車(chē)聯(lián)網(wǎng)中移動(dòng)邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

王小臣， 蔣樹(shù)國(guó)， 王 成

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司， 北京 100070)

移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing, MEC)可利用無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)就近為用戶(hù)提供IT服務(wù)和云端計(jì)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(wú)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(gè)具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級(jí)服務(wù)環(huán)境[1]。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)于2014年成立移動(dòng)邊緣計(jì)算規(guī)范工作組(MECISG)，正式宣布推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)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(dòng)邊緣計(jì)算在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，配合車(chē)載終端、路側(cè)單元及智能交通設(shè)施，組成一個(gè)廣域互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了信息在車(chē)車(chē)、車(chē)路、車(chē)人及車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間的傳輸，進(jìn)而提供車(chē)輛和云端數(shù)據(jù)的交互操作，為提升車(chē)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(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下有大量及各種類(lèi)型的終端用戶(hù)，如車(chē)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(shí)對(duì)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(kāi)發(fā)商和內(nèi)容提供商提供的增值服務(wù)(如停車(chē)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(guò)靈活的部署來(lái)為車(chē)聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的快速服務(wù)。并對(duì)那些優(yōu)先級(jí)高的緊急事件以及需要進(jìn)行大量計(jì)算的服務(wù)進(jìn)行處理，從而確保行車(chē)安全、避免交通堵塞，同時(shí)提升用戶(hù)體驗(yàn)。在此方面，德國(guó)已經(jīng)研發(fā)了數(shù)字高速公路試驗(yàn)臺(tái)來(lái)提供交通預(yù)警服務(wù)。該試驗(yàn)臺(tái)用于在LTE環(huán)境下在同一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行車(chē)輛預(yù)警消息的發(fā)布[4]。

MEC可以將汽車(chē)云分散部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣的移動(dòng)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(chē)輛和道路傳感器，從而減少數(shù)據(jù)的往返時(shí)間[5]。MEC的服務(wù)器端可以直接從車(chē)輛和路面?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用程序中獲取本地消息，通過(guò)算法分析后識(shí)別其中需要近乎實(shí)時(shí)傳輸?shù)母唢L(fēng)險(xiǎn)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(chē)輛，使得附近車(chē)輛可以在20 ms內(nèi)收到預(yù)警，駕駛員將有更多反應(yīng)時(shí)間來(lái)處理突發(fā)情況，比如躲避危險(xiǎn)、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(xiǎn)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(duì)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(chē)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(jì)算的整體架構(gòu)

從2014年12月開(kāi)始，ETSI MEC ISG開(kāi)始致力于MEC的研究，旨在提供在多用戶(hù)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(gè)比較宏觀的層次出發(fā)，對(duì)MEC下不同的功能實(shí)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(gè)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(shí)體。該層主要表示MEC工作系統(tǒng)與局域網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)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(lèi)型以及覆蓋范圍。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，主要的接入網(wǎng)絡(luò)為4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，本文主要從4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)來(lái)討論組網(wǎng)方式。在這種方式中，車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)載終端的應(yīng)用可以及時(shí)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(jì)算自己的位置后，及時(shí)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(shí)體，ME主機(jī)又可以進(jìn)一步劃分為ME平臺(tái)、ME應(yīng)用和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施。利用MEC服務(wù)器將車(chē)聯(lián)網(wǎng)云端相關(guān)功能和計(jì)算(如高精度地圖數(shù)據(jù)、區(qū)域內(nèi)用戶(hù)的精確定位、預(yù)測(cè)運(yùn)行軌跡、交通信息等)下沉到對(duì)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(shí)也為用戶(hù)節(jié)省了大量傳輸和計(jì)算的時(shí)間。

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

在設(shè)計(jì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的MEC解決方案時(shí)，還必須根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用和實(shí)際無(wú)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(gè)位置，例如可以位于宏基站(eNodeB)側(cè)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)側(cè)、多無(wú)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(gè)主要的部署場(chǎng)景，并對(duì)不同部署方式的優(yōu)勢(shì)和存在問(wèn)題加以簡(jiǎn)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(kāi)銷(xiāo)和傳輸時(shí)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(chē)載用戶(hù)提供類(lèi)似于端到端直接通信的效果，可以處理即使高速自動(dòng)駕駛情況下車(chē)輛的詳細(xì)定位，以及車(chē)載用戶(hù)之間的空間距離變化趨勢(shì)。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(shí)，目前我國(guó)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(shí)，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(chǎng)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況，以后也容易升級(jí)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(chǎng)館、大型商場(chǎng)、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(gè)基站(或者微蜂窩)來(lái)進(jìn)行覆蓋和滿(mǎn)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(duì)于采取2.2和2.3這兩種在無(wú)線接入側(cè)部署MEC服務(wù)器的組網(wǎng)方式，需要升級(jí)核心網(wǎng)MME設(shè)備，使其能夠在控制層面提供計(jì)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(guò)解析S1接口命令來(lái)調(diào)動(dòng)基站無(wú)線資源方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是在針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)數(shù)據(jù)的合法監(jiān)聽(tīng)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(duì)4G網(wǎng)絡(luò)影響很小及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)升級(jí)變動(dòng)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(shí)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(jí)自身的PGW設(shè)備，添加相應(yīng)的功能模塊，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響極小，是風(fēng)險(xiǎn)和投資最小的方式，也是最為方便的實(shí)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(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)針對(duì)實(shí)時(shí)性的要求高，同時(shí)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(huì)將車(chē)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(shí)體的軟硬件進(jìn)行分離，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行了軟件化，實(shí)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(guò)虛擬化技術(shù)分割為多個(gè)相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)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(guò)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能編排形成一個(gè)完整的實(shí)例化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]。同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化和無(wú)線空口高速的吞吐量，也為邊緣計(jì)算提供了巨大的優(yōu)勢(shì)。

將車(chē)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(hù)的精確定位、預(yù)測(cè)運(yùn)行軌跡、交通信息等)下沉到5G無(wú)線接入側(cè)水平，理論上就可以支持類(lèi)似自動(dòng)駕駛等高層次的車(chē)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(gè)基站的匯聚節(jié)點(diǎn)共址)，在距離用戶(hù)最近段進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，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(chē)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(yǔ)

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