摘要：隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的智能設(shè)備被部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)和計(jì)算需求。如何在邊緣設(shè)備上實(shí)現(xiàn)高效、可靠、安全、可擴(kuò)展的智能任務(wù)，是當(dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)和機(jī)遇。該文旨在探討智能邊緣技術(shù)與無線通信融合的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景、所面臨的挑戰(zhàn)以及未來趨勢，將我國在智能邊緣計(jì)算領(lǐng)域的最新研究成果介紹給大家，共同探索面向未來無線通信工程的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能邊緣計(jì)算；無線通信；邊緣計(jì)算；人工智能

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.035

中圖分類號：TN 92；TP 18；TP 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

The Key Technologies and Applications of the Integration of Intelligent Edge Computing and Wireless Communication

QING Jing， GAO Yuejiu

（The State Radio_monitoring_center Testing Center， Beijing 100041， China）

Abstract： With the rapid development of 5G and IoT technologies， an increasing number of smart devices are being deployed at the network edge， generating massive data and computing demands. How to achieve efficient， reliable， secure， and scalable intelligent tasks on edge devices is a significant challenge and opportunity currently faced. This article aims to explore the key technologies， application scenarios， challenges， and future trends of the integration of intelligent edge computing and wireless communication. It introduces the latest research achievements in intelligent edge computing in China， and together we explore the key technologies and innovative applications for future wireless communication engineering.

Keywords： intelligent edge computing; wireless communication; edge computing; artificial intelligence

0 引言

過去十年，無線通信的革新與人工智能的復(fù)興使人類社會發(fā)生了翻天覆地的變化。這兩股新興力量的交織碰撞，推動(dòng)著無線通信系統(tǒng)的一步步演進(jìn)，從一開始的“人聯(lián)”到“物聯(lián)”，然后邁向“萬物智聯(lián)”。邊緣計(jì)算與邊緣智能接踵而至，為“萬物智聯(lián)”提供解決方案，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致視為是實(shí)現(xiàn)下一代無線通信系統(tǒng)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

邊緣計(jì)算旨在將云計(jì)算平臺遷移到無線接入網(wǎng)的邊緣側(cè)，以就近地為終端用戶提供彈性的計(jì)算服務(wù)。而邊緣智能以邊緣計(jì)算平臺為依托，將人工智能的學(xué)習(xí)和推理能力嵌入網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而實(shí)現(xiàn)通信、計(jì)算和學(xué)習(xí)的深度融合[1]。

1 智能邊緣計(jì)算與無線通信概述

1.1 智能邊緣計(jì)算及其特點(diǎn)

邊緣計(jì)算作為一種分布式服務(wù)架構(gòu)，有效支撐了眾多不同行業(yè)的發(fā)展，受到了各行業(yè)研究人員的廣泛關(guān)注。人們認(rèn)為，邊緣計(jì)算將為未來通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)，然而，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)終端用戶數(shù)量和數(shù)據(jù)流量大幅增長。邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源有限，無法滿足高密度、高速任務(wù)的需求。而且，計(jì)算任務(wù)在邊緣的執(zhí)行容易受到惡意行為的威脅，嚴(yán)重阻礙了邊緣計(jì)算程序的大規(guī)模部署。

人工智能（AI）技術(shù)有望克服邊緣計(jì)算面臨的上述挑戰(zhàn)，從而催生一個(gè)新的研究方向，稱為智能邊緣計(jì)算技術(shù)（Intelligent Edge Computing，IEC）。智能邊緣計(jì)算技術(shù)是一種分布式計(jì)算模型，它將數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力從傳統(tǒng)的中央服務(wù)器移動(dòng)到邊緣設(shè)備或邊緣節(jié)點(diǎn)上。在這種模型中，數(shù)據(jù)不再全部發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行處理，而是在離數(shù)據(jù)源更近的地方由AI進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理、分析和決策。例如，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL）可用于邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的資源分配，監(jiān)督學(xué)習(xí)可以檢測通信網(wǎng)絡(luò)的安全威脅，分布式機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）可以協(xié)調(diào)不同邊緣網(wǎng)絡(luò)域之間的通信。IEC支持更多節(jié)點(diǎn)負(fù)載流量，提高通信速率。同時(shí)IEC更貼近用戶，數(shù)據(jù)傳輸更安全。因此，IEC可以為下一代通信網(wǎng)絡(luò)中的許多問題提供新的解決方案。

1.2 無線通信技術(shù)及其發(fā)展趨勢

無線通信技術(shù)是一種通過無線電波傳輸信息的技術(shù)，它在過去幾十年中取得了巨大的發(fā)展。從最初的模擬通信到現(xiàn)在的數(shù)字通信，無線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。目前無線通信技術(shù)正朝著更高速率、低延遲、更穩(wěn)定的方向發(fā)展。隨著5G技術(shù)的商用化推進(jìn)，將進(jìn)一步推動(dòng)無線通信技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)將逐漸融入各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，為人們的生活帶來更多便利和創(chuàng)新。

1.3 智能邊緣計(jì)算與無線通信的融合優(yōu)勢

智能邊緣計(jì)算與無線通信的融合具有以下優(yōu)勢：

（1）降低網(wǎng)絡(luò)延遲：智能邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)處理和決策推向離數(shù)據(jù)源更近的地方，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器的時(shí)間延遲。與此同時(shí)，無線通信技術(shù)（如5G）提供了更高速率和更低延遲的數(shù)據(jù)傳輸能力，進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)延遲。這對于實(shí)時(shí)應(yīng)用和對延遲敏感的場景非常重要，如遠(yuǎn)程操控、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

（2）提高系統(tǒng)可靠性：通過將計(jì)算能力移動(dòng)到邊緣設(shè)備，即使在斷網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下，仍然可以進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)處理和決策。此外，無線通信提供了多路徑傳輸和自適應(yīng)連接的能力，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可用性。

（3）節(jié)約能源消耗：智能邊緣計(jì)算技術(shù)可以在邊緣設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和過濾，只將有價(jià)值的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪茉聪摹４送?，新一代的無線通信標(biāo)準(zhǔn)（如NB-IoT、LTE-M）具有低功耗和長電池壽命的特點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低設(shè)備的能源消耗。

（4）提升數(shù)據(jù)隱私與安全：通過在邊緣設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，減少了將敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器的需求，提高了數(shù)據(jù)的隱私與安全性。同時(shí)，無線通信技術(shù)具備加密、認(rèn)證和身份驗(yàn)證等安全機(jī)制，可以保護(hù)數(shù)據(jù)的傳輸過程。

（5）實(shí)現(xiàn)智能決策與反饋回路：結(jié)合智能邊緣計(jì)算和無線通信，可以在邊緣設(shè)備上實(shí)現(xiàn)智能決策，并將結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給終端用戶或其他系統(tǒng)。這種實(shí)時(shí)的決策和反饋機(jī)制對于自動(dòng)化控制、智能交通、智能家居等應(yīng)用非常重要。

2 智能邊緣計(jì)算與無線通信融合的關(guān)

鍵技術(shù)

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

（1）高速數(shù)據(jù)傳輸：為了支持大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)應(yīng)用，需要不斷提升無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和帶寬。

（2）低延遲通信：邊緣計(jì)算要求實(shí)時(shí)響應(yīng)，因此需要將無線通信的延遲降至最低。

（3）大容量連接：隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增加，無線網(wǎng)絡(luò)需支持大規(guī)模設(shè)備連接，使得邊緣計(jì)算可以處理各種類型的數(shù)據(jù)。

2.2 邊緣計(jì)算架構(gòu)

（1）分布式計(jì)算：邊緣計(jì)算需要將計(jì)算任務(wù)分散到網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行處理，以減少數(shù)據(jù)傳輸和延遲，并提高系統(tǒng)性能。

（2）數(shù)據(jù)存儲和管理：邊緣計(jì)算需要有效管理節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理和分析，以提供及時(shí)的決策支持。

2.3 安全與隱私保護(hù)

（1）認(rèn)證與授權(quán)：確保無線通信和邊緣計(jì)算的安全性，對用戶和設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證和訪問控制。

（2）數(shù)據(jù)加密與隱私保護(hù)：采用加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的安全性，并保護(hù)用戶隱私不被泄露。

2.4 算法與人工智能

（1）邊緣智能：將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法應(yīng)用于邊緣計(jì)算，使得節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)分析和決策，減少對云端的依賴。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理和優(yōu)化：在邊緣計(jì)算環(huán)境中，需要設(shè)計(jì)高效的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、壓縮和優(yōu)化，以提高計(jì)算效率和節(jié)省能源。

2.5 資源管理與調(diào)度

（1）網(wǎng)絡(luò)資源管理：根據(jù)不同場景和需求，動(dòng)態(tài)管理和調(diào)度無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜、帶寬和功耗等資源，以實(shí)現(xiàn)高效的邊緣計(jì)算。

（2）任務(wù)卸載與遷移：根據(jù)計(jì)算任務(wù)的特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，選擇合適的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)卸載和遷移，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和優(yōu)化系統(tǒng)性能。

3 智能邊緣計(jì)算與無線通信融合的應(yīng)

用場景

（1）智能交通：通過在交通路口或交通燈上部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測交通流量、車輛狀態(tài)和行駛速度等信息，并利用無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至中心控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和決策。這樣可以實(shí)現(xiàn)智能信號燈控制、擁堵預(yù)警和優(yōu)化路線規(guī)劃，提高交通效率和減少交通擁堵。

（2）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：邊緣計(jì)算結(jié)合無線通信技術(shù)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供支持。例如，利用邊緣節(jié)點(diǎn)對工廠中的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行本地分析和處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)測維護(hù)和生產(chǎn)優(yōu)化。

（3）智能城市：智能邊緣計(jì)算與無線通信有助于構(gòu)建智能城市。通過邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的部署，可以實(shí)現(xiàn)城市設(shè)施的智能化管理，如智能照明、垃圾桶管理、環(huán)境監(jiān)測等，提升城市運(yùn)行效率和居民生活質(zhì)量。

（4）醫(yī)療保?。褐悄苓吘売?jì)算和無線通信可用于醫(yī)療保健領(lǐng)域。例如，在遠(yuǎn)程醫(yī)療中，通過邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)將患者的生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析和診斷，提供及時(shí)的醫(yī)療服務(wù)。

（5）零售業(yè)：智能邊緣計(jì)算結(jié)合無線通信技術(shù)改變了零售業(yè)。通過邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的使用，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫存管理、智能支付、個(gè)性化推薦等功能，提升購物體驗(yàn)和商店運(yùn)營效率。

這些應(yīng)用場景只是眾多智能邊緣計(jì)算技術(shù)與無線通信融合的應(yīng)用領(lǐng)域的一部分。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這種融合將在更多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，為各行各業(yè)帶來更多的機(jī)遇和改變。

4 智能邊緣計(jì)算與無線通信融合面臨的

挑戰(zhàn)

智能邊緣計(jì)算與無線通信融合雖然在各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但也面臨一些挑戰(zhàn)。

（1）安全和隱私保護(hù)：智能邊緣計(jì)算和無線通信涉及大量的數(shù)據(jù)傳輸和處理，因此面臨安全和隱私問題。網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)泄露和惡意軟件等風(fēng)險(xiǎn)可能會導(dǎo)致用戶隱私泄露和服務(wù)中斷。

（2）網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬限制：邊緣計(jì)算和無線通信需要處理海量的數(shù)據(jù)，并在實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的情況下傳輸數(shù)據(jù)。然而，無線通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量可能受限，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算需求。

（3）能源效率和續(xù)航時(shí)間：邊緣設(shè)備通常具有有限的電池壽命，需要考慮能源效率和續(xù)航時(shí)間。邊緣計(jì)算和通信任務(wù)對設(shè)備的電源消耗較高，需要平衡計(jì)算能力和能源消耗之間的關(guān)系。

（4）跨平臺和兼容性：智能邊緣計(jì)算和無線通信涉及多種設(shè)備、協(xié)議和平臺之間的交互和通信。不同廠商和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性問題可能導(dǎo)致設(shè)備無法順利地進(jìn)行邊緣計(jì)算和通信。

（5）算法和模型部署：在邊緣設(shè)備上部署復(fù)雜的算法和模型可能面臨限制，因?yàn)檫@些設(shè)備通常具有較低的計(jì)算能力和存儲容量。因此，需要針對邊緣設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和剪枝，以適應(yīng)其資源限制。

（6）管理和維護(hù)成本：部署和管理大規(guī)模的智能邊緣計(jì)算和無線通信基礎(chǔ)設(shè)施可能需要大量的人力和物力投入。設(shè)備的維護(hù)、更新和故障修復(fù)等方面的管理成本也需要考慮。

（7）法律和規(guī)范限制：智能邊緣計(jì)算和無線通信涉及的數(shù)據(jù)收集、處理和傳輸必須符合相關(guān)的法律法規(guī)和隱私保護(hù)規(guī)定。遵守這些規(guī)定可能會增加開發(fā)和應(yīng)用的復(fù)雜性和成本。

5 結(jié)束語

智能邊緣計(jì)算與無線通信的融合在未來有著廣闊的發(fā)展前景，比如，邊緣人工智能的出現(xiàn)，將使得邊緣設(shè)備具備更強(qiáng)大的計(jì)算和處理能力，從而實(shí)現(xiàn)在本地進(jìn)行AI運(yùn)算和決策，從而提高響應(yīng)速度、減少對云端的依賴，并增強(qiáng)對隱私和數(shù)據(jù)安全的保護(hù)。再比如，邊緣計(jì)算和云計(jì)算之間的協(xié)同發(fā)展將成為未來的趨勢。邊緣設(shè)備可以進(jìn)行本地計(jì)算和處理，同時(shí)與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同。這樣可以充分利用云端的資源和邊緣設(shè)備的響應(yīng)速度，提供更高效的服務(wù)?？傊悄苓吘売?jì)算與無線通信的融合將為各個(gè)行業(yè)提供更多創(chuàng)新的解決方案，并推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的拓展，智能邊緣計(jì)算與無線通信的融合將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人們的生活和工作帶來更多便利和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 任金科．無線邊緣網(wǎng)絡(luò)中通信、計(jì)算和學(xué)習(xí)的融合及優(yōu)化[D]．杭州：浙江大學(xué)，2022．