王小臣， 蔣樹國， 王 成

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 北京 100070)

移動邊緣計算(Mobile Edge Computing, MEC)可利用無線接入網(wǎng)絡(luò)就近為用戶提供IT服務(wù)和云端計算功能。MEC將傳統(tǒng)方式在核心網(wǎng)完成的大部分云端業(yè)務(wù)下沉到無線側(cè)，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸和路由等路徑，從而創(chuàng)造出了一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務(wù)環(huán)境[1]。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)于2014年成立移動邊緣計算規(guī)范工作組(MECISG)，正式宣布推動移動邊緣計算標(biāo)準(zhǔn)化。這一概念將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行了深度融合[2]。

1 移動邊緣計算在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)，配合車載終端、路側(cè)單元及智能交通設(shè)施，組成一個廣域互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了信息在車車、車路、車人及車與互聯(lián)網(wǎng)之間的傳輸，進(jìn)而提供車輛和云端數(shù)據(jù)的交互操作，為提升車輛超視距及交通參與者的感知能力提供了新的科學(xué)技術(shù)手段。

車聯(lián)網(wǎng)場景下有大量及各種類型的終端用戶，如車載終端(T-BOX)、路側(cè)單元設(shè)施以及支持V2X服務(wù)的智能手機(jī)等；同時對應(yīng)著多種多樣的服務(wù)，如緊急事件廣播等基本道路安全服務(wù)，以及一些由應(yīng)用開發(fā)商和內(nèi)容提供商提供的增值服務(wù)(如停車定位、駕駛輔助、安全預(yù)警、導(dǎo)航或其他服務(wù))等[3]。

MEC服務(wù)器可以通過靈活的部署來為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供實時的快速服務(wù)。并對那些優(yōu)先級高的緊急事件以及需要進(jìn)行大量計算的服務(wù)進(jìn)行處理，從而確保行車安全、避免交通堵塞，同時提升用戶體驗。在此方面，德國已經(jīng)研發(fā)了數(shù)字高速公路試驗臺來提供交通預(yù)警服務(wù)。該試驗臺用于在LTE環(huán)境下在同一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行車輛預(yù)警消息的發(fā)布[4]。

MEC可以將汽車云分散部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣的移動基站(或者匯聚點(diǎn))中，在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的基站中為應(yīng)用程序提供服務(wù)器，使數(shù)據(jù)的處理盡可能靠近車輛和道路傳感器，從而減少數(shù)據(jù)的往返時間[5]。MEC的服務(wù)器端可以直接從車輛和路面?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用程序中獲取本地消息，通過算法分析后識別其中需要近乎實時傳輸?shù)母唢L(fēng)險數(shù)據(jù)和敏感信息，并將預(yù)警消息直接下發(fā)至該區(qū)域的其他車輛，使得附近車輛可以在20 ms內(nèi)收到預(yù)警，駕駛員將有更多反應(yīng)時間來處理突發(fā)情況，比如躲避危險、減速行駛或改變線路等。

MEC服務(wù)器端應(yīng)用還可以快速通知在附近其他MEC服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用程序，使危險告警傳播到更廣泛的區(qū)域，便于駕駛員提前決策，降低道路擁堵的可能性。對于復(fù)雜情況，MEC服務(wù)器端應(yīng)用將把本地信息發(fā)送到所連接的汽車云上進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)籌處理，以獲取更多幫助和支援[6]。

2 MEC在V2X應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 邊緣計算的整體架構(gòu)

從2014年12月開始，ETSI MEC ISG開始致力于MEC的研究，旨在提供在多用戶環(huán)境下運(yùn)行第三方應(yīng)用的統(tǒng)一規(guī)范。目前ISG MEC (工作組)已經(jīng)公布了關(guān)于MEC的基本技術(shù)需求和參考架構(gòu)的相關(guān)規(guī)范。圖 1 是ISG MEC(工作組)定義的基本框架，該框架從一個比較宏觀的層次出發(fā)，對MEC下不同的功能實體進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)、ME(Mobile Edge)主機(jī)水平和ME系統(tǒng)水平這3個層次的劃分[7]。

圖1 MEC基本框架

其中，網(wǎng)絡(luò)水平主要包含3GPP蜂窩網(wǎng)絡(luò)、本地網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)的外部實體。該層主要表示MEC工作系統(tǒng)與局域網(wǎng)、蜂窩移動網(wǎng)或者外部網(wǎng)絡(luò)的接入情況，這些接入網(wǎng)絡(luò)都有自己固定的接入方式、網(wǎng)絡(luò)ID、業(yè)務(wù)類型以及覆蓋范圍。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，主要的接入網(wǎng)絡(luò)為4G無線網(wǎng)絡(luò)和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，本文主要從4G無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)來討論組網(wǎng)方式。在這種方式中，車聯(lián)網(wǎng)車載終端的應(yīng)用可以及時更新MEC主機(jī)水平定期廣播的、在其覆蓋下的高精度地圖，在精確計算自己的位置后，及時向MEC主機(jī)水平發(fā)送自己的準(zhǔn)確位置。

MEC主機(jī)水平包含MEC主機(jī)和相應(yīng)的ME主機(jī)水平管理實體，ME主機(jī)又可以進(jìn)一步劃分為ME平臺、ME應(yīng)用和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施。利用MEC服務(wù)器將車聯(lián)網(wǎng)云端相關(guān)功能和計算(如高精度地圖數(shù)據(jù)、區(qū)域內(nèi)用戶的精確定位、預(yù)測運(yùn)行軌跡、交通信息等)下沉到對應(yīng)的MEC主機(jī)水平。這樣就可以極大地降低骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力，同時也為用戶節(jié)省了大量傳輸和計算的時間。

最上層是MEC系統(tǒng)水平的管理實體，負(fù)責(zé)對 MEC 系統(tǒng)進(jìn)行全局掌控。將車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器置于此位置，來統(tǒng)一協(xié)調(diào)、優(yōu)化整個地區(qū)的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，提高交通效率。

在設(shè)計車聯(lián)網(wǎng)的MEC解決方案時，還必須根據(jù)實際的業(yè)務(wù)應(yīng)用和實際無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮MEC服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中的部署位置。MEC服務(wù)器可以被部署在網(wǎng)絡(luò)的多個位置，例如可以位于宏基站(eNodeB)側(cè)、無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)側(cè)、多無線接入技術(shù)(multi-RAN)蜂窩匯聚點(diǎn)側(cè)或者核心網(wǎng)邊緣。

本文介紹MEC服務(wù)器幾個主要的部署場景，并對不同部署方式的優(yōu)勢和存在問題加以簡要分析。

2.2 MEC服務(wù)器和eNodeB共站部署

為了最大限度地降低骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸開銷和傳輸時延，將MEC服務(wù)器和eNodeB共站部署是最為理想的方式，如圖2所示。

圖2 MEC服務(wù)器和eNodeB共站部署示意圖

這種部署方式可以為聯(lián)網(wǎng)的車載用戶提供類似于端到端直接通信的效果，可以處理即使高速自動駕駛情況下車輛的詳細(xì)定位，以及車載用戶之間的空間距離變化趨勢。但是這種方式在網(wǎng)絡(luò)初期部署階段需要的投資比較大，同時，目前我國城市地區(qū)的基站(eNodeB)密度較大(核心地區(qū)站間距一兩公里)，并且站址內(nèi)非常擁擠，在初期業(yè)務(wù)量不是太大時，這種網(wǎng)絡(luò)部署并不太適用。

2.3 MEC服務(wù)器部署在基站控制器后

綜合考慮使用場景和建網(wǎng)成本，建議采用將MEC服務(wù)器部署在基站控制器或者基站匯聚節(jié)點(diǎn)之后。這種方式可以在效率和成本間取得良好的平衡，根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)情況，以后也容易升級和調(diào)整。這種部署方式如圖3所示。

圖3 MEC服務(wù)器部署在基站控制器之后示意圖

由于目前網(wǎng)絡(luò)部署中，經(jīng)常遇到大型體育場館、大型商場、學(xué)校、商務(wù)區(qū)等業(yè)務(wù)流量比較密集的地區(qū)。在這些業(yè)務(wù)非常集中的地區(qū)，需要幾十個基站(或者微蜂窩)來進(jìn)行覆蓋和滿足業(yè)務(wù)量的需求，采用圖3這種組網(wǎng)是最為合理的方式。

但是，對于采取2.2和2.3這兩種在無線接入側(cè)部署MEC服務(wù)器的組網(wǎng)方式，需要升級核心網(wǎng)MME設(shè)備，使其能夠在控制層面提供計費(fèi)、鑒權(quán)和安全等相關(guān)功能模塊，這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)必須完善，才能夠大規(guī)模地部署網(wǎng)絡(luò)。這兩種方式雖然在通過解析S1接口命令來調(diào)動基站無線資源方面具有很大的優(yōu)勢，但是在針對車聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)的合法監(jiān)聽方面存在一定的困難。

2.4 MEC服務(wù)器部署在核心網(wǎng)PGW后

從節(jié)約成本、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)容易、對4G網(wǎng)絡(luò)影響很小及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)升級變動最小等方面考慮，將MEC服務(wù)器部署在核心網(wǎng)的PGW后，是最為容易實現(xiàn)的MEC方式。如圖4(PGW和MEC集成在一起)所示。采取這種方式建設(shè)MEC網(wǎng)絡(luò)，只需要核心網(wǎng)設(shè)備廠家升級自身的PGW設(shè)備，添加相應(yīng)的功能模塊，對現(xiàn)網(wǎng)影響極小，是風(fēng)險和投資最小的方式，也是最為方便的實現(xiàn)方式。

圖4 MEC服務(wù)器部署在核心網(wǎng)示意圖

但是，考慮到車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)針對實時性的要求高，同時目前4G網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器(RNC)的處理能力和覆蓋范圍都比較大，所以一般不會將車聯(lián)網(wǎng)的MEC服務(wù)器放置在4G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)(CN)側(cè)。

2.5 5G架構(gòu)下的MEC部署

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)(NST)成為了5G網(wǎng)絡(luò)的兩大主要功能特性。NFV將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實體的軟硬件進(jìn)行分離，對網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行了軟件化，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)硬件資源的共享，從而促成了網(wǎng)絡(luò)功能的快速部署及業(yè)務(wù)容量的按需靈活分配。網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)通過虛擬化技術(shù)分割為多個相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)被稱為一個網(wǎng)絡(luò)切片，每個網(wǎng)絡(luò)切片中的網(wǎng)絡(luò)功能可以在定制化的裁剪后，通過動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能編排形成一個完整的實例化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]。同時5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化和無線空口高速的吞吐量，也為邊緣計算提供了巨大的優(yōu)勢。

將車聯(lián)網(wǎng)云端相關(guān)業(yè)務(wù)(如高精度地圖數(shù)據(jù)、區(qū)域內(nèi)用戶的精確定位、預(yù)測運(yùn)行軌跡、交通信息等)下沉到5G無線接入側(cè)水平，理論上就可以支持類似自動駕駛等高層次的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。最為理想的5G網(wǎng)絡(luò)的MEC組網(wǎng)如圖5所示，MEC服務(wù)器直接和基站共址(或者和多個基站的匯聚節(jié)點(diǎn)共址)，在距離用戶最近段進(jìn)行計算和數(shù)據(jù)交換的同時，利用5G的網(wǎng)絡(luò)切片和NFV功能，業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)直接和車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[9]。

圖5 MEC在5G網(wǎng)絡(luò)部署示意圖

3 結(jié)束語

目前高速發(fā)展的MEC和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為車聯(lián)網(wǎng)提供了快速反饋、高帶寬的應(yīng)用平臺[10]。但是目前MEC和5G網(wǎng)絡(luò)在車聯(lián)網(wǎng)中的部署和應(yīng)用還沒有啟動，需要考慮在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上先行研究MEC在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)，為將來大范圍的推廣打好堅實的基礎(chǔ)。