前言

5G 来了。

云计算方兴未艾，边缘云计算还未具雏形，在5G 元年的当口，把5G 和边缘云计算放在了一起，笔者是不是在赶时髦？当完成《云计算：规划、实施、运维》和《大数据：规划、实施、运维》两本书的时候，虽觉得颇有乐趣，却也深感吃力，曾发誓不再写这类书了。云计算的本意是资源的复用，以提高效率，然而现在看到的却是数据中心越建越多，各种“烟囱云”拔地而起，笔者内心感到十分惊讶，甚至有些痛惜。不仅如此，目力所及相关作品的水准，往往停留在朋友圈分享文章的层面上，正应了评论互联网时常说的：只有链接没有答案（All cross references no answers）。面对这种状况，笔者只能挽起袖子再次操刀了。

事实上，无论是5G，还是边缘云计算，媒体都有着过高的渲染，以致对2022年市场规模给出了10多万亿元的惊人估值。不仅充斥着5G=IT 的味道，甚至唱出了5G 改变社会的高调，使得各路玩家绞尽脑汁地想要在5G 边缘云计算业务中开拓新市场。再极端一些，可能还会出现面对新东西的“国王的新衣综合征”。在此大胆地引用笔者的朋友William Webb 的说法：“5G 是一个现实与愿望脱节的‘Myth’，其支持者都是为了各自的利益：学术界希望借此得到更多的科研经费；厂家借机来提升价格；运营商担心如果他不做会丧失竞争力；各国政府则以此作为政治噱头……谁都不愿把这‘Myth’说穿。”

这里，我们先试着探讨5G 究竟是什么、5G 能做什么。在人们通常理解的5G 带来的移动端大带宽、低时延、泛连接的背后，还隐藏着什么秘密？云计算、大数据、人工智能和区块链等新技术一波接着一波，5G 边缘云计算和这些技术是什么关系？5G 会对哪些行业带来深刻的影响？甚至，5G 和读者你之间会有怎样的关系？

5G 边缘云计算系统的自治能力以及与其他系统的接口尤为重要，系统的架构及任务分工（Tasks Partition）与协同编排（Orchestration）会使中心云与边缘云出现紧耦合、松耦合和半松半紧耦合这些不同程度的耦合，并催生出一种全新的合众计算范式（Computing Paradigm），即联邦计算（Federated Computing）。5G 的到来，不仅仅促进了移动接入侧网络的进步，更是在倒逼整个大网的升级改造，建成面向服务的未来网络；不仅仅是边缘算力的提升，更是计算范式的变化，合众的联邦计算将会成为主流并保持相当长的时间；5G 时代云计算的多数创新必然会出现在边缘计算上，不夸张地说，5G时代的云计算就是边缘云计算。

在技术层面上，相较于4G，试商用的5G 频率在高频段提高到了28GHz 附近，频率的提高导致波长变短，进入了毫米波的范围。5G 将4G 的大规模天线阵列技术和波束赋形与毫米波配合使用，从而提升了天线增益。5G 的同时同频全双工技术使得频谱资源的使用更加灵活，而终端直通技术（Device to Device，D2D）则实现了终端之间的直接通信。5G 采用低密度奇偶校验（LDPC）信道编码，提高了数据传输速率，以C-RAN（Centralized Radio Access Network）架构实现了集中化处理，使得5G 系统的峰值速率提升了10～20倍，达到10～20Gbps；用户体验速率提升了10～100倍，达到0.1～1Gbps；流量密度提升了100倍，达到10Tbps/km2；连接数密度提升了10倍，可接入设备数量达到100万个/km2。可以说，在移动应用场景下，5G 的优越性是显而易见的。但与此同时，5G 场景也带来了诸多新的挑战。泛连接的终端将产生海量的数据，使得原有的大数据变得更大，从而对数据的处理能力提出了新的要求；从中心，到边缘，再到器件的分层结构所形成的复杂性，对运维提出了更高的要求，并使得采用人工智能（AI）的方式来实现组网、重构和运维成为必然趋势；安全作为一直存在的问题，对5G 网络边缘而言，显得格外突出，急需制定边缘侧的安全技术标准和规范，而区块链技术或将成为使能者。

边缘计算（Edge Computing，EC）可谓是一个老话题。在云计算兴起之前，几乎所有的IT 系统都是客户侧（On Premise）—贴近企业的计算。随着端（User Equipment，UE）的“动中通”能力的提升，就有了移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）。随着端的接入技术的多元化，进而有了多接入边缘计算，同样保留了英文缩写MEC，但字母M 代表的是多接入（Multi-access）。其中的接入方式可以为有线方式，也可以为无线的Lora、NB-IoT、Wi-Fi、4G 等。5G 边缘云计算则是以5G 为接入技术，以云的范式进行的边缘计算，即“Run edge computing in a cloud fashion”。

5G 边缘云计算将给产业互联网带来诸多优越性。5G 具有增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）、超高可靠和低时延通信（uRLLC）的特性，可以惠及当前各行各业，如新媒体、云游戏、智慧医疗、智能制造、智慧城市等。而要想让5G 真正发挥出优势，又离不开与云计算、大数据、人工智能等技术的深度融合。由此呈现出了“云就是网，网就是云，云网一体”的云联网格局。这也再一次印证了笔者在美国工作过的Sun 公司所倡导的“The Network is the computer”。可以认为，5G 技术既是边缘侧无线通信技术的进步，更是对核心网的挑战。产业互联网应用正逼迫着整个网络由IP“尽力而为”（Best Effort）的网络向需要QoS（Quality of Service，服务质量）保证的“确定性”网络的方向升级改造。

在新媒体领域，不同于传统的语音业务和常规数据业务，更要求网络能够提供大带宽、低时延、“动中通”的移动网络。例如，在2019年两会期间，中央广播电视总台首次使用专业级4K 超高清视频直播技术，并结合5G 网络资源及边缘计算技术，确保满足4K 超高清视频信号的传输要求，完成了画质更清晰、互动更流畅的会议报道。新的技术让制作人员不仅可以回传采访的超高清视频，还可以在云平台上进行节目内容的直接编排与制作。

在游戏领域，通信网络连接游戏终端的“最后一公里”成为云游戏的瓶颈。5G 采用大规模天线阵列技术建造本地基站解决了“最后一公里”的连接问题，由边缘机房中的云计算服务器承载云游戏服务端程序，保证了足够高的数据传输速率和足够短的响应时间。云游戏有了5G 边缘云的助力，将会带动消费互联网的升级。消费者说的“建了半天的5G，就是打了个游戏”虽像是戏言，但云游戏确实最有可能成为率先具有清晰商业模式的领域。

在智慧医疗领域，以中国联通为例，他们借助5G 通信技术，成功实现了心脏介入手术的跨国展示，使得远在巴勒斯坦的医疗工作者可以在大屏幕上实时观看青岛阜外医院进行的心血管手术。整个直播期间画面清晰无卡顿。更重要的是，5G 边缘云计算技术使得智慧健康真正上升为智慧医疗。它一方面提升了医疗供给，实现了患者和医疗资源的信息连接，更大程度地提高了医疗资源利用效率；另一方面，医疗数据的价值也将会被进一步挖掘出来，产生新的基于5G 边缘云计算技术的移动医疗服务。

在智能制造领域，工业互联网需要将传感器、大数据、云计算等新一代信息技术与制造业进行深度的融合，而5G 边缘云计算技术非常适应制造领域的大体量、毫秒级时延要求。例如，潍柴集团搭建的数字工厂，利用5G 及相关技术，打造了无人生产车间，将生产设备、物品直接连接到网络中，实现了对生产现场的实时数据采集。与此同时，5G边缘云计算技术也促进了生产系统（Manufacture Execution System，MES）、供应链系统（Supply Chain Management，SCM）、客户关系管理系统（Customer Relationship Management，CRM）、企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning，ERP）等的重新分工与协同。

在智慧城市领域，5G 边缘云计算作为智慧城市发展的新引擎，将会推动城市现代化治理与运营升级。城市中的人、物、景都将成为智能个体而被连接起来。5G 边缘云计算为城市智能个体提供随时随地的连接能力，进而构成了城市“数字孪生”。新加坡是智慧城市的典范，其以3C 与3I，即“连接（Connect）、收集（Collect）和理解（Comprehend）”与“创新（Innovation）、整合（Integration）和国际化（Internationalization）”，作为建设原则。在5G 边缘云计算推动下，将有望出现更多的“虚拟新加坡”，通过先进的建模技术为3C 与3I 注入静态和动态的城市信息，赋能城市运营，并形成多服务的闭环，为快速发展数字经济，助力智慧城市升级打下基础。

离开应用场景谈技术是没有意义的，而且把一种技术局限于某个例应用上，也很难称其为一个时代。事实上，类似上述列举的案例还有很多，但必须指出，这些应用还是比较初级的，5G 边缘云计算的商业模式需要我们进一步认真探索，其技术潜能尚有待释放。技术促生新的应用场景，新的应用场景产生新的需求，新需求对技术提出更高的要求，倒逼着技术进一步的发展，由此，技术和应用就像是一对孪生子，两者手拉手，相互促进。

5G 网络中，毫米级波段的电磁波在介质中的衰减加剧，波的绕射能力变差，这样一来，现存的4G 天线将不适用于5G 网络。为了获得比较好的覆盖和连接效果，5G 的基站将越来越密集，这意味着大量的资金投入，这正应了那句话：天下没有免费的午餐（Good stuff comes with a great price）。国内要建设完整的5G 网络需要数百万个5G 宏站及上千万个基站。即便将来5G 基站的成本会下降，投资也要在万亿元级规模。为了达到端到端的效果，5G 网络部署中的传输网折合到单个基站上的成本也在万元级。面对如此巨大的投资成本，非常需要对5G 边缘云的应用场景进行细致分析，明确哪些可以用，哪些不可以用，哪些没必要用。另外，5G 边缘云既要建得好，更要用得好。例如，现代企业需要更多有用的信息来快速应对市场、竞争对手以及商业环境的变化。又如，以前没有得到足够重视的生产过程信息，对企业的重要性越来越高。在这种情况下，为了将企业的运作变得更快（Faster）、更好（Better）、更经济（Cheaper），企业需要成为技术的聪明消费者，合理地将5G 边缘云计算技术运用到生产与运营过程中。

2019年中国手机用户总数已超过10亿，东南沿海有些地区达到人均1.5部手机，甚至更多。而家庭宽带用户超过3.8亿户，按照1户4～5人的规模，其普及率也超过了85%，所以公众对5G 的需求迫切性可能不如前面几次技术更迭时强烈。从扩大用户范围的角度看，5G 的增长空间有限。就像人们常说的：你选丰田汽车还是凯迪拉克汽车？可能作为产品供应者，更应该关注的是买得起凯迪拉克汽车的高价值客户。当然，4G 最早出现的时候，很多人说3G 已经足够用了，还搞什么4G？但是从4G 发展到今天的10年来看，其应用场景的丰富程度已经远远超出了当时人们的想象。人们对5G 会不会也有同样的看法？已经有4G 了，还要什么5G？甚至可能会问，5G 真能发挥出它的速度吗？这种看法其实也不无道理，因为端到端的应用很少会达到传输的理论极限值。其原因是多方面的，问题可以出现在移动端，也可以出现在大网上。换句话说，网络的总体性能取决于网络中最差的一环（As fast as the slowest link）。这更说明我们需要重新审视端到端网络的架构、功能与性能。这里，运用人工智能进行SDN（软件定义网络）组网会有效地提升网络质量，降低运营成本，建成面向服务的未来网络。

现阶段对5G 边缘云计算，从概念到应用仍然没有一个标准的范式，往往将狭义的、广义的、泛义的、伪义的5G 边缘云计算混为一谈，很难谈得上商业方面的深度应用。所谓狭义，是指在技术的初期，5G 边缘云计算停留在技术处理的层面，它只具有工具性；而广义的5G 边缘云计算则包含了相关产业链的各个环节所提供的产品和服务，通常带来的是架构性的变化；泛义的5G 边缘云计算则扩展到相关的细分行业中，通常带来的是系统性的变化；伪义的5G 边缘云计算则以营销为目的，包含了相当多的炒作成分。例如，在某城市中心的一个高楼上安置了一个可旋转的高清摄像头，可以覆盖20km2，就号称用了5G 边缘云计算技术，但实际上只是拉了光纤进行直连，就是在摄像头上“贴”了一个5G 标签。即便围绕“云”这一概念本身，也还存在争议，以致云服务提供商之间用“云清洗”（Cloud Washing）一词相互指责竞争对手用“云”字眼为旧的产品冠名进行炒作。如何将5G 边缘云计算的处理能力结合到具体的业务中，探寻正向的商业模式，创造价值，是现阶段我们最应关注的问题。对于提供的产品和服务，谁买的单？客户、用户是谁？现金流从哪里来？到哪里去？如果这些都搞不清楚，也不能够自负盈亏产生收益，就不可能称其为一个产业。无论如何，现阶段只是5G 边缘云计算的开始，不要忘了它的工具性。作为工具，要让工具用得好，首先要用对地方，其次要知道工具怎么用。

边缘是相对中心的，中心就是通常的云，这种由分散到集中，又由中心到边缘，颇具“分久必合，合久必分”合众联邦的味道。边缘的第一层含义是指5G 边缘云计算相对于一般意义上的云，也就是中心云来说，是处于边缘侧的。将一些应用布置在边缘侧去进行处理和运算，其在效果和成本上的综合表现可能要优于放在中心位置。中心云提供弹性的计算、存储和网络，其弹性体现为，在工作负载驱动下，资源精确到秒级并呈波动状动态供给。这种云的方式正是在边缘侧管理工作负载时必需的。以前没有边缘云的时候，终端侧更像是一个“瘦终端”；而5G 的出现，使得终端侧更像一个“胖终端”。边缘的另一层含义则是指相对于使用者的生产系统来讲，IT 系统就属于“边缘”系统，因为使用者可能更关心的是处于中心位置的MES、SCM、CRM 和ERP 等系统。对于企业来说，将面对一个“中心云+边缘云”的架构，需要考量工作负载在中心云和边缘云之间的可移植性，以及实现某项功能所需要完成的任务在中心位置与边缘侧的再分配，使用统一的控制平面管理中心云和多个边缘云，提供异构计算的能力支持，以及如何让边缘云和客户侧保持中心云水平的资源高利用率等现实问题。由此可见，想要利用好5G 边缘云计算，就需要对业务有深刻的理解，具备深厚的专业知识。

基于以上认知，笔者深感为5G 边缘云计算从业者提供系统、全面的技术和行业认识的必要性。借由本书，笔者将多年的从业实战经验以及思考心得，从科学的高度出发，带领读者走进5G 边缘云计算，并帮助读者创作出属于自己的大型交响乐：规划、实施、运维三部曲。书中，对于可能遇到的困惑和问题，甚至是误区，将会阐述必要的注意事项和指导原则，帮助读者快速推出满足SLA 需求的5G 边缘云计算产品和服务，最终产生经济效益。

本书读者对象为5G 边缘云计算产业政策制定者、从业者和分析师，包括：政府与企业IT 负责人、首席信息官（CIO）、IT 架构师、IT 产业从业者和分析师、网络与系统管理人员、应用软件开发人员，以及高校或研究院所教师、学生、其他研究人员等。

本书在撰写时遵循了以下原则。在阅读对象方面，兼顾专业性和大众化，采用笔者在《云计算：规划、实施、运维》和《大数据：规划、实施、运维》两本书中深受读者喜爱的“单刀直入，直奔主题”的风格，尽量通过合适的例子将问题说清说透；在知识的深度和广度方面，既保持高校学生与研究生的水平，又适应5G 边缘云计算从业者的需求；在内容方面，将学术性与实用性相结合且着重突出实用性，针对与5G 边缘云密切相关的课题，如AR/VR、机器学习、人工智能，以及MES 等专业知识进行讨论。对于5G边缘云计算，本书采用“云层（Cloud Layer）、雾层（Fog Layer）、薄雾层（Mist Layer）、器件层（Device Layer）”的分层架构，逐层递进，一一阐述。

一个典型的5G 边缘云计算体系涉及的云有成百个，雾有成千层，薄雾和器件有上百万个，再加上需要相关技术人员有一定的行业知识，面对这样一个庞然大物，开源社区涌现出了一些5G 边缘云软件堆栈，如LF（Linux 基金会） Edge 旗下的Akraino Edge Stack项目，为用户提供了可较快扩展的边缘云，这里也会有一定篇幅的讨论。全球各大公有云服务提供商先后发布了客户侧云解决方案和产品，以提升其On Premise 的服务能力，这是从公有云的禀赋出发进军边缘云计算领域。

在5G 和边缘计算的诸多出版物中，谈5G 的着重从标准角度介绍5G 无线通信技术和网络架构，关于边缘计算的则侧重介绍边缘计算的原理。然而，5G 和边缘云计算作为独立的技术，其应用场景和潜力的发挥是非常有限的，因此两者的结合是非常必要的。将5G 和边缘云计算放在一起进行一定深度的介绍，同时对两者融合过程中所遇到的实际问题从规划、实施、运维的角度进行阐述，描绘出一幅5G 时代边缘云计算的全景图，这正是笔者的愿望。

在撰写架构方面，先从5G 开始，再到边缘云计算，后是5G 与边缘云计算，按照规划、实施、运维逐一展开。

本书主要内容分为5篇。

第1篇（第1～4章）为导论篇。5G 的产生，迫使产业链上的各企业重新审视当前已有的业务形态，优化自身的战略。本篇引领读者回顾移动通信系统的演进历史，简要介绍5G 的驱动力、基本概念，边缘云计算的架构和本质，5G 边缘云计算的应用和发展机遇，与5G 边缘云计算相关的产业链以及商业模式，正式引出合众的联邦计算范式。

第2篇（第5～7章）为规划篇。规划是需要调研的，离开了具体的业务场景，5G边缘云计算是没有意义的。规划阶段是一个了解5G 边缘云计算的过程，也是了解企业自身的过程。5G 边缘云计算的规划和其他项目的规划非常类似，需要在“时间—范围—成本”项目铁三角之间进行平衡。企业需要评估5G 边缘云计算能够给自身带来多大的价值，以及如何能够让价值最大化。这是一个重资产的游戏，5G 有风险，投资需谨慎，风险管控至关重要。

第3篇（第8～12章）为实施篇。实施是需要取舍的，5G 边缘云计算的规划落地，需要选择具体的技术路径，此时又会受到“功能—性能—成本”产品铁三角的制约。本篇尝试分析在5G 边缘云计算实施过程中所应遵循的一般方法和特别之处，并且就实施中的关键技术点依次展开分析。本篇重点阐述5G 边缘云技术，并对无线接入网技术和核心网技术等新技术进行分析。本篇还将对AR/VR、机器学习、人工智能领域的相关技术体系进行介绍，探讨5G 边缘云计算与上述领域的协同和发展。

第4篇（第13～16章）为运维篇。“三分建设，七分运维”，运维是持久战。5G 边缘云计算的运维与一般云计算的运维相比，有大量共性，但也有其自身独特性。为保持运营的持续性，需要采取必要的技术手段和人力资源来保证运维的实施，AIOps 是一个重要方向。好的运维是多要素的融合，包括规范的流程和技术。因此，达到智能化的可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、安全性（Security）、可扩展性（Scalability）、易管性（Manageability-Intelligence）—简称RASSM-I—是运维的终极目标（Nirvana）。

第5篇（第17～21章）为实例篇。5G 边缘云计算为有效打通企业生产销售全流程的信息流提供了工具，为产业互联网的快速发展与升级提供了必要的手段。本篇重点介绍5G 边缘云计算在典型行业：新媒体、云游戏、智慧医疗、智能制造、智慧城市中的应用。该篇也可用于单独阅读，笔者希望这部分内容能对相关企业进军5G 边缘云计算有所帮助。

最后为结束语，将对本书内容做简要的回顾并就当前的实际情况和趋势，探讨5G 边缘云计算领域的技术演进方向。要想实现系列影片《星球大战》（Star Wars）中的全息通信，所需要的数据传输速率要在Tbps 级，时延要在0.1ms 以下，这仅仅依靠提高电磁波频率是远远不够的，需要的是颠覆性创新。即使在现有的应用场景中，涉及的云、雾、薄雾和器件数量之多，使得其所面临的挑战也是多方面的。未来的5G 边缘云计算，最先可能出现的是终端通信技术上的突破，频率可以继续增高，并随着通信协议的演进，进入6G 甚至7G；同时也需要器件层的演进，特别是低功耗基带芯片和新型电池技术的进步；再者，在云计算架构上，特别是分层部署的智能化等方面，也需要创新；另外，应用软件为了实现从中心云到边缘云各层级的无缝迁移和运行，需要进行符合云原生架构的重构实践。产业分工必须明确，“一家通吃”不利于5G 边缘云计算的健康发展。新应用场景的出现，使得5G 边缘云计算很可能形成一种组合式的突破。但无论如何，在后消费互联网时代，5G 边缘云计算一定是赢在特定场景的应用上。

本书附录部分将介绍亚马逊的边缘云解决方案，内容包括如何搭建基于开源的边缘云平台，以及用于运维的常用操作系统层面的工具。

笔者在美国从事IT 前沿工作多年，是早期云计算服务设计的主要参与者，亲身经历和参与了数次IT 行业重要的发展与变迁，包括开放式系统、互联网、云计算等。笔者曾经任职的世界500强企业，对IT 系统的功能和性能有着非常苛刻的要求。早在2000年，笔者作为美国索尼电子北美IT 总经理，就已经使用边缘计算来支持公司VAIO 产品的18条生产线。2011年，笔者被中国电信作为国家级专家聘请回国，同年组建中国电信云计算公司，投入云计算的规模化应用中。在这样的从业背景下，笔者非常希望结合自己国内外5G 边缘云计算的相关技术和工程实践，通过全面的论述和比较，为政府和企业合理又经济地发展5G 边缘云计算提供有价值的、理性的参考意见，避免低水平或过度建设。

从初步构想到最后出版，笔者对本书品质的方方面面，都希望能做到尽职尽责。唯成书仓促，难免有诸多缺失甚至偏颇，祈业内先进赐教，以匡正之。

笔者能够完成此书，需要感谢的人很多。

首先感谢中国工程院邬贺铨院士、倪光南院士、刘韵洁院士在百忙之中拨冗为本书作序。中国科学院黄维院士，北京邮电大学吕廷杰教授，日升天信董事长方伟先生，宽带资本董事长田溯宁先生的推荐评语对笔者的努力给予了很大的鼓励与肯定，在此笔者一并表示诚挚的谢意。同时在本书的写作过程中，电子工业出版社的冉哲老师提供了全程帮助，特别是面对我的英式中文，耐心、细致、不厌其烦地进行修改，没有冉老师的帮助，本书难以与读者见面。

笔者特别感谢以下几位：时文丰按照笔者的思路和录音整理出了最初文稿；房秉毅和张文召交叉校阅了实施篇与运维篇；于璐帮助准备了5G 边缘云计算的案例；刘中帮助准备了附录；徐小飞帮助进行了最后的文字整理。当然，书中的任何瑕疵完全是笔者的责任。

最后声明：笔者虽任职中国联通，但书中的观点仅代表笔者自己，与中国联通无关。

谢朝阳

2020年5月