5G赋能的物联网：云、移动与边缘计算

### 5G 赋能的物联网：云、移动与边缘计算 #### 1. 引言 近年来，第五代（5G）无线技术取得了巨大的发展。它为物联网（IoT）应用带来了诸多好处，各种行业的实时 IoT 应用即将成为现实。5G 预计将提供以下能力： - **更快的网络速度**：与以往技术相比，5G 的数据速率大幅提升，有利于各类多媒体应用和服务。 - **更低的延迟**：网络延迟极低，使交互式应用的响应速度大幅提高，体验更加流畅。 - **支持海量数据流量**：不仅能提高数据速率，还能满足用户因交互式应用、在线游戏和企业云服务而增加的数据使用需求。 以下是一些体现 5G 必要性的例子： - **消费应用**：多媒体化趋势明显，对网络带宽要求更高。 - **工业领域**：机器对机器（M2M）连接可受益于低延迟和高带宽，减少数据拥塞和停机时间。 - **汽车行业**：变革驾驶体验的应用对带宽需求极大，如自动制动系统可采用边缘计算，而驾驶员分析则更适合云计算。 - **智慧城市**：智能照明、交通控制等项目需要大量的网络带宽和计算资源。 - **医疗保健**：关键医疗操作需要可靠的边缘和云计算基础设施。 #### 2. 5G 边缘计算 ##### 2.1 有了 5G，边缘计算是否必要？ 物联网中连接设备的激增推动了 5G 的发展，但仍有许多应用需要实时响应。由于 5G 部署需要额外的基础设施，且无法保证实时连接，边缘计算变得不可或缺。 移动边缘计算（MEC）通过将数据存储库靠近无线基础设施，支持移动设备并降低延迟。随着移动带宽和数据需求的增加，边缘基础设施将发生巨大变化，包括服务器和网络设备的虚拟化，以创建更灵活的软件定义数据中心（SDDC）和软件定义广域网（SD - WAN）。 通常，对低延迟通信有需求的应用可以从分布式架构中受益，如内容分发网络（CDN）。许多原本在公共云的应用现在也开始部署在物联网网关等边缘设备上。 ##### 2.2 边缘/核心/云范式的演变 传统的物联网分布式架构是三层结构：物、物联网网关和云。但戴尔提出的架构将其分为边缘、核心和云。 - **边缘**：类似网关的计算节点，能处理连接设备产生的数据，适用于实时操作。例如，工厂车间的机器人设备的振动和温度数据在网关处理，异常时会触发本地警报。 - **核心**：介于边缘和云之间，具有边缘和云的优势，可进行实时分析等工作。 - **云**：能在任何位置执行工作负载，但响应延迟是需要考虑的因素。 工作负载的性能和服务质量（QoS）要求决定了它们应部署在边缘、核心还是云。 ##### 2.3 云/边缘计算架构 5G 架构需要支持不同行业的各种应用，具有不同的数据速率和网络带宽要求。网络切片可实现资源隔离和灵活配置，而网络功能虚拟化（NFV）和软件定义数据中心（SDDC）则为其提供了支持。 - **NFV**：将网络功能从专用硬件转移到软件虚拟化，使网络更灵活，能更好地响应电信流量和服务的动态需求。 - **SDDC**：将数据中心的核心元素虚拟化，提供按需服务，具有快速部署、增强安全和降低成本等优点。 网络切片有助于满足灵活的资源分配需求，不同的应用和服务可以有独立的资源池。 ##### 2.4 平台：EdgeX 应用框架 EdgeX Foundry 为边缘提供了一个开放的应用平台，是一个供应商中立的开源项目，旨在构建物联网边缘计算的通用框架。它通过互操作性框架和参考软件平台，实现了即插即用组件的生态系统，促进了物联网解决方案的部署。 EdgeX Foundry 提出了一种松散耦合的分层物联网架构，允许用户根据设备能力和用例部署微服务。 ##### 2.5 边缘应用 对延迟和 QoS 要求较高的应用适合在边缘计算。以下是一些不同行业的应用示例： - **工业物联网**：通过分析芯片图像进行质量保证，利用边缘的人工智能能力实时运行分类模型。 - **零售物联网**：通过本地图像分析提取客户信息，分析情绪以推动销售，如实时人群洞察、客户分析和购买模式分析。 - **汽车物联网**：由于汽车处于不断运动中，对实时性和 QoS 要求更高。例如，实时驾驶员监控、情境感知、危险数据共享和行人发现等。 ###### 2.5.1 汽车边缘 连接车辆和自动驾驶车辆是汽车物联网的关键领域，其实时服务需求只能通过边缘计算来满足。相关生态系统包括车辆、道路和网络。 欧洲电信标准协会（ETSI）的边缘计算指南定义了边缘网络的计算能力和 IT 环境。5G 汽车协会（5GAA）将连接车辆应用分为安全、便利、高级驾驶辅助和易受伤害道路使用者（VRU）四类。以下是一些具体用例： - **实时驾驶员监控**：通过图像分析检测驾驶员的情绪、警觉性和分心情况，提高道路安全。 - **情境感知**：利用本地地图和路边危险信息，为驾驶员和自动驾驶车辆提供实时安全保障。 - **危险数据共享**：附近车辆之间共享危险信息，减少事故发生。 - **行人发现**：让车辆意识到周围的行人或自行车，保障行人安全。 #### 3. 协作边缘计算 物联网的普及使得移动 IoT 设备在企业中广泛应用，但当前架构对集中式云基础设施的依赖导致了一些问题，如网络拥塞和单点故障。同时，移动 IoT 设备的资源利用率较低，存在大量未使用的资源和服务能力。因此，提出了通过边缘的机会协作来更好地利用这些资源的方案。 ##### 3.1 迈向机会协作 为了解决网络可靠性和资源利用率问题，需要 IoT 设备进行机会协作，共享可用的资源和服务。由于应用卸载到云可能受到带宽和延迟的限制，我们希望通过协作提高计算和网络使用效率，将应用和服务的执行靠近设备。 ##### 3.2 基于区块链的协作 提出了一种新颖的协作移动 IoT 架构，利用区块链框架让移动 IoT 设备共享过剩的资源和服务。协作设备通过区块链网络连接，使用智能合约同步资源和服务信息。资源通过容器（如 Docker）提供，服务通过点对点（P2P）通信协议提供。 该架构的主要贡献包括： - 设计了一种通过智能区块链合约分配资源和执行服务的分布式机制。 - 在树莓派和戴尔物联网边缘网关上实现了原型系统。 - 评估了网络延迟和资源利用率。 ##### 3.3 相关工作 在资源抽象平台、资源查找算法、分布式资源共享平台和服务调用平台等领域有一些相关工作。例如，RIO 架构用于资源抽象，ShAir 中间件用于 P2P 资源共享。IBM 和三