边缘计算技术。

吕华章，硕士，中国联通网络技术研究院工程师，主要研究方向为5G网络与边缘计算技术。

李铭轩，硕士，中国联通网络技术研究院工程师，主要研究方向为云计算、容器、通信云解耦技术。

张忠皓，博士，中国联通网络技术研究院高级工程师，主要研究方向为5G网络、毫米波技术与边缘计算技术。

李佳俊，博士，中国联通华盛通信有限公司创新业务部总监，主要研究方向为无线通信网络与移动终端技术。

李福昌，博士，中国联通网络技术研究院高级工程师，主要研究方向为无线新技术研究和无线标准技术研究。

冯　毅，中国联通网络技术研究院高级工程师，主要研究方向为无线通信新技术和5G创新业务研究。

摘自《自动化博览》2019年12月刊