摘? 要：5G移動邊緣計算一體化設備采用通用服務器硬件，基于移動邊緣計算平臺以移動邊緣應用形式集中部署5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件以及5G網(wǎng)管軟件。移動邊緣計算一體化系統(tǒng)根據(jù)時延敏感性要求將移動邊緣應用分為敏感性應用軟件和非敏感性應用軟件，預先為這些移動邊緣應用定義性能等級及對應的算力需求，移動邊緣計算一體化系統(tǒng)通過算力資源分配算法，平衡系統(tǒng)中部署的應用軟件的性能。

關鍵詞：移動邊緣計算;一體化設備;敏感性應用;算力資源分配

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0054-03

Abstract： 5G mobile edge computing integrated equipment is equipped with general server hardware. Based on the mobile edge computing platform， 5G base station software， 5G core network software and 5G network management software are centrally deployed in the form of mobile edge applications. According to the time delay sensitivity requirements， the mobile edge computing integration system divides the mobile edge applications into sensitive application software and non sensitive application software. The performance level and corresponding computing power requirements are defined for these mobile edge applications in advance. The mobile edge computing integration system balances the performance of the application software deployed in the system through the computing power resource allocation algorithm.

Keywords： moving edge computing; integrated equipment; sensitive application; computing power resource allocation

0? 引? 言

隨著5G在各個行業(yè)和領域的應用，對無線通信設備部署方式、成本、運維等提出越來越多的需求。移動邊緣計算一體化設備具有設備體積小、便于攜帶、節(jié)省功耗和降低成本的優(yōu)勢。系統(tǒng)采用一體化集中部署，可簡化5G基站軟件和5G核心網(wǎng)軟件之間的N2接口和N3接口，方法是采用N2接口適配器和N3接口適配器分別替換原有N2接口和N3接口的接口協(xié)議棧。比如企業(yè)園區(qū)部署，需要保障企業(yè)敏感業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性和實時性，因此在組網(wǎng)上可以采用搭建企業(yè)內(nèi)部移動通信私網(wǎng)和運營商移動通信公網(wǎng)混合組網(wǎng)模式，企業(yè)安全敏感業(yè)務和時延敏感性業(yè)務可以使用企業(yè)內(nèi)部移動通信私網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，企業(yè)公有業(yè)務和企業(yè)內(nèi)部員工上網(wǎng)活動可以通過運營商移動通信公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。企業(yè)內(nèi)部搭建的5G移動通信私網(wǎng)可以包括四個通信網(wǎng)元：移動邊緣計算平臺、5G無線基站、5G核心網(wǎng)和5G網(wǎng)管系統(tǒng)，為了方便企業(yè)部署、節(jié)約成本及后續(xù)運維，通常采用一體化設備部署。

1? 5G移動邊緣計算

1.1? 5G移動邊緣計算端到端系統(tǒng)結構

圖1描述了部署在網(wǎng)絡功能虛擬化環(huán)境中的5G移動邊緣計算端到端系統(tǒng)架構。UPF下沉部署在5G移動邊緣計算中，用以實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)分流;路由規(guī)則控制模塊通過Mp2接口向下沉的UPF配置分流規(guī)則。5GC通過3GPP標準化接口與5G移動邊緣計算MEC進行交互，實現(xiàn)控制面和用戶面流程。MEC中下沉的UPF與5G基站之間通過標準接口N3進行用戶面交互，下沉的UPF可將用戶面數(shù)據(jù)分流到部署在MEC上的移動邊緣應用。

1.2? 服務器算力資源

作為計算節(jié)點的服務器可以由多種算力類型的計算單元構成，滿足不同場景的計算需求。多種算力類型包括CPU、GPU、AI芯片、FPGA等，而CPU算力類型又分為X86、ARM類型等。

服務器算力資源包括計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源等，計算資源包含不同種類的處理器，如CPU、GPU等，其算力往往是指處理器每秒運算次數(shù)。存儲資源包括內(nèi)存資源和硬盤資源;網(wǎng)絡資源指的是服務器的網(wǎng)口資源。為了充分利用算力資源，保證用戶的服務質(zhì)量，需要統(tǒng)一對算力資源進行分配和調(diào)度，本文研究了一種算力資源的分配方式。

2? 5G移動邊緣計算一體化設備

2.1? 5G移動邊緣計算一體化系統(tǒng)架構

圖2是5G移動邊緣計算一體化系統(tǒng)架構，采用微服務架構模式，5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件、5G網(wǎng)絡管理軟件等以移動邊緣應用的形式集中部署在MEC服務器上。N2接口適配器代替5G基站軟件和5G核心網(wǎng)軟件原有的N2接口協(xié)議棧軟件，N3接口適配器代替5G基站軟件和5G核心網(wǎng)軟件原有的N3接口協(xié)議棧軟件，簡化了原有N2接口和N3接口協(xié)議棧處理。

2.2? 5G移動邊緣計算一體化系統(tǒng)設計

圖3和圖4分別是5G基站和5G核心網(wǎng)之間N2接口和N3接口適配前后對比圖，通過增加N2接口適配器、N3接口適配器來分別代替原有N2接口和N3接口協(xié)議棧處理軟件，減少軟件系統(tǒng)對硬件資源消耗，降低控制面和用戶面處理和傳輸時延，提高業(yè)務體驗質(zhì)量。

在上行方向通信時，5G基站L3處理器通過“內(nèi)部接口_1”發(fā)送上行信令消息，“內(nèi)部接口_1”可以采用消息隊列或socket套接字等通信方式。N2接口適配器接收5G基站L3處理器發(fā)送的上行信令消息，并獲取內(nèi)部定義的5G基站消息類型、5G基站用戶標識符和5G基站識別符信息等。根據(jù)消息類型查表{5G基站消息類型，AMF消息類型}獲取對應的AMF內(nèi)部定義的消息類型;根據(jù)5G基站用戶標識符查表{5G基站用戶標識符，AMF用戶標識符}獲取對應的AMF用戶標識符;根據(jù)5G基站識別符查表{5G基站識別符，AMF配置信息}獲取接入的AMF信息;根據(jù)查表獲取到的上述信息構建上行NAS適配消息，并通過“內(nèi)部接口_2”向AMF側NAS處理器發(fā)送適配后的上行NAS適配消息。下行通信時，N2接口適配器采用類似的處理方式。

5G基站L2處理器通過“內(nèi)部接口_3”發(fā)送上行業(yè)務數(shù)據(jù)消息，“內(nèi)部接口_3”可以時消息隊列、socket套接字等通信方式。N3接口適配器接收上行業(yè)務數(shù)據(jù)消息并獲取5G基站消息類型，查表{5G基站消息類型，UPF消息類型}獲取對應的UPF消息類型，構建上行N3適配消息并通過“內(nèi)部接口_4”發(fā)送給UPF側N6處理器。下行業(yè)務數(shù)據(jù)處理同上行業(yè)務數(shù)據(jù)處理過程。

3? 5G移動邊緣計算算力分配方案

移動邊緣計算管理平臺軟件、移動邊緣應用軟件、5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件和5G網(wǎng)絡管理軟件是移動邊緣計算一體化設備中部署的軟件系統(tǒng)，這些軟件可以根據(jù)時延要求分為敏感性軟件和非敏感性軟件。敏感性軟件需要充足的硬件資源來保證某一等級的性能需求，需要獨享算力資源;非敏感性軟件需要保證其最小算力資源需求，可以與其他非敏感性軟件共享算力資源。對應的算力分配方案如下：

步驟1：預先配置不同性能等級時，各類敏感性軟件和非敏感性軟件對應的算力需求信息。

步驟2：按照性能等級由高到低進行遍歷，當性能等級i大于等于1時，計算對應的敏感性軟件總的算力需求：

其中，S_SW_CPtotal（i）表示預設性能等級i對應的敏感性軟件總算力需求;BBU_CPmax（i）表示預設性能等級為i時，5G基站軟件最高算力需求;5GC_CPmax（i）表示預設性能等級為i時，5G核心網(wǎng)軟件對應的最高算力需求;APP_CPmax，j（i）表示預設性能等級為i時，第j個應用軟件對應的最高算力需求，j=（1，2，…，X）表示敏感性軟件的編號。

當性能等級i小于1時，轉到步驟8。

步驟3：計算非敏感性軟件共享的算力需求：

其中，MEC-_CPshare（i）、MEC_CPmax（i）和MEC_CPmin（i）分別表示預設性能等級為i時，移動邊緣計算管理平臺對應的共享算力需求、最大算力需求和最小算力需求;HMS-_CPshare（i）、HMS-_CPmax（i）和HMS-_CPmin（i）分別表示預設性能等級為i時，5G網(wǎng)絡管理軟件對應的共享算力需求、最大算力需求和最小算力需求;APP--_CPmax，j（i）、APP---_CPmin，j（i）和APP---_CPmin，j（i）分別表示預設性能等級為i時，第j個應用軟件對應的共享算力需求、最大算力需求和最小算力需求;其中，j=（X+1，…，Y）表示非敏感性軟件的編號。

非敏感性軟件的共享算力需求為非敏感性軟件的共享算力需求的最大值，公式為：

步驟4：計算非敏感性軟件總的算力需求：

其中，NS_SW_CPtotal（i）表示預設性能等級i對應的非敏感性軟件總算力需求。

步驟5：計算所有軟件系統(tǒng)總的算力需求：

其中，SW_CPtotal（i）表示預設性能等級i對應的軟件總算力需求;OS_CPrequired表示一體化設備對應的操作系統(tǒng)相關底層軟件的算力需求。

步驟6：如果軟件系統(tǒng)總的算力需求小于硬件支持的算力需求，則確定一體化系統(tǒng)的性能等級為i，轉到步驟7;如果軟件系統(tǒng)總的算力需求大于等于硬件支持的算力需求，則i=i-1，轉到步驟1。

步驟7：根據(jù)選定的性能等級i，輸出對應的算力資源配置建議。

步驟8：當性能等級小于1時，算力分配失敗，給出失敗原因“硬件支持的算力不能滿足最低性能等級對應的算力需求，建議刪除部分低優(yōu)先級應用”。

4? ?結? 論

本文重點研究5G端到端一體化設備及算力資源分配方案，通過在統(tǒng)一的服務器設備上集中部署移動邊緣計算平臺、5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件以及5G網(wǎng)絡管理軟件，形成5G移動通信網(wǎng)絡端到端的一體化設備;此外5G端到端一體化軟件系統(tǒng)通過增加N2、N3接口適配器來代替原有N2、N3接口協(xié)議棧的處理方式，降低N2接口和N3接口的處理復雜度。一體化設備便于攜帶易于部署，并且節(jié)省部署空間節(jié)約設備成本，普遍用于中小企事業(yè)單位的覆蓋。

針對移動邊緣計算平臺軟件、5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件以及5G網(wǎng)絡管理軟件，定義了通用服務器上這些軟件不同性能等級的算力需求;當部署第三方應用時，需要提供第三方應用的性能等級及算力需求，由邊緣計算平臺綜合計算得出各軟件系統(tǒng)算力分配結果以及給出各軟件系統(tǒng)算力資源的配置建議;基于移動邊緣計算可視化界面進行交互操作，提高了系統(tǒng)的靈活性。

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作者簡介：張靜茹（1981.07—），女，漢族，安徽界首人，高級主任協(xié)議軟件工程師，中級通信技術工程師，碩士研究生，研究方向：無線通信、計算機軟件等。