［莫鴻彬 李猛］

1 引言

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）的發(fā)展，無線通信設(shè)備和無線數(shù)據(jù)流量已呈幾何式增長。據(jù)思科預(yù)測，到2023年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將達(dá)到293億臺，到2025年全球數(shù)據(jù)流量將達(dá)到163ZB。尤其是近幾年，隨著各種計(jì)算密集型和時(shí)延敏感型應(yīng)用的出現(xiàn)，如多媒體視頻流服務(wù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）、智能交通等，提供低時(shí)延、超可靠、高魯棒性的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)中的云計(jì)算由于較長的服務(wù)時(shí)延和嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，難以滿足終端設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和服務(wù)體驗(yàn)（QoE）需求。為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）的概念已經(jīng)被提出以解決上述問題[1-2]。移動(dòng)邊緣計(jì)算，旨在將具有計(jì)算能力的服務(wù)器下沉到距離終端設(shè)備較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，如基站側(cè)、接入機(jī)房、匯聚機(jī)房等，以達(dá)到降低時(shí)延、提升效率、節(jié)省功耗等目標(biāo)，從而改善用戶的服務(wù)體驗(yàn)。但是，MEC的部署也對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，對于城市租金較高的熱點(diǎn)區(qū)域，如商業(yè)區(qū)或人口稠密的地區(qū)，MEC的部署成本昂貴。另一方面，對于農(nóng)村、山區(qū)、海上等邊遠(yuǎn)地區(qū)以及易受自然災(zāi)害影響的地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，難以提供無處不在的邊緣卸載服務(wù)。最近，在無人機(jī)（UAV）機(jī)群網(wǎng)絡(luò)上搭載MEC服務(wù)器，即無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)被提出并有望解決上述問題。

2 無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

無人機(jī)是一種無人駕駛的飛機(jī)，它的飛行通常由操作員遠(yuǎn)程控制或者由機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自主控制。由于低成本、高移動(dòng)性、按需部署等優(yōu)勢，無人機(jī)在無線通信系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用潛力。一方面，無人機(jī)可以作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的飛行移動(dòng)終端。另一方面，無人機(jī)可以作為空中基站來提高無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。在無人機(jī)空中基站上搭載MEC服務(wù)器，能夠作為地面邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，提供無處不在的邊緣計(jì)算服務(wù)。相比傳統(tǒng)地面邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢。

（1）無人機(jī)能夠被靈活部署，即使是在山區(qū)、海洋和復(fù)雜的地形，也可以提供無時(shí)無刻的移動(dòng)便于計(jì)算服務(wù)。

（2）無人機(jī)能夠以較大概率與地面用戶建立空地視距鏈路，改善通信鏈路質(zhì)量，提高計(jì)算性能。

（3）相比地面通信，無人機(jī)提供了額外的空間自由度，即軌跡優(yōu)化。通過聯(lián)合通信資源和軌跡優(yōu)化，有望進(jìn)一步提高無人機(jī)的用戶計(jì)算性能。

無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，已逐漸受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。文獻(xiàn)[3]首次提出了一種空地融合的MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中無人機(jī)被靈活的部署以協(xié)助地面網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算和存儲。文獻(xiàn)[4]總結(jié)了基于3GPP-LTE的6種公共安全（PS）服務(wù)，并提出了一種無人機(jī)支持的災(zāi)后恢復(fù)邊緣計(jì)算結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于無人機(jī)移動(dòng)邊緣計(jì)算的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。以上工作只關(guān)注無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)邊緣計(jì)算的基本結(jié)合，或只對特定的技術(shù)進(jìn)行了研究，但缺少對總體架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，也沒有詳細(xì)闡述任務(wù)卸載的基本過程。

因此，本文擬對無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)展開研究分析，針對典型的應(yīng)用，如具有較高計(jì)算需求的城市熱點(diǎn)區(qū)域，研究了任務(wù)協(xié)作卸載的基本過程。最后，總結(jié)了無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)和一些開放性問題。

3 融合MEC的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)如圖1所示，主要由地面網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)集群2個(gè)部分組成。每個(gè)無人機(jī)上搭載MEC服務(wù)器，能夠?yàn)榈孛娼K端提供多層次、異構(gòu)的計(jì)算資源，特別針對地面網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大或地面通信設(shè)施遭到破壞的場景，無人機(jī)憑借其低成本、靈活部署的優(yōu)勢能夠快速響應(yīng)地面終端的計(jì)算響應(yīng)，提升用戶體驗(yàn)，緩解地面網(wǎng)絡(luò)壓力。此外，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）部署到無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離。通過一個(gè)SDN控制器實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)集群的同一控制，可以有效實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群軌跡的全局優(yōu)化、計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)分配等，提高無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和伸縮性。

圖1 無人機(jī)輔助的移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

3.1 主要功能

3.1.1 計(jì)算卸載

地面終端的計(jì)算能力往往較弱，難以滿足自身計(jì)算的需求。針對城市密集地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)難以承載用戶海量的計(jì)算需求，搭載MEC服務(wù)器的無人機(jī)能夠?yàn)榈孛嬗脩籼峁┯?jì)算能力。地面用戶為獲得較好的用戶體驗(yàn)，如高速率、低時(shí)延，可以選擇付費(fèi)模式向無人機(jī)請求計(jì)算服務(wù)。搭載MEC的服務(wù)器積極響應(yīng)地面用戶的計(jì)算請求，并在自身的MEC平臺進(jìn)行計(jì)算或者轉(zhuǎn)發(fā)到相鄰的搭載MEC的無人機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果下發(fā)到地面用戶。此外，相比卸載到地面基站的邊緣服務(wù)器，搭載MEC服務(wù)器的無人機(jī)可以提供更加靈活的部署，計(jì)算資源更接近地面用戶，為計(jì)算密集型的業(yè)務(wù)提供更加高效的服務(wù)保障。

3.1.2 內(nèi)容緩存

為解決多媒體數(shù)據(jù)的增長給無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的回程鏈路帶來的壓力，利用邊緣緩存技術(shù)可以在無人機(jī)的MEC服務(wù)器上緩存一些相關(guān)內(nèi)容，如視頻流媒體文件，地面用戶的請求內(nèi)容可以從無人機(jī)本地緩存中提供，從而避免在帶寬有限的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)回程鏈路上轉(zhuǎn)發(fā)用戶請求。當(dāng)?shù)孛嬗脩粽埱髢?nèi)容時(shí)，無人機(jī)首先比較自身的緩存內(nèi)容是否命中用戶的內(nèi)容請求，如果內(nèi)容請求命中，無人機(jī)直接將請求內(nèi)容下發(fā)給地面用戶。

然而，由于無人機(jī)體積、能耗，本地緩存大小、回程容量等資源的限制，將所有的內(nèi)容緩存到無人機(jī)上的邊緣服務(wù)器是不現(xiàn)實(shí)的。因此，需要以某種方式對內(nèi)容進(jìn)行排序，以確定在資源有限條件下的緩存優(yōu)先級。當(dāng)前，最大內(nèi)容流行度（MPC）策略和最大內(nèi)容多樣性（LCD）策略是邊緣緩存中兩種常用的文件放置策略，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)多樣性的增益。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

移動(dòng)邊緣計(jì)算可以為無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是高度動(dòng)態(tài)變化的，空地信道狀態(tài)信息、用戶調(diào)度和通信資源等受無人機(jī)位置和軌跡的影響，給網(wǎng)絡(luò)的資源管理帶來了挑戰(zhàn)。無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可以利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及時(shí)接收無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的整體信息并及時(shí)反饋，提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)管理業(yè)務(wù)，從而有效提高無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的整體利用效率。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

為支持動(dòng)態(tài)、異構(gòu)及多樣性的無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，亟需一種新的網(wǎng)絡(luò)范式，為在時(shí)間和空間上高度動(dòng)態(tài)變化的用戶需求提供定制化服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）已被證明是管理未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的兩種有前途的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)元素靈活地、動(dòng)態(tài)地配置，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和降低成本提供了可能。在此基礎(chǔ)上，高效的用戶接入方式和最優(yōu)的資源分配方案有望進(jìn)一步釋放網(wǎng)絡(luò)性能，降低無人機(jī)服務(wù)成本，同時(shí)提高用戶服務(wù)體驗(yàn)。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）通過軟件技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)功能從專用硬件遷移到運(yùn)行在商用硬件上的虛擬機(jī)（VM），促進(jìn)虛擬功能網(wǎng)元（VNF）與硬件完全解耦，完成資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)靈活性和可擴(kuò)展性，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本，提升資源利用效率[5]。傳統(tǒng)的地面邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)使用靜態(tài)NFV技術(shù)，允許單個(gè)邊緣服務(wù)器通過創(chuàng)建多個(gè)虛擬機(jī)為多個(gè)移動(dòng)設(shè)備提供計(jì)算服務(wù)，以同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)或操作不同的網(wǎng)絡(luò)功能[6]。然而，在無人機(jī)支持的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，所有的無人機(jī)都處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在這種情況下，無人機(jī)搭載的MEC服務(wù)器是不斷變化的，利用靜態(tài)NFV來統(tǒng)一無人機(jī)上的MEC服務(wù)器是具有挑戰(zhàn)性的。

借鑒文獻(xiàn)[7]中的動(dòng)態(tài)衛(wèi)星邊緣計(jì)算虛擬化思想，我們提出使用動(dòng)態(tài)NFV技術(shù)來整合無人機(jī)邊緣計(jì)算資源，如圖2所示。動(dòng)態(tài)虛擬化系統(tǒng)主要包含以下3層：虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能層和協(xié)調(diào)器層。考慮到無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，在無人機(jī)編排器中添加了一個(gè)動(dòng)態(tài)資源監(jiān)視器。通過動(dòng)態(tài)監(jiān)視器，能夠時(shí)刻捕捉VNF的連接狀態(tài)。另一方面，當(dāng)監(jiān)視到?jīng)]有可用資源滿足用戶請求服務(wù)時(shí)，監(jiān)視器能夠?qū)⒋诵畔l(fā)送給MEC服務(wù)器以調(diào)整其資源分配策略。

圖2 無人機(jī)支持的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)NFV架構(gòu)

3.2.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）

為增強(qiáng)多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可擴(kuò)展性和信息交付能力，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）已經(jīng)被提出并成功應(yīng)用到地面骨干網(wǎng)絡(luò)，它通過將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，實(shí)現(xiàn)了完全的網(wǎng)絡(luò)可自主編程性。SDN網(wǎng)絡(luò)通常采用集中式的架構(gòu)，SDN控制器部署在控制中心，通過動(dòng)態(tài)配置數(shù)據(jù)平面路由，感知全局網(wǎng)絡(luò)狀況，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。然而，對于在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)拓?fù)涔潭ǖ牡孛婢W(wǎng)絡(luò)，SDN架構(gòu)通常采用地面基站作為控制器單元，可能帶來可伸縮性和覆蓋范圍的限制。

無人機(jī)自主飛行通常遵循預(yù)先編程的飛行軌跡或通過更復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。為改善用戶服務(wù)體驗(yàn)，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)通常相互協(xié)作形成一個(gè)無人機(jī)集群，為地面終端設(shè)備提供聯(lián)合計(jì)算服務(wù)[8]。因此，必須定義一種智能無人機(jī)間協(xié)調(diào)協(xié)議來控制多架無人機(jī)的行為，避免無人機(jī)之間的碰撞，同時(shí)使無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的效益最大化。

鑒于此，本文提出將控制器實(shí)體移到空中無人機(jī)機(jī)群，有助于形成更加靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SDN在無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的部署邏輯如圖3所示?；A(chǔ)設(shè)施層的通信、存儲和計(jì)算資源能夠通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化形成無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源池，為無人機(jī)SDN集中控制器提供全局資源視圖。在控制層，SDN控制器位于無人機(jī)集群中的一架中心無人機(jī)上，負(fù)責(zé)全局控制功能。SDN使用南向接口與物理資源進(jìn)行通信，使用北向接口實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理功能，如無人機(jī)軌跡優(yōu)化、避免沖突和其他服務(wù)。

圖3 無人機(jī)支持的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中SDN架構(gòu)

3.2.3 多接入技術(shù)

無人機(jī)同時(shí)服務(wù)多個(gè)地面用戶，需要考慮多用戶接入技術(shù)，避免用戶間干擾沖突。典型的多址接入技術(shù)分為正交多址接入技術(shù)（OMA）和非正交多址接入技術(shù)（NOMA）。文獻(xiàn)[9]和[10]分別研究了在正交頻率多址接入（OFDMA）和TDMA（時(shí)分多址接入）下，無人機(jī)支持的移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的卸載策略和飛行軌跡優(yōu)化。在非正交多址接入中，多個(gè)用戶可以使用相同的時(shí)頻資源與無人機(jī)上的MEC服務(wù)器進(jìn)行上行計(jì)算任務(wù)卸載，同時(shí)無人機(jī)在下行發(fā)送計(jì)算結(jié)果。特別的，文獻(xiàn)[10]表明，NOMA能夠提供比OMA更高的計(jì)算性能增益。

3.2.4 資源分配技術(shù)

相比地面網(wǎng)絡(luò)，無人機(jī)的高度移動(dòng)性帶來了飛行軌跡這一額外自由度。同時(shí)，無人機(jī)受限于機(jī)身尺寸和電池容量，其飛行功軌跡需要被靈活的設(shè)計(jì)以降低自身的功率消耗。因此，無人機(jī)的飛行軌跡、通信資源和計(jì)算資源需要進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化以尋求計(jì)算性能提升和運(yùn)營成本的折衷。其中，飛行資源包括飛行軌跡、飛行速度和飛行加速度，通信資源包括通信帶寬、卸載功率、卸載時(shí)間等，計(jì)算資源包括CPU頻率和計(jì)算時(shí)間。在無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，資源分配的目標(biāo)主要包括以下。

（1）計(jì)算比特最大化

此目標(biāo)旨在最大化地面用戶卸載到無人機(jī)的數(shù)據(jù)比特，它可以直接反映UAV支持的MEC網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算性能。當(dāng)?shù)孛娼K端設(shè)備需要執(zhí)行巨大的計(jì)算任務(wù)時(shí)，可以考慮最大化計(jì)算比特。計(jì)算比特又可以分為卸載比特和計(jì)算處理比特，其中卸載比特為地面終端向無人機(jī)卸載的計(jì)算量，計(jì)算處理比特根據(jù)其卸載方式又可以分為本地處理任務(wù)量和無人機(jī)卸載處理任務(wù)量。

（2）能量消耗最小化

此目標(biāo)旨在最小化無人機(jī)支持的MEC網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗，主要包括以下三部分。一是來自地面終端自身計(jì)算產(chǎn)生的能量，該能量與地面設(shè)備自身CPU頻率和計(jì)算時(shí)間相關(guān)；二是來自地面終端卸載到無人機(jī)產(chǎn)生的傳輸能量消耗，該能量與終端設(shè)備的發(fā)送功率和發(fā)送時(shí)間相關(guān)；三是無人機(jī)消耗的能量，包括卸載任務(wù)計(jì)算消耗的能量和無人機(jī)自身飛行消耗的推動(dòng)能量。

（3）計(jì)算效率最大化

此目標(biāo)旨在尋求以上兩個(gè)目標(biāo)的平衡，具體來說，計(jì)算效率最大化的目標(biāo)是使每焦耳能量的計(jì)算比特?cái)?shù)最大化。不同于地面基站處安裝邊緣服務(wù)器，無人機(jī)機(jī)載電池有限，需要考慮無人機(jī)的自身功耗問題，在滿足地面用戶服務(wù)質(zhì)量和自身功率限制的約束下，最大化計(jì)算效率。

（4）完成時(shí)間最小化

此目標(biāo)旨在滿足用戶較低時(shí)延的需求，從而提高用戶服務(wù)體驗(yàn)。在部分卸載模式下，完成時(shí)間定義為本地計(jì)算時(shí)間和卸載時(shí)間兩者中較大的值;在二進(jìn)制計(jì)算模式下，完成時(shí)間定義為局部計(jì)算時(shí)間和卸載時(shí)間之和。

3.3 典型應(yīng)用場景

3.3.1 偵察/監(jiān)測

配備傳感設(shè)備和通信設(shè)備的無人機(jī)可以作為空中傳感器網(wǎng)絡(luò)，在用戶密度低、缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域收集數(shù)據(jù)。位于這些區(qū)域的地面感知節(jié)點(diǎn)可以選擇連接到附近的UAV，以獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常需要快速發(fā)送和處理收集到的數(shù)據(jù)，以便生成準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息。在未部署MEC的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)需要將收集到的圖像、視頻等信息返回到地面的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，這將導(dǎo)致偵察、監(jiān)測等服務(wù)的傳輸時(shí)延大、傳輸能耗高。因此，考慮到移動(dòng)邊緣計(jì)算范式，使用多個(gè)搭載MEC服務(wù)器的無人機(jī)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和處理單元，收集的圖像、視頻等數(shù)據(jù)可以直接在無人機(jī)上的MEC平臺上處理，而無需傳輸?shù)降孛孢h(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心。

3.3.2 城市熱點(diǎn)地區(qū)流量卸載

第五代移動(dòng)通信有望帶來AR、VR等沉浸式體驗(yàn)，這些應(yīng)用往往需要高帶寬通信來承載語音、視頻等數(shù)據(jù)的傳輸，給城市熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。無人機(jī)支持的邊緣計(jì)算有望解決城市熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可伸縮性。例如，在城市音樂演唱會(huì)上，大量的觀眾需要實(shí)時(shí)上傳、解碼、共享視頻數(shù)據(jù)或從云中心下載視頻數(shù)據(jù)，無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可以靈活地部署在城市上空，提供付費(fèi)計(jì)算服務(wù)和內(nèi)容緩存服務(wù)，有效緩解地面網(wǎng)絡(luò)回程鏈路擁塞問題。

3.3.3 應(yīng)急保障通信

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有低成本、靈活部署等特性，且不受地理環(huán)境和自然災(zāi)害等影響，十分適合作為應(yīng)急保障通信網(wǎng)絡(luò)。特別是在地震等自然災(zāi)害導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)中斷情況下，通過快速部署無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以較短時(shí)間內(nèi)打通通信鏈路，為搶險(xiǎn)救災(zāi)構(gòu)建高效可靠的指揮調(diào)度及信息傳輸通道。此外，在災(zāi)后救援場景中，人臉識別等應(yīng)用在搜索和救援行動(dòng)中起到了關(guān)鍵的作用，但這些應(yīng)用有著較高的時(shí)延要求。搭載MEC服務(wù)器的無人機(jī)能夠降低這些應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間。憑借MEC平臺強(qiáng)大的計(jì)算能力，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Φ孛嫔蟼鞯娜四様?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，并及時(shí)響應(yīng)。

4 典型的協(xié)作任務(wù)處理流程

在基于無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了一個(gè)三層協(xié)作計(jì)算卸載方案。如圖4所示，地面終端的計(jì)算任務(wù)有以下3種計(jì)算方式：在終端本地計(jì)算、卸載到無人機(jī)上計(jì)算、卸載到地面云中心計(jì)算，具體流程如圖5所示。

圖4 三層協(xié)作計(jì)算卸載架構(gòu)

（1）當(dāng)?shù)孛娼K端產(chǎn)生計(jì)算任務(wù)時(shí)，終端首先判斷自身計(jì)算能力能否滿足計(jì)算要求，如果滿足則在本地執(zhí)行；如果終端計(jì)算能力不足，則選擇將計(jì)算任務(wù)卸載到距離其位置最近的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的MEC平臺；

（2）被選擇卸載的無人機(jī)首先判斷自身MEC平臺的計(jì)算能力能否滿足卸載的計(jì)算需求，如果滿足則在該無人機(jī)MEC平臺上執(zhí)行，并將計(jì)算結(jié)果返回地面終端；

圖5 計(jì)算任務(wù)協(xié)作卸載流程

（3）如果被卸載的無人機(jī)MEC平臺的計(jì)算資源不能滿足地面終端卸載任務(wù)需求，該無人機(jī)選擇通知網(wǎng)絡(luò)控制中心，SDN控制器根據(jù)無人機(jī)的位置分布和計(jì)算能力分布，選擇多個(gè)當(dāng)前空閑的無人機(jī)合作執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，并將計(jì)算結(jié)果返回地面終端；

（4）如果當(dāng)前多個(gè)空閑無人機(jī)的協(xié)作計(jì)算能力不能滿足計(jì)算任務(wù)的需求，或者當(dāng)前沒有空閑可用的無人機(jī)，SDN控制器選擇將剩余的計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面數(shù)據(jù)中心計(jì)算處理，并將地面數(shù)據(jù)中心的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給地面終端。

5 挑戰(zhàn)及開放性問題

無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)是作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)范式，在增強(qiáng)連接和提高用戶服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量方面的具有巨大潛力?，F(xiàn)階段，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)仍處于理論研究階段，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的商業(yè)化仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)以及一些開放性的問題。

5.1 資源分配問題

不同于地面邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，飛行的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)需要聯(lián)合考慮計(jì)算資源分配技術(shù)、多架無人機(jī)之間的協(xié)作、無人機(jī)的軌跡優(yōu)化。無人機(jī)的飛行雖然帶來了軌跡這一額外的自由度，但也給資源分配帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有研究在設(shè)計(jì)無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的資源分配時(shí)，將無人機(jī)的軌跡作為優(yōu)化變量考慮進(jìn)去，但也增加了問題的求解難度，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)算法的復(fù)雜度。因此，有必要尋找一種新的算法，在不損害網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，降低算法的復(fù)雜度。

5.2 移動(dòng)性管理問題

移動(dòng)性管理是無人機(jī)邊緣計(jì)算的另一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)?shù)孛娼K端設(shè)備從一個(gè)無人機(jī)MEC平臺移動(dòng)到另一個(gè)無人機(jī)MEC平臺時(shí)，如何保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性是一個(gè)關(guān)鍵問題。服務(wù)遷移是一種有效的解決方案。但是地面用戶設(shè)備移動(dòng)是不規(guī)律的，其運(yùn)動(dòng)軌跡很難預(yù)測。因此，在服務(wù)遷移期間，原始MEC平臺如何確定一個(gè)最優(yōu)的時(shí)間將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)發(fā)送到新平臺是一個(gè)需要解決的問題。

5.3 多用戶接入問題

在越來越多的新型應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，未來的無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)面臨著大量用戶訪問帶來的巨大挑戰(zhàn)。大量的用戶接入會(huì)帶來連接質(zhì)量和有限的計(jì)算資源分配問題，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)智能的調(diào)度算法以滿足多用戶的隨時(shí)接入計(jì)算服務(wù)是一個(gè)需要關(guān)注的問題。機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)有效的工具，有望解決多用戶接入帶來的干擾碰撞問題。

5.4 信令開銷問題

無人機(jī)集群的龐大信令開銷給無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施帶來了挑戰(zhàn)。一方面，SDN控制器位于無人機(jī)集群的中心無人機(jī)上，各無人機(jī)的軌跡動(dòng)態(tài)變化，SDN需及時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)全局狀態(tài)，從而帶來龐大的信令開銷。另一方面，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的接入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、計(jì)算和緩存等帶來的信令，進(jìn)一步給脆弱的無線鏈路增加了負(fù)擔(dān)。因此，有必要研究新型協(xié)議以適應(yīng)性地管理通信信令過大問題。

5.5 無人機(jī)能量消耗問題

由于無人機(jī)機(jī)身尺寸和電池容量的限制，現(xiàn)有無人機(jī)的飛行時(shí)間約30多分鐘到2個(gè)小時(shí)，這給地面用戶的持續(xù)性服務(wù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，有必要研究新興電池和充電技術(shù)以滿足服務(wù)供應(yīng)的需求。同時(shí)，需持續(xù)提高無人機(jī)的有效載荷，以滿足搭載通信設(shè)備質(zhì)量的要求。此外，一個(gè)高效的無人機(jī)飛行軌跡有望節(jié)省無人機(jī)的飛行功耗，進(jìn)而達(dá)到延長服務(wù)時(shí)間的目的。

6 結(jié)束語

在無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中引入邊緣計(jì)算技術(shù)能夠降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高用戶服務(wù)體驗(yàn)，因此引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文從系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、典型應(yīng)用場景等方面，深入研究分析了無人機(jī)輔助的移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。基于提出的無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們給出了典型的協(xié)作任務(wù)處理流程，并總結(jié)了現(xiàn)階段無人機(jī)支持的移動(dòng)邊緣計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)以及開放性問題，期望對未來無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的理論性研究和商業(yè)化部署提供可借鑒的參考。