新计算面使能移动算网融合

5G-A/6G用于移动网络和计算融合的新计算平面 （2024版） 前言 6G和未来网络的新服务需要最终的体验，这要求移动网络和计算的融合 。 本白皮书介绍了移动网络和计算融合的动机、特点和需求，提出了6G架构和关键技术，并提供了典型用例和潜在解决方案，希望本白皮书有助于形成产业共识。 本白皮书的版权归所有投稿公司所有,未经授权,任何单位或个人不得复制 、复制本白皮书的部分或全部内容。 CONTENTS 前言1 目录1 1.Introduction1 1.1.移动网络与计算融合的动因1 1.2.移动网络与计算融合的特点2 2.关键要求3 2.1.广域连续计算服务覆盖3 2.2.计算资源感知和选择3 2.3.E2E经验保证4 2.4.终端-网络-边缘-云计算网络协调4 2.5.路径选择和优化5 2.6.识别服务请求和相关的QoS/资源要求5 3.体系结构注意事项7 3.1.5G和边缘系统架构的演进7 3.2.6G系统架构的注意事项8 4.关键技术10 4.1.通信和计算融合业务流程10 4.2.E2EQoS控制10 4.3.动态UE工作负载卸载和调度11 4.4.计算的安全和隐私11 4.5.计算能力暴露13 5.典型用例和潜在解决方案14 5.1.案例1：扩展现实(XR)应用程序卸载14 5.1.1.说明和要求14 5.1.2.潜在解决方案：无线远程计算16 5.2.案例2：由远程计算提供支持的实时游戏和AI18 5.2.1.说明和要求18 5.2.2.潜在的解决方案：跨客户端/网络/云的分布式渲染20 5.3.案例3：启用工厂规模的协作边缘机器人系统25 5.3.1.说明和要求25 5.3.2.潜在解决方案：边缘机器人卸载系统27 6.结论和未来的工作32 7.参考文献33 贡献者35 1.Introduction 1.1.移动网络与计算融合的动因 随着通信技术的发展和边缘计算的大规模商业使用，越来越多的数据将在移动网络边缘进行本地处理[1]。根据Garter的预测，到2025年，超过75％的数据将在边缘处理。在当前的5G系统中，网络和计算(例如，Procedre，边缘/云计算）是分开的，这使得满足某些新服务的体验要求具有挑战性。根据IMT-2030的观点，沉浸式通信和全息通信等新服务将在6G中得到广泛应用[2]。例如,XR服务需要高达100Mbps的下行链路比特率、5ms的延迟和超过99%的帧可靠性。AI云游戏需要大量GPU资源来实现渲染。工业机器人系统需要超过99.9999%的可靠性。以上所有场景都有对大规模网络内计算的要求,这通过当前的通信网络是无法满足的。因此，下一代系统将实现网络访问和计算能力的无处不在，其中计算和网络需要深度融合和开发在一起，以最大化资源效率并优化用户的体验。 图1-1IMT-2030新增能力需求 网络和计算的融合为优化数据的处理和传输提供了多方面的好处，这对新兴技术和应用至关重要，包括XR，AI云游戏，工业机器人控制和其他AI使用。计算和网络的融合架构通过协调的性能监控和联合QoS控制来支持高质量但低成本的服务交付。在随时间变化的服务需求和网络流量状态的场景中,动态地和弹性地汇聚框架。 优化处理数据的时间和地点，以减少延迟，最大程度地提高可靠性并实现实时处理。此外，融合通过联合分配资源和平衡工作负载来利用资源利用率，从而防止通信或计算组件的瓶颈。 1.2.移动网络与计算融合的特点 移动网络与计算融合(MNCC)是移动网络与计算深度融合的新能力。有了它，通过无处不在部署的计算节点实现了自动部署，最佳路由和服务负载平衡的目标。新的网络基础设施能够感知网络内部和外部的计算资源。该基础设施使得网络能够按需实时地进行计算资源调度,从而提高计算资源利用效率,增强用户体验。 MNCC基于移动网络能力和计算基础设施[3]。目标是提供具有所需的E2EQoS（速率，延迟，可靠性）的集成通信和计算服务。MNCC具有以下功能： 1)MNCC提供按需和集成的通信和计算服务。它通过选择从用户到应用程序的最佳访问路径来实现用户应用程序与可用计算/网络资源之间的最佳连接，以获得最佳用户体验。它还具有无处不在的移动接入，终端网络协调，可控制的体验以及高稳定性的通信和计算。因此,通过结合计算能力,网络可以为通信和计算服务提供高质量的移动接入能力。 2)MNCC建立在移动网络基础设施之上。除了保持移动网络的传统核心能力外，它还引入了两个关键的创新架构能力：网络和计算的集成，以及通信和计算资源的统一调度。它涵盖了从终端，网络到边缘和云的计算资源，利用了独特的分布式网络位置优势。MNCC还通过通信和计算资源的联合调度来增强广域中的QoS。因此，MNCC提供了确定性和优化的端到端服务体验，其中网络支持集成的网络加计算资源协同调度。 2.关键要求 要实现上述MNCC的功能，必须满足以下关键要求：广域连续计算能力覆盖、计算资源感知与发现、E2E体验保障、 终端-网络-边缘-云计算协调，以及路径选择和优化。 2.1.广域连续计算服务覆盖 MNCC需要广域连续计算业务覆盖的能力,需要对网络覆盖、用户面和边缘计算节点进行联合规划,在广域移动场景下,MNCC根据计算任务的要求,确定业务体验的一致性模式,如计算任务对延迟敏感或连续性敏感或两者兼有。 对于延迟敏感任务,MNCC基于实时终端位置来选择、调整和调度用于计算任务的最优计算节点(例如,最靠近终端的计算节点)以确保最低延迟。 对于连续性敏感的任务，在计算节点选择后，MNCC应保证计算任务锚定到所选择的计算节点，并调整转发路径以保证数据一致性。 2.2.计算资源感知和选择 计算资源是MNCC的基础，因此对计算资源的认识是其拥有的关键能力。在计算和网络融合中,不同的数据处理场景具有不同的计算需求。构建融合、部署服务和准确调度计算资源的关键任务如下：如何在屏蔽计算资源异构的同时对计算能力进行建模和度量 ；如何对计算服务进行原子抽象，为应用提供统一的计算能力；如何针对不同的工作负载分配模式建立统一的模型。 网络或云侧计算，终端发送的数据需要在网络或云侧进行计算，MNCC需要根据任务需求选择计算资源，并将计算任务分配给相应的计算节点。 终端-网络-云协同,当终端发起业务时,网络需要判断终端是否有足够的计算资源在本地执行计算,或者需要终端-边缘协同计算,如果是后一种情况,MNCC应该有能力发现所需的计算资源,并为任务进行调度。 对于两种模式,计算资源的选择需要基于终端位置、E2EQoS要求、网络覆盖和容量 、当前和历史网络QoS信息、计算节点部署(例如,位置、资源类型、资源数量、带宽)和用户订阅的策略。 2.3.E2E经验保证 用户的应用程序的E2E体验保证源于通信和计算部分。传统移动通信和边缘/云计算在两个单独的系统中,并且调度在两侧独立地完成。因此,没有确定性机制来保证E2E体验 。通过将通信和计算融合在一个系统中，可以共同控制通信和计算任务的调度，以确保E2E体验。通过了解通信和计算段两者的能力、状态和性能,可以动态地调整通信和计算资源的调度以满足E2E体验要求,而不会过度供应。 2.4.终端-网络-边缘-云计算网络协调 MNCC应最好地利用多个域的计算资源，包括中央云、边缘云、网络内计算和终端。 具体地,MNCC提供在这些域之间物理地互连的普遍存在的计算资源,并且在它们之间协同地协调计算任务。例如，如果在云端实现XR渲染之前的对象识别和检测任务，则会导致大量的数据传输和相应的高网络带宽要求。然而,如果仅在终端侧执行计算,则由于计算资源的限制,可能存在较大的渲染/处理延迟的风险,从而降低用户体验。因此,需要联合利用终端端或网络内或边缘的计算资源,其中每个实体处理计算任务的一部分以最小化服务延迟和终端的能量消耗。 例如，边缘计算支持复杂的推理（例如大型AI/ML模型），而终端执行少量的数据预处理。 此外,通过考虑全局计算资源,并且通过根据服务需求协作调度计算和网络资源,MNCC可以进一步大规模地改善用户的体验。 2.5.路径选择和优化 为了访问用于服务的计算节点,应当在网络中执行路径选择和优化。其中网络通过SMF(会话管理功能)选择UPF(用户平面功能)的现有路径选择机制基于SMF的服务区域内的现有UPF资源的可用性和负载。然而,它既没有充分考虑全球规模上的资源平衡,也没有充分考虑用户QoS要求和用户平面路径之间的对齐。因此,它不能动态和有效地选择最优用户平面路径来为用户提供最终的计算体验。对于控制平面路径选择,当用户接入移动通信网络时,需要考虑移动网络的实时状态管理和控制能力,包括全局网络资源和计算节点的工作负载,为用户选择最合适的接入控制网络功能。 因此,MNCC需要利用网络来动态地建立分布式计算资源和存储资源之间的互连。通过网络、存储和计算资源的多维协调分配,可以在MNCC中广泛分布的计算资源之间调度应用。通过联合考虑和控制通信延迟(包括传播延迟和传输延迟),可以在保证服务质量和用户体验的情况下实现计算资源使用的全局优化。 2.6.识别服务请求和相关的QoS/资源要求 在诸如联合学习和UE计算卸载的一些终端网络云协作用例中,应用模块或计算任务将基于UE的请求和可用资源被动态地部署或卸载到网络中的计算节点。 UE的请求可以是对网络实体的过顶应用请求或特定计算服务请求。无论如何表达和传输服务请求，网络都需要识别请求并解决所需的资源和QoS要求，包括要部署的应用模块或计算任务的数量，所需的计算资源的数量，预期的延迟，所选路径上的带宽等。 需要在UE的请求中明确或隐含地反映这些要求。 3.体系结构注意事项 3.1.5G和边缘系统架构的演进 在5G时代，5GC和边缘数据网络是两个独立的网络，它们独立运行、控制和管理。边缘数据网络可以通过NEF消耗一些5GC网络能力(例如,EDGE_7、EDGE_2和EDGE_8接口(参见3GPPTS23.558[4]))来满足边缘服务操作的要求,例如AF(应用功能)流量影响功能、UE位置信息、具有QoS的AF会话的建立以及QoS监测能力。 然而,这些能力不足以确保和优化源自通信和计算段的E2EQoS。通过这种有限的协调 ,5G核心网络不知道由边缘数据网络提供的QoS,并且边缘数据网络不知道AN(接入网络) 或终端的网络状况,因此没有办法在两侧协调资源管理和业务调度以确保和优化E2EQoS。 为了启用MNCC并控制5G系统和边缘数据网络之间的E2EQoS，需要扩展两个系统之间的协调以支持： 5G系统，以获取边缘服务器的信息和状态，例如位置，容量，使用情况，带宽，延迟，吞吐量等；和 5G系统和/或边缘数据网络，以获取接入网和终端的信息，例如延迟，吞吐量 ，容量，覆盖区域，用户数量，可靠性等。 扩展协调可以通过增强5GC与边缘数据网络之间的接口（EDGE_7、EDGE_2和EDGE_8）、双方管理和编排系统之间的接口（例如EDGE_M）来实现，如图3-1所示。 图3-1：5G网络与边缘数据网络的协同增强 3.2.6G系统架构的思考 6GMNCC的结构如图3.2所示。在6G系统[5]中，计算执行集成在终端、网络和边缘中以执行计算任务。MNCC通过连续调度和E2E会话管理来实现。连续调度包括联合通信调度和计算任务调度。通信调度部分协调通信功能,包括功能的部署、缩放和修复等。计算任务调度部分识别对计算任务的需求,根据需求对任务进行分解和汇总,根据可用网络和计算资源的能力、容量和E2E性能,完成应用的动态部署。通信调度和计算任务调度以协调的方式工作，每个都考虑另一个的状态。例如,通信功能和应用的容量可能需要同时扩展(通过向外扩展)以支持区域中的更多用途。 图3-26GMNCC体系结构 E2E会话管理功能支持通信会话管理和计算会话管理。通信会话管理正在控制通信会话的QoS，例如5G系统中的SMF。计算会话管理负责计算会话建模、计算QoS和会话连续性