金准产业研究 计算机行业深度分析:边缘计算5G时代新风口(上)

  • 11个月前发布
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前言

随着5G时代的日益临近,实时、智能、安全、隐私这四大趋势催生了边缘计算与端智能的崛起。5G通信的超低时延与超高可靠要求,使得边缘计算成为必然选择。

据IDC预测,全球物联网终端设备安装数量有望在2019年达到256亿台,2020年将有超过500亿的终端与设备联网,边缘计算市场规模将超万亿,成为与云计算平分秋色的新兴市场。

一、边缘计算,5G时代的万亿市场

边缘计算成为物理世界与数字世界间的重要桥梁。边缘计算(Edge Computing)是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷联接、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。它可以作为联接物理和数字世界的桥梁,使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。

参考边缘计算联盟(ECC)与工业互联网联盟(AII)在2018年底发布的白皮书中对边缘计算的定义,作为连接物理世界与数字世界间的桥梁,边缘计算具有连接性、约束性、分布性、融合性和数据第一入口等基本特点与属性,并拥有显著的“CROSS”价值,即联接的海量与异构(Connection)、业务的实时性(Real-time)、数据的优化(Optimization)、应用的智能性(Smart)、安全与隐私保护(Security)。

边缘计算在技术架构上主要分为计算能力与通信单元两大部分。边缘计算的目标主要包括:实现物理世界与数字世界的协作、跨产业的生态协作,以及简化平台移植等。从边缘计算联盟(ECC)提出的模型架构来看,边缘计算主要由基础计算能力与相应的数据通信单元两大部分所构成。

边缘计算标准化与产业化的进程正快速推进。参照Gartner技术成熟度曲线,边缘计算正处于创新触发之后的上升阶段,目前已掀起了产业化的浪潮,各类产业和商业化组织正在积极发起并加速推进边缘计算的研究、标准和产业化活动。

5G低时延、高可靠通信要求,边缘计算成为必然选择。根据ITU(国际电信联盟)的愿景,5G的应用场景应划分为增强型移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC)和低时延高可靠通信(uRLLC)三类。同时,ITU在带宽、时延和覆盖范围等方面确立了5G的8项技术要求(表1)。其中,低时延高可靠通信(uRLLC)聚焦对时延极其敏感的业务,例如自动驾驶、工业控制、远程医疗(例如手术)以及云游戏(VR/AR等实时对战要求)等。在5G移动领域,移动边缘计算是ICT融合的大势所趋,是5G网络重构的重要一环。

物联网趋于泛化,为边缘计算提供更多应用场景的可能性。未来物联网应用可涵盖汽车、家居、工业等各个领域。在汽车领域,物联网与汽车网络相结合,形成解放人类双手的自动化驾驶;在家居领域,物联网使各类家居智能化,为人们生活提供便利;在工业领域,物联网广泛应用于工业控制系统中,为生产流程提高效率。随着技术的进步和人们消费水平的提高,物联网的“泛化”有望呈现进一步扩张的态势,从而产生更多的应用领域,这也为边缘计算提供了更多的场景。

金准产业研究团队预计年复合增长超30%,万亿规模市场可期。随着底层技术的进步以及应用的不断丰富,近年来全球物联网产业实现爆发式的增长。参考IDC数据,全球物联网终端设备安装数量有望在2019年达到256亿台,年复合增速高达21%。国内物联网市场的增速更高,据CEDA预测,2020年我国物联网市场规模有望达到18300亿元,年复合增速高达25%。得益于底层物联网设备的激增,参考拓墣产业研究院的预测,2018年至2022年全球边缘计算相关市场规模的年复合增长率(CAGR)将超过30%。另据IDC预测,到2020年将有超过500亿的终端与设备联网,而有50%的物联网网络将面临网络带宽的限制,40%的数据需要在网络边缘分析、处理与储存。边缘计算市场规模将超万亿,成为与云计算平分秋色的新兴市场。

二、计算能力,正在步入“边云协同”时代

2.1为什么需要边缘计算

在有了云计算的同时,为什么还需要边缘计算?

金准产业研究团队认为主要存在以下几点原因:

1)网络带宽与计算吞吐量均成为云计算的性能瓶颈:云中心具有强大的处理性能,能够处理海量的数据。但是,如何将海量的数据快速传送到云中心则成为了业内的一个难题。

网络带宽和计算吞吐量均是云计算架构的性能瓶颈,用户体验往往与响应时间成反比。

5G时代对数据的实时性提出了更高的要求,部分计算能力必须本地化。

2)物联网时代数据量激增,对数据安全提出更高的要求:不远的将来,绝大部分的电子设备都可以实现网络接入,这些电子设备会产生海量的数据。传统的云计算架构无法及时有效的处理这些海量数据,若将计算臵于边缘结点则会极大缩短响应时间、减轻网络负载。此外,部分数据并不适合上云,留在终端则可以确保私密性与安全性。

3)终端设备产生海”量“小数据”,需要实时处理:尽管终端设备大部分时间都在扮演着数据消费者的角色,但如今以智能手机和安防摄像头为例,终端设备也有了生产数据的能力,其角色发生了重大改变。终端设备产生海量“小数据”需要实时处理,云计算并不适用。

从数据流向的对比上,1)在云计算架构下,下图左侧的服务提供者提供数据并上传到云中心,需求侧的终端客户发送数据或计算类请求到云中心,云中心响应相关请求并将需求结果发送给终端客户。2)在边缘计算模式下,如智能手机、前端智能摄像头、智能汽车等边缘节点产生数据,上传到云中心,同时将实时性和安全性要求较高的计算在本地进行处理。

2.2边缘计算是不是对云计算的替代?

边缘计算是云计算的协同和补充,而并非替代关系。边缘计算与云计算各有所长,云计算擅长全局性、非实时、长周期的大数据处理与分析,能够在长周期维护、业务决策支撑等领域发挥优势。而边缘计算更适用局部性、实时、短周期数据的处理与分析,能更好地支撑本地业务的实时智能化决策与执行。因此,边缘计算与云计算之间并非替代关系,而是互补协同的关系。边缘计算与云计算需要通过紧密协同才能更好的满足各种需求场景的匹配,从而放大边缘计算和云计算的应用价值。边缘计算既靠近执行单元,更是云端所需高价值数据的采集和初步处理单元,可以更好地支撑云端应用。反之,云计算通过大数据分析优化输出的业务规则或模型可以下发到边缘侧,边缘计算基于新的业务规则或模型运行。

百度边缘计算产品BIE成为“边云协同”的典范,并进一步开源化。智能边缘BIE是百度云发布的国内首个边缘计算产品,发布伊始即推行“端云一体”解决方案,它由智能边缘本地运行包、智能边缘云端管理套件组成。在云端进行智能边缘核心设备的建立、身份制定、策略规则制定、函数编写、AI建模,然后生成配臵文件和执行文件,通过端云协同的方式下发至本地运行包,在近设备端的本地运行包里完成数据采集、消息分发、函数计算和AI推断等功能,通过一键发布和无感部署的方式,极大提高智能迭代的速度,使之整体达到“训练、管理、配臵在云端,采集、转发、计算、推断在本地”的效果。2018年12月6日,百度宣布将BIE的核心功能全面开放,同时推出国内首个开源边缘计算平台——OpenEdge,打造一个轻量、安全、可靠、可扩展性强的边缘计算社区。

2.3边云协同之下,边缘侧需求带来服务器市场巨大增量

5G时代的多元化应用催生了边缘计算的快速发展,传统的数据中心将向边缘侧延伸,边缘计算将加速ICT融合落地。目前,电信的核心业务在实时性、稳定性、管理便利性等方面都对服务器提出了更高的要求,传统的标准服务器在通信的核心业务应用场景还将会面临标准化、环境适应性、易维护性等巨大挑战。

2017年6月,中国移动与中国电信、中国联通、Intel、浪潮等公司共同发布《OITT定制服务器参考设计和行动计划书》,形成运营商行业面向电信应用的深度定制、开放标准、统一规范的服务器技术方案及原型产品。

OTII,Open Telecom IT Infrastructure,开放电信IT基础设施,是ODCC组织下发展的一个针对通讯类企业的服务器规格。相对于普通服务器,OTII服务器虽然宽度同为19英寸,但深度却仅为450mm,还不到普通机柜深度的一半,这与很多通讯行业所用到的交换机等设备规格相同。因此,这一规格的服务器将很容易部署在基站附近的设备机架上,可以实现更好的兼容性。另一方面,OTII标准还规定服务器设备必须能够在45摄氏度的环境中持续工作,并具备更好的耐腐蚀、抗潮湿特性,以提升服务器在恶劣环境中的完好率,从而降低通讯服务商对基础设施的维护成本。与通用服务器相比,边缘计算服务器面向5G和边缘计算等场景进行针对性定制,能耗更低、温度适应性更宽、运维管理更加方便。

作为5G商用的元年,国内的三大运营商无疑都在加紧部署5G基础设施,这其中就包括大量的基站设备。但由于5G本身信号频率更高,想要覆盖相同的面积,5G基站的密度必须大于传统的4G基站,而这也就意味着更大量的基础设施投入。显然,这一潜在的巨大市场需求也正是浪潮、曙光、华为等一系列设备制造商不遗余力推动OTII标准迅速落地的原因。考虑到除了数据中心之外仍旧存在庞大的边缘计算需求,单纯的整机柜定制服务器显然是无法满足通讯企业全部需求的。因此,OTII标准的诞生也就变得顺理成章。而在有了整机柜服务器的成功定制经验之后,OTII从标准确立到实际产品的出现也仅用了一年半时间;另一方面,相对于4G,5G定义了eMMB(更高数据速率)、URLLC(更低延迟和更可靠的链接)和mMTC(超大规模设备链接)等三大应用场景。而这些场景化概念的引入无一不对基站的计算性能提出了更高的要求,因此,5G基站背后的服务器产品升级也是势在必行的。

边缘计算服务器有望在2020年实现规模化应用,预计将大幅提升运营商服务器需求量。在2018世界移动大会上海期间,中国移动研究院网络与IT技术研究所技术经理、OTII项目经理唐华斌介绍了OTII首款边缘服务器参考设计方案。与通用服务器相比,这款面向边缘业务和数据中心进行针对性的定制,尺寸更小、能耗更低、温度适应性更宽、运维管理更加方便。根据计划,OTII服务器2018年将重点结合实际业务进行方案验证,并于2019年确定硬件设计方案,以支撑2020年5G业务的规模化应用,预计将大幅提升运营商服务器需求量。

浪潮已经发布首款为5G应用场景设计的OTII边缘计算服务器。2019年2月25日,世界移动通信大会MWC2019在西班牙巴塞罗那举行,浪潮发布首款基于OTII标准的边缘计算服务器NE5260M5,该产品专为5G设计,可承担物联网、MEC和NFV等5G应用场景,适合于边缘机房的物理环境。这款服务器符合服务器和电信两个领域的各类标准,针对边缘机房极端的部署环境和所承载的业务应用,在不同层面进行了大量针对性设计。这款产品机箱尺寸采用了电信设备标准,而非服务器标准,高度为2U,宽19英寸,深度为430mm,仅有传统标准服务器深度的1/2稍多,可以直接与电信设备混合部署在通信中心机架上。同时,NE5260M5针对边缘机房进行了大量的适应性设计,例如壁挂设计wallMount,可使NE5260M5直接悬挂在墙壁上而不需要机架,适合于环境简陋的边缘数据中心,在耐高温、防尘、耐腐蚀、电磁兼容、抗震等方面,这款产品的技术要求也可以满足极端环境的部署需求。

浪潮作为国内领先的云计算、大数据服务商,同时也是中国移动重要合作伙伴,依托行业经验和产品积累,在边缘计算领域具有先天优势,已经在边缘计算领域进行了全方位的布局:

1边缘计算硬件体系:面向边缘计算多元化场景需求,浪潮可提供多种类型的计算平台,包含适应大型边缘场景的一体化整机柜产品,适应电信边缘机房的OTII服务器以及适应移动场景的便携一体机。

2边缘计算云平台:依托浪潮自身的云平台能力和多年通信行业应用开发经验,支撑运营商构建边缘计算云平台,将边缘的网络能力、计算能力、数据能力开放,支撑行业应用开发。

3边缘计算网关产品:浪潮拥有基于4G架构下MEC本地分流网关产品和基于5G架构MEC下沉GW-UP的方案。

4边缘计算行业应用:边缘计算应用场景越来越广泛,正在逐渐满足各行业的多样化需求。浪潮在智慧城市、工业互联网等多个领域有所积淀,未来会在这些领域进行边缘计算探索和推进。

三、5GMEC投资近在咫尺,通信光模块市场受益最大

3.1 5G边缘计算:全球统一标准,统一市场,空间大幅提升

4G边缘设备未形成统一市场。在4G网络标准制定中,由于并没有考虑把边缘计算功能入其中,导致出现大量“非标”方案,运营商在实际部署时“异厂家设备不兼容”,网络互相割裂,运营商有在某些4G应用场景部署边缘计算功能的需求时,需要进行定制化的、特定的解决方案设计。因此,4GLTE网络部署边缘计算的成本高。同时,4GLTE竖井式架构下,网络架构不能满足低时延、高带宽、本地化等需求。

5G两大标准组织推动,全球统一标准,市场空间大幅增加。为了解决4G痛点,早在5G研究初期,MEC(多接入边缘计算,Multi-AcessEdgeComputing)与NFV和SDN一同被标准组织5GPPP认同为5G系统网络重构的一部分。2014年ETSI(欧洲电信标准协会)就成立了MECISG(边缘计算特别小组)。

2016年3GPPSA2就正式接受MEC为5G架构之关键课题。在5G第一个冻结的标准R15中,5G协议模块可以根据业务需求灵活调用,使得MEC可以按需、分场景灵活部署在无线接入云、边缘云或者汇聚云。

在2018年,3GPP的第一个5G标准R-15已经冻结。3GPPSA2在R15中定义了5G系统架构和边缘计算应用,其中核心网部分功能下沉部署到网络边缘,RAN架构也将发生较大改变。欧洲电信标准协会MECISG标准的两个阶段也在2017年底冻结。预计2020年年5G商用以后,MEC边缘云的应用将进入百花齐放、百家争鸣的开放阶段。

3.2 5G承载网架构变化,前传和中回传光模块市场空间大

光模块是5G网络物理层的基础构成单元,广泛应用于无线及传输设备,其成本在系统设备中的占比不断增高,部分设备中甚至超过50~70%,是5G低成本、广覆盖的关键要素。5G单基站下行带宽最高可达20G(200倍提升)、传输网光模块也将迈入400G时代。

回顾历史,3G~4GRAN分布式基站架构演进,带来光模块需求大增。2003年华为、爱立信、NEC、北电和西门子等联合成立CPRI(通用公共无线接口组织),分布式基站成为世界3G主流标准。分布式基站传统宏基站基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)分离,将BBU、核心网、无线网络控制设备集中在机房内,RRU和BBU之间通过光纤相连。4G时代BBU和RRU间已经普遍采用了CPRI接口,产生全新的连接需求,电信光模块需求的大幅增加。我们以上市较早(2009年)的光迅科技为例,公司受益于3G~4G的网络架构转变,收入和业绩规模实现规模大幅增长。

3.5G时代RAN的功能重构与云化,将会带来光模块市场规模大增:

5G是的最大变化是RAN的功能重构与云化:其中包括CU/DU分离,DU/AAU分离,其中CU将云化,部署在边缘数据中心中。

5G作为十年一遇的迭代升级,将是光通信行业下一个爆发机会。3GPP提出面向5G的无线接入网重构方案。5G承载网的架构在4G网络架构基础上进一步革新,5GRAN将从4G的BBU、RRU两级结构演进到CU-DU-AAU三级结构。三级之间通过光纤连接。其中DU(Distributed Unit)是分布单元,负责满足实时性需求同时具有部分底层基带协议处理功能,CU(Centralized Unit)是中央单元,具有非实时的无线高层协议功能。

3GPP的C/U分离架构演进与MEC(边缘计算)方向吻合,彻底实现网络扁平化。金准产业研究团队估计光是BBU拆分为CU-DU的两级架构,将带来电信光模块需求量数倍的增加。

CU-DU拆分:按照5G单站峰值5Gbps,均值3Gbps估算,一个综合接入点放臵15个DU,则每个DU都需要一个10G光模块。而每个接入环上则需要多达6个综合接入点,将采用100GOTN形式。

CU与核心网之间:超大带宽传输,需要N个100G光模块和Tb/s级速率Tb/s级。

5G商用牌照发放后,承载网前传和中后传投资将会逐步上量,在2019年下半年接力4G扩容。

从2G~4G,光模块技术迅速迭代,逐步向高速率发展。2000年初,2G、2.5G基站从铜缆向光纤光缆切换,光模块从1.25GSFP向2.5GSFP模块发展。2008~2009年3G基站光模块速率跃升至6G。标准组织3GPP提出新的5G接口标准eCPRI,如果采用eCPRI接口,前传接口带宽至少需要25G光模块,但前传25G和100G都会并存,以应对5G三大应用场景的需求。另外,5G光芯片也将从6G/10G升级到25G的芯片模组,光模块产业链市场规模显著变大。随着速率的提高,光模块制造工艺门口大幅提升,产品附加值将较4G有所提高,有利于具有深厚储备的光模块公司。

新易盛作为光模块行业“后起之秀”,与5G通信主流设备商中兴通讯共同成长,有望分享5G电信光模块行业的蛋糕。公司2016年IPO募资建设10G光模块生产线30条,40G/100G光模块生产线7条,2017年底已经投入生产,产能经过2018年爬坡,有望充分分享5G红利。

3.5G核心网下沉,边缘IDC建设量增加,数通光模块新增爆点

3.4.1 核心网下沉和边缘云化成为必然趋势

为了满足5G网络的灵活性和低时延、降低回传负担,核心网下沉和云化成为必然趋势。原先的4GEPC拆分成New Core和MEC两部分:New Core将云化部署在城域核心的大型云数据中心,边缘DC部署在城域汇聚或更低的位臵中小型云数据中心。核心网分拆和中小型边缘云数据中心建设。

网络架构逻辑的分拆,也将增加大量高速光模块的需求。我们估计每一级网络节点分拆都将带来接口光模块成倍的增加,其中接入机房将使用低速光口,而汇聚机房将使用10G或100G光口。

3.4.2 运营商边缘数据中心投资确定性强,静待5G商用

5G时代,运营商将会采用通用数据中心云化的组网方式,以区域、本地和边缘三层的数据中心为基础,来构建整个云化网络。同时,5G边缘计算促进采集、控制类业务将会带来运营新的2B业务增量,包括精密工控、远程医疗、车联网等。因此,MEC是5G网络投资中的关键一环,对于运营商,5GMEC的部署价值巨大:

降低占用成本,网络提效:通过对4K/8K、VR/AR等高带宽业务的本地分流,降低对核心网络及骨干传输网络的占用。

低时延、高可靠、大计算:通过内容与计算能力的下沉,有效支撑时延敏感型业务(车联网、远程控制等)以及大计算和高处理能力需求的业务(视频监控与分析等)。

运营商转型MEC是边缘云计算环境和网络能力开放平台,运营商可以构建自己的网络边缘生态,运营商实现从连接管道向信息化服务使能平台的转型。

中国联通:2025年实现100%云化部署

目前,中国联通是三大运营商中规划最明确的,中国联通提出MEC边缘云演进路标主要分四个阶段,计划在2025年实现100%云化部署:

在标准方面,中国联通主导的《MEC Platform to Enable OTT Business》国际标准项目已经成功立项,获得审核委员会全票通过。目前,中国联通已经成立了边缘云创新实验室、扩大了合作伙伴队伍(合作伙伴超过100家)、自主研发了Cube-Edge平台、启动15省市规模试点实现落地,探索MEC边缘云商业场景。

2020年5G正式商用时CUVNF、UPFVNF、MECVNF共平台且可实现异厂家部署。通信网络云化架构基本成型(边缘DC与本地DC、区域DC)。

中国移动:已开展MEC应用试点,试水两大商业模式从2014年ETSI成立MECISG开始,中国移动就积极跟踪并加入。2017年中国移动发布MEC白皮书。目前,中国移动已经在10省20多个地市现网开展多种MEC应用试点。同时中国移动要将MEC预制到5G中,为此将从标准、技术、产业等方面发力:

在产业应用方面,中国移动搭建医疗专网,部署无线CDN,网络能力开放,实现边缘智能化,用MEC让医疗发展的更好;在实验测试中部署车联网边缘云。商业模式方面,目前中国移动提供两种模式——B2B和B2B2C模式。通过边缘云平台+无线能力支撑新业务+增值业务。

中国电信:5GMEC是运营商切入工业互联网的重要技术手段

中国电信认为工业互联网是MEC的重要场景,5GMEC是运营商切入工业互联网的重要技术手段。目前,中国电信进行了一些MEC的探索,例如打造边缘计算开放平台ECOP,构建边缘云网融合的网络服务平台及应用使能环境,推进边缘业务应用创新发展。


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