邊緣計算及其資源管理技術

範文浩 博士，北京郵電大學副教授、博士生指導教授。長期致力於通訊網絡關鍵技術研究，重點在於邊緣運算 / 邊緣智慧、通感算智融合、網絡安全等領域。發表學術論文近百篇，並以第一作者身分在國內外頂尖期刊和會議（IEEE的 TMC、TWC、TII、T-ITS、TNSM、TVT、IOTJ、SCIS、INFOCOM 等）上發表論文。獲授權發明專利近 50 項。主持及主研國家自然科學基金等國家級、省會級科學研究計畫十餘項。以第一完成人身分獲2021年中國電子學會科學技術獎科技進步二等獎及2018 年廣東省優秀科技成果獎；以主要完成人身分獲2021 年吳文俊人工智能科學技術獎技術發明獎二等獎和2017 年中國電子學會科學技術獎科技進步一等獎。入選 2023 年中國傳播學會碩士學位論文激勵計畫（原優秀碩士學位論文）指導教師，第三批全國高校黃大年式教師團隊成員。

第 1 章 邊緣計算概述 1

1.1 邊緣計算的基本概念 1

1.1.1 邊緣計算的定義 1

1.1.2 邊緣計算的產生背景 2

1.1.3 邊緣計算的價值 4

1.2 邊緣計算的演進歷程 7

1.2.1 雛形階段 7

1.2.2 發展階段 9

1.2.3 應用階段 11

1.2.4 未來前景 12

1.3 邊緣計算的工作模式 13

1.3.1 雲邊端協同 13

1.3.2 衛星邊緣計算 15

1.4 邊緣計算行業與應用 16

1.4.1 邊緣計算的行業現狀 16

1.4.2 邊緣計算的行業應用 19

1.4.3 邊緣計算應用展望 27

1.5 邊緣計算與算力網絡 29

1.5.1 算力網絡的背景 29

1.5.2 算力網絡的定義與資源分配方式 31

1.5.3 算力網絡架構 32

1.5.4 算力網絡中的邊緣計算 34

1.5.5 算力網絡發展展望 35

1 目 錄

1.6 本書結構 37

參考文獻 37

第 2 章 邊緣計算網絡架構、基礎技術與服務模式 39

2.1 邊緣計算的網絡架構 39

2.1.1 部署模式 40

2.1.2 協同模式 46

2.2 邊緣節點基礎技術 51

2.2.1 邊緣設備形態 52

2.2.2 邊緣算力配置 52

2.2.3 虛擬化技術 55

2.2.4 內容緩存技術 60

2.3 邊緣通信網絡基礎技術 62

2.3.1 無線接入技術 62

2.3.2 消息服務技術 73

2.3.3 內容分發技術 78

2.4 邊緣服務模式 81

2.4.1 邊緣計算基礎設施 82

2.4.2 基礎服務平臺 83

2.4.3 場景專用方案 85

參考文獻 87

第 3 章 邊緣計算資源管理使能技術與平臺 90

3.1 邊緣計算資源管理的重要性 91

3.1.1 保證低時延與實時性 91

3.1.2 降低成本與堵塞率 92

3.1.3 保障安全性與可靠性 93

3.1.4 增強擴展性與適應性 93

3.2 無線接入管理 94

3.2.1 虛擬化無線接入網（vRAN） 95

3.2.2 集中化無線接入網（C-RAN） 96

3.2.3 開放式無線接入網（O-RAN） 99

3.3 網絡資源管理 . 104

3.3.1 軟件定義網絡（SDN） 105

3.3.2 網絡功能虛擬化（NFV） 107

3.3.3 網絡切片（NS） 108

3.4 雲邊端服務管理 112

3.4.1 雲側：以 Kubernetes 為例 112

3.4.2 邊側：以 KubeEdge 為例 117

3.4.3 端側：以 EdgeX 為例 121

參考文獻 125

第 4 章 邊緣計算資源管理的基本問題與優化方法 128

4.1 邊緣計算資源管理 128

4.1.1 邊緣計算資源管理的意義 128

4.1.2 “算網一體”資源管理發展新趨勢 129

4.2 基本問題 130

4.2.1 任務卸載 130

4.2.2 服務放置 132

4.2.3 內容緩存 135

4.2.4 內容請求 137

4.2.5 計費定價 138

4.2.6 資源分配 139

4.3 系統模型 140

4.3.1 基礎定義 141

4.3.2 任務卸載與服務放置模型 141

4.3.3 內容緩存與內容請求模型 147

4.3.4 計費定價模型 149

4.3.5 邊邊、邊雲傳輸模型 149

4.4 優化目標 150

4.4.1 任務處理時延最小化 151

4.4.2 終端能耗最小化 154

4.4.3 系統開銷最小化 155

4.4.4 系統負載均衡 156

4.5 優化算法 158

4.5.1 優化問題特徵分析 158

4.5.2 優化算法設計. 158

4.5.3 常用優化算法介紹 . 161

參考文獻 169

第 5 章 邊緣智能中的資源管理技術 172

5.1 邊緣智能概述 . 173

5.1.1 邊緣智能的定義 173

5.1.2 雲邊端架構中的人工智能 173

5.1.3 邊緣智能的應用 177

5.2 邊緣智能中的資源管理方法 178

5.2.1 模型訓練階段 178

5.2.2 模型推理階段 187

5.2.3 模型優化和部署階段 196

5.3 研究工作 200

5.3.1 關於模型訓練的研究 200

5.3.2 關於模型推理的研究 202

5.3.3 關於模型部署的研究 205

參考文獻 206

第 6 章 多無線接入網中的邊緣計算資源管理技術 209

6.1 多無線接入網中的邊緣計算 210

6.1.1 多無線接入網 210

6.1.2 多無線接入網中的邊緣計算 211

6.1.3 研究價值 212

6.1.4 技術挑戰 212

6.2 網絡架構 214

6.2.1 各接入網擁有獨立邊緣資源網絡架構 214

6.2.2 所有接入網共享邊緣資源網絡架構 215

6.2.3 僅部分接入網擁有邊緣資源網絡架構 215

6.3 系統模型 216

6.3.1 定義 216

6.3.2 多接入網通信傳輸技術 . 218

6.3.3 任務完全卸載 219

6.3.4 任務部分卸載 226

6.4 研究工作 234

6.4.1 關於任務部分卸載的研究 234

6.4.2 關於任務完全卸載的研究 237

參考文獻 240

第 7 章 車輛邊緣計算資源管理技術 242

7.1 車輛邊緣計算概述 243

7.1.1 車輛邊緣計算的定義 243

7.1.2 車輛邊緣計算的意義 245

7.1.3 車輛邊緣計算的挑戰與需求 246

7.1.4 車輛邊緣計算的特點 248

7.2 通信模式 250

7.2.1 直接通信 250

7.2.2 網絡通信 253

7.3 資源分配模式 257

7.3.1 車輛獲得資源 257

7.3.2 車輛輸出資源 259

7.4 數學模型 262

7.4.1 定義 262

7.4.2 系統模型 263

7.4.3 優化目標 272

7.5 研究工作 275

7.5.1 關於 RSU 負載均衡的研究 275

7.5.2 關於車輛計算資源反向利用的研究 277

7.5.3 關於 V2I 和 V2V 協同卸載的研究 279

參考文獻 281

第 8 章 工業物聯網中的邊緣計算資源管理技術 . 283

8.1 工業物聯網邊緣計算概述 284

8.1.1 工業物聯網的概念 284

8.1.2 工業物聯網中邊緣計算的意義 286

8.1.3 工業物聯網邊緣計算的挑戰與需求 287

5 目 錄

8.1.4 工業物聯網中邊緣計算的結構特點 288

8.2 系統模型 290

8.2.1 區塊鏈 290

8.2.2 工作流調度 302

8.2.3 數據協同緩存 305

8.2.4 數字孿生 309

8.3 研究工作 315

8.3.1 關於任務調度的研究 315

8.3.2 關於安全與隱私問題的研究 319

8.3.3 關於數字孿生的研究 321

參考文獻 323

第 9 章 衛星邊緣計算中的資源管理技術 . 326

9.1 衛星邊緣計算概述 327

9.1.1 衛星通信系統 327

9.1.2 衛星網絡中的邊緣計算 329

9.1.3 衛星網絡邊緣部署面臨的挑戰 331

9.2 衛星邊緣計算系統架構 332

9.2.1 系統方案 332

9.2.2 空天地一體化網絡 334

9.3 關鍵技術 335

9.3.1 任務卸載 335

9.3.2 邊緣緩存 339

9.3.3 衛星協同調度 343

9.3.4 衛星漫遊 348

9.4 研究工作 351

9.4.1 關於衛星網絡高度動態性的研究 351

9.4.2 關於衛星間協同處理的研究 353

9.4.3 關於衛星邊緣內容緩存的研究 355

參考文獻 356