5G移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化設(shè)備及算力資源分配方法研究

摘? 要：5G移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化設(shè)備采用通用服務(wù)器硬件，基于移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)以移動(dòng)邊緣應(yīng)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(dòng)邊緣計(jì)算一體化系統(tǒng)根據(jù)時(shí)延敏感性要求將移動(dòng)邊緣應(yīng)用分為敏感性應(yīng)用軟件和非敏感性應(yīng)用軟件，預(yù)先為這些移動(dòng)邊緣應(yīng)用定義性能等級(jí)及對(duì)應(yīng)的算力需求，移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化系統(tǒng)通過(guò)算力資源分配算法，平衡系統(tǒng)中部署的應(yīng)用軟件的性能。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)邊緣計(jì)算;一體化設(shè)備;敏感性應(yīng)用;算力資源分配

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)無(wú)線通信設(shè)備部署方式、成本、運(yùn)維等提出越來(lái)越多的需求。移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化設(shè)備具有設(shè)備體積小、便于攜帶、節(jié)省功耗和降低成本的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)采用一體化集中部署，可簡(jiǎn)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(wù)數(shù)據(jù)的安全性和實(shí)時(shí)性，因此在組網(wǎng)上可以采用搭建企業(yè)內(nèi)部移動(dòng)通信私網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)通信公網(wǎng)混合組網(wǎng)模式，企業(yè)安全敏感業(yè)務(wù)和時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)可以使用企業(yè)內(nèi)部移動(dòng)通信私網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，企業(yè)公有業(yè)務(wù)和企業(yè)內(nèi)部員工上網(wǎng)活動(dòng)可以通過(guò)運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)通信公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。企業(yè)內(nèi)部搭建的5G移動(dòng)通信私網(wǎng)可以包括四個(gè)通信網(wǎng)元：移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)、5G無(wú)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(yùn)維，通常采用一體化設(shè)備部署。

1? 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算

1.1? 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算端到端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1描述了部署在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化環(huán)境中的5G移動(dòng)邊緣計(jì)算端到端系統(tǒng)架構(gòu)。UPF下沉部署在5G移動(dòng)邊緣計(jì)算中，用以實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)分流;路由規(guī)則控制模塊通過(guò)Mp2接口向下沉的UPF配置分流規(guī)則。5GC通過(guò)3GPP標(biāo)準(zhǔn)化接口與5G移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC進(jìn)行交互，實(shí)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口N3進(jìn)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(dòng)邊緣應(yīng)用。

1.2? 服務(wù)器算力資源

作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器可以由多種算力類型的計(jì)算單元構(gòu)成，滿足不同場(chǎng)景的計(jì)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(wù)器算力資源包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等，計(jì)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(yùn)算次數(shù)。存儲(chǔ)資源包括內(nèi)存資源和硬盤資源;網(wǎng)絡(luò)資源指的是服務(wù)器的網(wǎng)口資源。為了充分利用算力資源，保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，需要統(tǒng)一對(duì)算力資源進(jìn)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(dòng)邊緣計(jì)算一體化設(shè)備

2.1? 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化系統(tǒng)架構(gòu)

圖2是5G移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化系統(tǒng)架構(gòu)，采用微服務(wù)架構(gòu)模式，5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件、5G網(wǎng)絡(luò)管理軟件等以移動(dòng)邊緣應(yīng)用的形式集中部署在MEC服務(wù)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(jiǎn)化了原有N2接口和N3接口協(xié)議棧處理。

2.2? 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)比圖，通過(guò)增加N2接口適配器、N3接口適配器來(lái)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(duì)硬件資源消耗，降低控制面和用戶面處理和傳輸時(shí)延，提高業(yè)務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量。

在上行方向通信時(shí)，5G基站L3處理器通過(guò)“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(duì)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(biāo)識(shí)符和5G基站識(shí)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(duì)應(yīng)的AMF內(nèi)部定義的消息類型;根據(jù)5G基站用戶標(biāo)識(shí)符查表{5G基站用戶標(biāo)識(shí)符，AMF用戶標(biāo)識(shí)符}獲取對(duì)應(yīng)的AMF用戶標(biāo)識(shí)符;根據(jù)5G基站識(shí)別符查表{5G基站識(shí)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(gòu)建上行NAS適配消息，并通過(guò)“內(nèi)部接口_2”向AMF側(cè)NAS處理器發(fā)送適配后的上行NAS適配消息。下行通信時(shí)，N2接口適配器采用類似的處理方式。

5G基站L2處理器通過(guò)“內(nèi)部接口_3”發(fā)送上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)消息，“內(nèi)部接口_3”可以時(shí)消息隊(duì)列、socket套接字等通信方式。N3接口適配器接收上行業(yè)務(wù)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(duì)應(yīng)的UPF消息類型，構(gòu)建上行N3適配消息并通過(guò)“內(nèi)部接口_4”發(fā)送給UPF側(cè)N6處理器。下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理同上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

3? 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算算力分配方案

移動(dòng)邊緣計(jì)算管理平臺(tái)軟件、移動(dòng)邊緣應(yīng)用軟件、5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件和5G網(wǎng)絡(luò)管理軟件是移動(dòng)邊緣計(jì)算一體化設(shè)備中部署的軟件系統(tǒng)，這些軟件可以根據(jù)時(shí)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(lái)保證某一等級(jí)的性能需求，需要獨(dú)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(duì)應(yīng)的算力分配方案如下：

步驟1：預(yù)先配置不同性能等級(jí)時(shí)，各類敏感性軟件和非敏感性軟件對(duì)應(yīng)的算力需求信息。

步驟2：按照性能等級(jí)由高到低進(jìn)行遍歷，當(dāng)性能等級(jí)i大于等于1時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的敏感性軟件總的算力需求：

其中，S_SW_CPtotal（i）表示預(yù)設(shè)性能等級(jí)i對(duì)應(yīng)的敏感性軟件總算力需求;BBU_CPmax（i）表示預(yù)設(shè)性能等級(jí)為i時(shí)，5G基站軟件最高算力需求;5GC_CPmax（i）表示預(yù)設(shè)性能等級(jí)為i時(shí)，5G核心網(wǎng)軟件對(duì)應(yīng)的最高算力需求;APP_CPmax，j（i）表示預(yù)設(shè)性能等級(jí)為i時(shí)，第j個(gè)應(yīng)用軟件對(duì)應(yīng)的最高算力需求，j=（1，2，…，X）表示敏感性軟件的編號(hào)。

當(dāng)性能等級(jí)i小于1時(shí)，轉(zhuǎn)到步驟8。

步驟3：計(jì)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(yù)設(shè)性能等級(jí)為i時(shí)，移動(dòng)邊緣計(jì)算管理平臺(tái)對(duì)應(yīng)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(yù)設(shè)性能等級(jí)為i時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)應(yīng)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(yù)設(shè)性能等級(jí)為i時(shí)，第j個(gè)應(yīng)用軟件對(duì)應(yīng)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(hào)。

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(jì)算非敏感性軟件總的算力需求：

其中，NS_SW_CPtotal（i）表示預(yù)設(shè)性能等級(jí)i對(duì)應(yīng)的非敏感性軟件總算力需求。

步驟5：計(jì)算所有軟件系統(tǒng)總的算力需求：

其中，SW_CPtotal（i）表示預(yù)設(shè)性能等級(jí)i對(duì)應(yīng)的軟件總算力需求;OS_CPrequired表示一體化設(shè)備對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)相關(guān)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(jí)為i，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到步驟1。

步驟7：根據(jù)選定的性能等級(jí)i，輸出對(duì)應(yīng)的算力資源配置建議。

步驟8：當(dāng)性能等級(jí)小于1時(shí)，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(jí)對(duì)應(yīng)的算力需求，建議刪除部分低優(yōu)先級(jí)應(yīng)用”。

4? ?結(jié)? 論

本文重點(diǎn)研究5G端到端一體化設(shè)備及算力資源分配方案，通過(guò)在統(tǒng)一的服務(wù)器設(shè)備上集中部署移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)、5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件以及5G網(wǎng)絡(luò)管理軟件，形成5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)端到端的一體化設(shè)備;此外5G端到端一體化軟件系統(tǒng)通過(guò)增加N2、N3接口適配器來(lái)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(fù)雜度。一體化設(shè)備便于攜帶易于部署，并且節(jié)省部署空間節(jié)約設(shè)備成本，普遍用于中小企事業(yè)單位的覆蓋。

針對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)軟件、5G基站軟件、5G核心網(wǎng)軟件以及5G網(wǎng)絡(luò)管理軟件，定義了通用服務(wù)器上這些軟件不同性能等級(jí)的算力需求;當(dāng)部署第三方應(yīng)用時(shí)，需要提供第三方應(yīng)用的性能等級(jí)及算力需求，由邊緣計(jì)算平臺(tái)綜合計(jì)算得出各軟件系統(tǒng)算力分配結(jié)果以及給出各軟件系統(tǒng)算力資源的配置建議;基于移動(dòng)邊緣計(jì)算可視化界面進(jìn)行交互操作，提高了系統(tǒng)的靈活性。

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作者簡(jiǎn)介：張靜茹（1981.07—），女，漢族，安徽界首人，高級(jí)主任協(xié)議軟件工程師，中級(jí)通信技術(shù)工程師，碩士研究生，研究方向：無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)軟件等。