齊彥麗 周一青 劉 玲 田 霖 石晶林

1(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049) 2(中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究中心 北京 100190) 3 (北京市移動(dòng)計(jì)算與新型終端重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所) 北京 100080) (qiyanli@ict.ac.cn)

Fig. 1 Architecture of mobile edge computing systems圖1 MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

近年來(lái)，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2021年移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到49 EB，相比2016年增長(zhǎng)7倍，其中視頻流量占比78%.同時(shí)，新型業(yè)務(wù)層出不窮，例如增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)(augmented reality/virtual reality, AR/VR)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等低時(shí)延業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，給現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn).在現(xiàn)有架構(gòu)下，業(yè)務(wù)流量需要流經(jīng)整個(gè)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，通過(guò)基站、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等多重關(guān)鍵設(shè)備，即使無(wú)線(xiàn)側(cè)的傳輸帶寬得到提升，端到端業(yè)務(wù)仍然存在不可預(yù)知的擁塞，時(shí)延難以保證，嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)體驗(yàn).為了有效滿(mǎn)足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展所需的高回傳帶寬、低時(shí)延的要求，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(European Telecommunication Standard Institute, ETSI)于2014年提出了移動(dòng)邊緣計(jì)算(mobile edge computing， MEC).

MEC通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)側(cè)功能和應(yīng)用部署能力下沉至距離用戶(hù)設(shè)備(user equipment， UE)最近的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(radio access network， RAN)邊緣，為應(yīng)用開(kāi)發(fā)商和內(nèi)容供應(yīng)商提供云計(jì)算能力和IT服務(wù)環(huán)境，使得應(yīng)用部署更加靈活、網(wǎng)絡(luò)能力按需編排、業(yè)務(wù)處理更靠近用戶(hù)，更好地滿(mǎn)足高回傳帶寬、低時(shí)延等應(yīng)用需求.其中，對(duì)于高清、超清視頻等高帶寬業(yè)務(wù)，通過(guò)將熱點(diǎn)內(nèi)容緩存在網(wǎng)絡(luò)邊緣，可有效節(jié)約回傳帶寬資源，同時(shí)降低用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延，有效提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)；對(duì)于低時(shí)延業(yè)務(wù)，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)邊緣使得已授權(quán)的第三方能夠?yàn)橐苿?dòng)用戶(hù)、企業(yè)及垂直行業(yè)靈活、快速地部署應(yīng)用及服務(wù)，有效降低端到端時(shí)延.目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)MEC展開(kāi)了深入廣泛的研究.2015年ETSI在全球首先發(fā)起了MEC標(biāo)準(zhǔn)化工作[1]，隨后移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP也將MEC接收為5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù).5G與邊緣計(jì)算的協(xié)同發(fā)展已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí).

1 MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MEC網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，主要可分為2層：系統(tǒng)級(jí)和主機(jī)級(jí).其中系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)由MEC系統(tǒng)級(jí)管理和用戶(hù)及第三方實(shí)體組成.MEC系統(tǒng)級(jí)管理用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中已部署的MEC主機(jī)、可利用的資源、可利用的MEC服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行整體把握；載入用戶(hù)或第三方應(yīng)用程序包，包括檢查包的完整性和真實(shí)性、驗(yàn)證應(yīng)用程序的規(guī)則和需求，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)商策略；記錄載入的數(shù)據(jù)包并為應(yīng)用程序的進(jìn)一步處理準(zhǔn)備好虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器，以便其根據(jù)應(yīng)用程序處理的需求對(duì)虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行管理，如分配、管理、釋放虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化資源；基于時(shí)延、可用資源等為應(yīng)用程序選擇或重選合適的MEC主機(jī).

主機(jī)級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括MEC主機(jī)級(jí)管理和MEC主機(jī)，MEC主機(jī)級(jí)管理包括移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理器和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器，而MEC主機(jī)由移動(dòng)邊緣平臺(tái)(mobile edge platform)、移動(dòng)邊緣應(yīng)用(mobile edge application, ME app)及虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施(virtualization infrastructure)三部分組成.MEC主機(jī)級(jí)管理主要進(jìn)行移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理及虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理；移動(dòng)邊緣平臺(tái)和移動(dòng)邊緣應(yīng)用可以提供或使用彼此的服務(wù)，如移動(dòng)邊緣應(yīng)用發(fā)現(xiàn)并使用移動(dòng)邊緣平臺(tái)所提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息、UE等相關(guān)的位置信息、帶寬管理等服務(wù)，同時(shí)通知平臺(tái)自身能夠提供的服務(wù)并為UE提供服務(wù)；移動(dòng)邊緣平臺(tái)則為移動(dòng)邊緣應(yīng)用提供運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)接收來(lái)自其管理器、應(yīng)用程序或服務(wù)的業(yè)務(wù)規(guī)則并對(duì)數(shù)據(jù)平面進(jìn)行相應(yīng)指示，以便進(jìn)行業(yè)務(wù)路由；此外還接收來(lái)自其管理器的域名解析系統(tǒng)(domain name system, DNS)的記錄并配置一個(gè)DNS代理/服務(wù)器，管理移動(dòng)邊緣服務(wù)，例如應(yīng)用程序可在移動(dòng)邊緣平臺(tái)的服務(wù)列表中進(jìn)行登記，成為平臺(tái)提供的移動(dòng)邊緣服務(wù)之一.另外通過(guò)移動(dòng)邊緣平臺(tái)還可以訪(fǎng)問(wèn)永久存儲(chǔ)及時(shí)間信息.虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施是采用通用硬件，為運(yùn)行多個(gè)移動(dòng)邊緣應(yīng)用提供底層硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源和硬件虛擬化組件，使得有限處理資源能夠靈活、有效地復(fù)用共享；移動(dòng)邊緣應(yīng)用則是基于虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施形成的虛擬應(yīng)用，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口(application program interface, API)與第三方應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)接，為用戶(hù)提供服務(wù).

2 MEC的5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

目前，MEC在3GPP 5G的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展如圖2所示，標(biāo)志性的工作是3GPP SA2工作組(SA方向負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)與系統(tǒng)方面的工作)R15(3GPP移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)版本號(hào))于2016年4月份正式接受MEC成為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵議題.

Fig. 2 Standardization of MEC in 3GPP圖2 3GPP中MEC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

此外SA2工作組在R14方向主要進(jìn)行控制平面(control plane, CP)與用戶(hù)平面(user plane, UP)分離(user and control plane separation， CUPS)的5G核心網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)[3]工作，目前第3階段已凍結(jié).其中5G核心網(wǎng)會(huì)將4G核心網(wǎng)中固化的同一網(wǎng)元內(nèi)的不同功能剝離，重組成不同的模塊，不同模塊專(zhuān)注于特定功能.如圖3所示，4G核心網(wǎng)主要由移動(dòng)管理實(shí)體(mobility management entity, MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(serving gateway, S-GW)及分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(packet data network gateway, P-GW)等固化的網(wǎng)元及網(wǎng)關(guān)組成.5G核心網(wǎng)會(huì)將4G核心網(wǎng)中MME的功能分解到會(huì)話(huà)管理功能(session management function, SMF)、接入和移動(dòng)性管理功能(access and mobility management function, AMF)等；4G核心網(wǎng)S-GW及P-GW的路由功能則經(jīng)過(guò)重組，由5G核心網(wǎng)中的用戶(hù)平面功能(user plane function, UPF)執(zhí)行.同時(shí)5G核心網(wǎng)將增加網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能(network exposure function， NEF)，用于將監(jiān)控、配置、策略及收費(fèi)等網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放給第三方，以支持MEC在5G網(wǎng)絡(luò)中的部署.C/U分離的架構(gòu)支持用戶(hù)平面功能UPF及部分控制平面功能模塊，如會(huì)話(huà)管理功能SMF、策略控制功能(policy control function, PCF)、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能NEF等，隨MEC服務(wù)器進(jìn)行按需靈活部署.此外，通過(guò)增加本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)(local data network, L-DN)，在MEC實(shí)現(xiàn)內(nèi)容訪(fǎng)問(wèn).綜上所述，5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，其中應(yīng)用程序功能(application function, AF)用于提供應(yīng)用程序，可以由運(yùn)營(yíng)商或第三方管理.

Fig. 3 Evolution of mobile communication core network from 4G to 5G圖3 移動(dòng)通信核心網(wǎng)從4G到5G的演進(jìn)

與此同時(shí)，SA1工作組在AR等Smarter服務(wù)實(shí)例中研究了MEC開(kāi)發(fā)平臺(tái)需求[4].SA5工作組主要開(kāi)展了業(yè)務(wù)平臺(tái)/API架構(gòu)、MEC管理、MEC相關(guān)特性網(wǎng)絡(luò)功能管理、平臺(tái)和第三方應(yīng)用管理等研究[5].SA6工作組則研究了統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺(tái)及北向API架構(gòu)[6].

其他工作組也對(duì)MEC展開(kāi)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作.3GPP RAN3工作組負(fù)責(zé)移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)及S1(基站與移動(dòng)性管理實(shí)體之間的接口)、X2(基站之間的接口)等接口技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，2016年開(kāi)始無(wú)線(xiàn)感知與智能分發(fā)(context aware service delivery，CASD)即MEC應(yīng)用方面的研究[7]，目前處于技術(shù)可行性研究階段(study item，SI).同時(shí)RAN2工作組負(fù)責(zé)移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)第2層及第3層的工作，從2017年開(kāi)始研究視頻增強(qiáng)(enhancements on video, eVideo)[8]，目前處于具體技術(shù)規(guī)范撰寫(xiě)階段(work item, WI).

總體而言，為支持MEC，5G網(wǎng)絡(luò)需支持的功能主要包括7個(gè)方面[9]：

1) 用戶(hù)平面選擇(重選)功能.5G核心網(wǎng)應(yīng)具有選擇或者重選用戶(hù)平面功能UPF的能力，以便將用戶(hù)業(yè)務(wù)路由到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng).即5G核心網(wǎng)的接入和移動(dòng)性管理功能AMF根據(jù)各用戶(hù)平面功能UPF的部署場(chǎng)景(如集中部署、靠近或直接在接入網(wǎng)站點(diǎn)分布部署)來(lái)選擇和重選用戶(hù)平面功能UPF，以便將用戶(hù)業(yè)務(wù)路由到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)，在MEC實(shí)現(xiàn)內(nèi)容訪(fǎng)問(wèn).

2) 本地路由和業(yè)務(wù)定向功能.5G核心網(wǎng)選擇業(yè)務(wù)，將其路由給本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用程序.即當(dāng)應(yīng)用程序服務(wù)器有請(qǐng)求時(shí)，5G核心網(wǎng)觸發(fā)UE中的特定應(yīng)用，后者通過(guò)5G核心網(wǎng)的SMF、AMF及統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理(unified data management, UDM)等選擇與特定的本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)建立會(huì)話(huà)，將業(yè)務(wù)路由到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用程序，在MEC實(shí)現(xiàn)內(nèi)容訪(fǎng)問(wèn).

3) 支持會(huì)話(huà)及服務(wù)連續(xù)性，可以滿(mǎn)足UE和應(yīng)用程序的移動(dòng)性需求.

4) 應(yīng)用程序功能AF可能通過(guò)PCF或NEF來(lái)影響用戶(hù)平面功能的選擇(重選)及業(yè)務(wù)路由.即當(dāng)AF由第三方管理，運(yùn)營(yíng)商允許AF直接接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，AF可能會(huì)通過(guò)發(fā)送請(qǐng)求來(lái)影響5G核心網(wǎng)SMF對(duì)會(huì)話(huà)業(yè)務(wù)的路由決策，影響用戶(hù)平面功能的選擇(重選)進(jìn)而將業(yè)務(wù)路由到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng).當(dāng)不能直接接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，AF將通過(guò)NEF來(lái)影響UPF的選擇(重選)及業(yè)務(wù)路由.

5) 網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放功能.5G核心網(wǎng)和AF可以直接或通過(guò)NEF為彼此提供信息.即當(dāng)AF由運(yùn)營(yíng)商管理時(shí)，AF可以與5G核心網(wǎng)直接交互；當(dāng)AF由第三方管理時(shí)，AF可以通過(guò)NEF實(shí)現(xiàn)與核心網(wǎng)的交互.

6) QoS和計(jì)費(fèi)功能.定義策略控制功能PCF，為路由到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)、在MEC實(shí)現(xiàn)內(nèi)容訪(fǎng)問(wèn)的業(yè)務(wù)提供QoS(quality of service)控制和計(jì)費(fèi)規(guī)則.

7) 支持局部區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)(local area data network, LADN).5G核心網(wǎng)為連接到局部區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)LADN提供支持.其中LADN是部署在某些特殊區(qū)域，為用戶(hù)提供某些特殊的數(shù)據(jù)網(wǎng)域名(data network name， DNN)接入的數(shù)據(jù)網(wǎng).5G核心網(wǎng)的AMF為UE提供LADN的可用性信息，SMF追蹤UE是否位于LADN服務(wù)區(qū)域，進(jìn)而決策UE是否連接到局部區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng).

3 融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 MEC在網(wǎng)絡(luò)中的部署

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，MEC的部署方式主要有2種：1)將MEC功能集成到基站，通過(guò)軟件升級(jí)或增加板塊，將MEC作為基站的增強(qiáng)功能；2)將MEC作為獨(dú)立的網(wǎng)元進(jìn)行部署，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與核心網(wǎng)的協(xié)同與統(tǒng)一管理.

此外，MEC的部署位置可以根據(jù)性能、開(kāi)銷(xiāo)、已有網(wǎng)絡(luò)部署等因素，結(jié)合業(yè)務(wù)的時(shí)延需求，采取不同層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)部署策略.一種策略是MEC可部署在無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，由于其靠近基站基帶單元(baseband unit, BBU)，沒(méi)有傳輸時(shí)延，適用于時(shí)延要求高的業(yè)務(wù)及應(yīng)用，但由于覆蓋范圍小，只能提供小范圍、本地化的服務(wù)，節(jié)點(diǎn)使用效率較低.另一種策略是MEC可部署在匯聚點(diǎn)，能夠提供大范圍、較近距離的服務(wù)及云端業(yè)務(wù)支持，但由于基站BBU到MEC存在傳輸時(shí)延，適用于較低時(shí)延的業(yè)務(wù)及應(yīng)用.

值得注意的是，當(dāng)MEC部署在無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)核心網(wǎng)整個(gè)網(wǎng)元/網(wǎng)關(guān)功能需要隨MEC分布部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣[10]，這將導(dǎo)致大量的接口配置、信令交互設(shè)計(jì)等，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改動(dòng)較大.但如果核心網(wǎng)采用控制平面與用戶(hù)平面分離的架構(gòu)，則只需將部分模塊化的網(wǎng)元/網(wǎng)關(guān)功能，如接入和移動(dòng)性管理功能、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能等，與用戶(hù)平面一起部署到MEC，實(shí)現(xiàn)隨MEC按需靈活部署，使業(yè)務(wù)處理更加快速，有效降低時(shí)延；同時(shí)其他控制平面網(wǎng)元/網(wǎng)關(guān)功能仍集中部署，減輕接口配置負(fù)擔(dān).

3.2 未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中MEC的部署

未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)有所不同，因此5G中MEC的部署有其獨(dú)特性.未來(lái)5G將采用超密集小區(qū)的技術(shù)來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)容量，即將小區(qū)覆蓋半徑進(jìn)一步縮小，用更多的小區(qū)實(shí)現(xiàn)某一區(qū)域的覆蓋，以便進(jìn)一步提高頻譜利用的效率.移動(dòng)通信系統(tǒng)從1G發(fā)展到5G，一直在采用這種縮小半徑、增加小區(qū)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容技術(shù).目前為止，這種技術(shù)已經(jīng)給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了1 000倍的容量增長(zhǎng)，未來(lái)5G將繼續(xù)采用超密集小區(qū)的技術(shù)改善網(wǎng)絡(luò)容量[11-12].

傳統(tǒng)的分布式移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，即一個(gè)小區(qū)由一個(gè)基站管理且各基站基本互相獨(dú)立的架構(gòu)下，小區(qū)的密集化將給5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)眾多挑戰(zhàn).由于基站需要進(jìn)行大量的信號(hào)處理，要有復(fù)雜的硬件設(shè)備進(jìn)行支撐，需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的機(jī)房放置這些設(shè)備，并配置散熱設(shè)施對(duì)機(jī)房進(jìn)行降溫.這樣，小區(qū)密集化就帶來(lái)了難以尋求基站站址、網(wǎng)絡(luò)能耗與維護(hù)費(fèi)用直線(xiàn)上升等問(wèn)題.此外，傳統(tǒng)架構(gòu)下各小區(qū)基站物理上是互相獨(dú)立的，因此各基站的計(jì)算存儲(chǔ)資源難以共享.5G網(wǎng)絡(luò)將采用集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)解決這些問(wèn)題.與傳統(tǒng)的架構(gòu)不同，集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將所有小區(qū)基站的天線(xiàn)與信號(hào)處理設(shè)備分離，天線(xiàn)部分留在基站站址，信號(hào)處理設(shè)備集中到一個(gè)控制中心.一方面，相比整個(gè)小區(qū)基站，天線(xiàn)所需位置空間大大減少，容易尋址.另一方面，所有基站的信號(hào)處理設(shè)備集中管理，有利于降低網(wǎng)絡(luò)能耗與維護(hù)費(fèi)用，而且可以共享各基站的計(jì)算資源，帶來(lái)資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益.目前已有多種集中式移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，例如中國(guó)移動(dòng)提出的CRAN架構(gòu)[13]、IBM提出的Wireless Network Cloud架構(gòu)[14]和中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所提出的超級(jí)基站架構(gòu)[15]等.

Fig. 4 Framework for super base station圖4 超級(jí)基站基本功能框圖

圖4所示是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的超級(jí)基站功能框圖，主要由硬件資源層、資源管理層和虛擬基站層組成.其中硬件資源是硬件架構(gòu)基礎(chǔ)，包括多模基帶處理DSP池、協(xié)議處理CPU池等，支持大規(guī)模移動(dòng)通信基帶運(yùn)算與協(xié)議處理；資源管理層是邏輯功能創(chuàng)新關(guān)鍵，包括基帶處理管理和協(xié)議處理管理軟件，主要采用虛擬化技術(shù)分配、管理硬件資源，在此之上虛擬出基站功能，構(gòu)成虛擬基站層.由于超級(jí)基站采用了資源池化和虛擬化技術(shù)，通過(guò)定制不同模式的基帶和協(xié)議處理軟件即可實(shí)現(xiàn)不同模式的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硬件資源的高效復(fù)用，同時(shí)有利于網(wǎng)絡(luò)的快速升級(jí)，節(jié)約成本.此外，超級(jí)基站采用資源水平共享及集中管控的方式，能夠從全局角度對(duì)硬件資源進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度，有效提升通信、計(jì)算、存儲(chǔ)資源的利用率，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，解決潮汐效應(yīng)帶來(lái)的資源浪費(fèi)問(wèn)題.此外，由于超級(jí)基站采用物理集中、邏輯分布的組網(wǎng)方式，射頻單元與基帶處理單元實(shí)現(xiàn)解耦，有利于運(yùn)營(yíng)商根據(jù)實(shí)際需求靈活部署遠(yuǎn)端射頻單元.

對(duì)比超級(jí)基站與圖1中的MEC主機(jī)可見(jiàn)，兩者的結(jié)構(gòu)和核心功能類(lèi)似.因此，在5G 集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，架構(gòu)的中心控制單元例如超級(jí)基站，完全有能力利用其計(jì)算、存儲(chǔ)資源池，虛擬出MEC所需功能，將MEC無(wú)縫地融合到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，提供邊緣計(jì)算與存儲(chǔ)能力，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)低時(shí)延、密集計(jì)算的需求.但相比傳統(tǒng)分布式基站，超級(jí)基站由于覆蓋范圍大，其到用戶(hù)最遠(yuǎn)距離在20～40 km之間，按照光纖中傳輸速度2×108m/s計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生100 μs～200 μs的時(shí)延.因此，對(duì)于小范圍、超低時(shí)延業(yè)務(wù)及應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇將MEC部署在傳統(tǒng)分布式基站側(cè)；而其他大范圍、較低時(shí)延業(yè)務(wù)及應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇將MEC嵌入到集中式超級(jí)基站中.

綜合上述分析，如圖5所示，未來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)融合了集中式架構(gòu)和傳統(tǒng)分布式基站架構(gòu)的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又是一個(gè)能夠從移動(dòng)終端、傳統(tǒng)基站、中心控制單元、核心網(wǎng)等不同層級(jí)提供邊緣計(jì)算或者云計(jì)算功能的多級(jí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)通信與計(jì)算協(xié)同的網(wǎng)絡(luò).

Fig. 5 A MEC coordinated 5G mobile communication network architecture圖5 融合MEC的未來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)

由圖5可見(jiàn)，融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)具備多級(jí)計(jì)算與通信協(xié)同的架構(gòu)，在傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引入多級(jí)計(jì)算協(xié)同，有可能利用計(jì)算和存儲(chǔ)資源降低對(duì)通信資源的需求，提升整體網(wǎng)絡(luò)性能[16].面向通信與計(jì)算協(xié)同，融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究方面仍面臨眾多挑戰(zhàn).

基礎(chǔ)理論方面，如何獲取通信與計(jì)算融合的5G網(wǎng)絡(luò)容量是一個(gè)核心問(wèn)題.只考慮通信資源，如頻帶和發(fā)送功率，無(wú)線(xiàn)通信的容量已由香農(nóng)給出[17]；但考慮MEC等引入的計(jì)算與存儲(chǔ)資源后，給出容量與通信資源關(guān)系的香農(nóng)理論并不能直接擴(kuò)展到計(jì)算與存儲(chǔ)資源；文獻(xiàn)[18]的研究表明:對(duì)比通信資源帶來(lái)的增益呈對(duì)數(shù)關(guān)系，計(jì)算維度帶來(lái)的容量增益與計(jì)算和存儲(chǔ)維度的能力近似呈線(xiàn)性關(guān)系.因此，若能有效融合計(jì)算與通信，有望推動(dòng)未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)性發(fā)展；對(duì)此，研究人員進(jìn)行了一系列相關(guān)工作：文獻(xiàn)[19]總結(jié)了通信與計(jì)算融合的基礎(chǔ)理論研究方向，即如何定義并建模網(wǎng)絡(luò)效用容量、網(wǎng)絡(luò)效用容量與計(jì)算能力之間如何轉(zhuǎn)換以及如何利用虛擬化及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的有效分配；文獻(xiàn)[20]中研究了通信、計(jì)算、存儲(chǔ)3維資源的協(xié)同，并將計(jì)算能力用 “計(jì)算度”來(lái)衡量，表征操作中涉及的信息流的數(shù)量.但如何規(guī)范通信、計(jì)算和存儲(chǔ)資源的定義，面向未來(lái)通信與計(jì)算融合的5G網(wǎng)絡(luò)，給出一個(gè)統(tǒng)一的容量分析，仍是需要解決的一大挑戰(zhàn).

關(guān)鍵技術(shù)方面，對(duì)融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)而言，通信與計(jì)算資源的協(xié)同優(yōu)化是關(guān)注的焦點(diǎn)之一.例如，引入MEC后，5G網(wǎng)絡(luò)具備了多級(jí)計(jì)算的能力，那么對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)而言，如何在具有不同計(jì)算能力的節(jié)點(diǎn)分配其計(jì)算任務(wù)，即計(jì)算任務(wù)卸載，是需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題.與傳統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)卸載主要考慮計(jì)算資源不同，MEC協(xié)同的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)資源如帶寬和發(fā)送功率等是嚴(yán)格受限的，在設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)卸載機(jī)制時(shí)必須考慮在內(nèi)，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化.在這個(gè)方向上，文獻(xiàn)[21]以最小化時(shí)延為目標(biāo)，研究了功率約束下的單用戶(hù)計(jì)算卸載決策問(wèn)題；對(duì)于多用戶(hù)場(chǎng)景，文獻(xiàn)[22]則以最小化用戶(hù)終端功耗為目標(biāo)，研究了時(shí)延約束下傳輸功率、通信與計(jì)算資源的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題；文獻(xiàn)[23]則對(duì)卸載決策、物理頻譜資源分配、MEC計(jì)算資源分配和內(nèi)容緩存策略進(jìn)行建模及聯(lián)合優(yōu)化；文獻(xiàn)[24]將計(jì)算卸載決策問(wèn)題建模為MEC服務(wù)器的選擇問(wèn)題，提出一種多用戶(hù)多MEC服務(wù)器場(chǎng)景下計(jì)算與通信資源聯(lián)合分配模型；面向5G業(yè)務(wù)需求，文獻(xiàn)[25]則從細(xì)粒度任務(wù)卸載算法、高可靠任務(wù)卸載與預(yù)測(cè)算法以及服務(wù)器聯(lián)合資源管理策略3個(gè)方面介紹了現(xiàn)有移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)的工作進(jìn)展.另外一方面，考慮融合了MEC的集中式架構(gòu)單元(如超級(jí)基站)，可參考現(xiàn)有集中式架構(gòu)計(jì)算資源管理機(jī)制[26]，根據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不同小區(qū)內(nèi)用戶(hù)流量的不同以及對(duì)MEC需求的不同，將小區(qū)進(jìn)行分組，每組小區(qū)總流量需求或?qū)EC的總需求近似相等，再將計(jì)算資源映射到每組小區(qū)，就可以有效避免計(jì)算資源浪費(fèi)，降低總體計(jì)算資源需求，降低能耗.

此外，正如第1節(jié)介紹的，未來(lái)視頻業(yè)務(wù)將占所有移動(dòng)流量的70%以上，是最重要的一種移動(dòng)業(yè)務(wù).考慮時(shí)延不敏感的大容量流媒體業(yè)務(wù)，目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)是如何利用MEC協(xié)同的5G網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算存儲(chǔ)能力來(lái)降低無(wú)線(xiàn)接入端的擁塞.主要有2個(gè)方向:

1) 計(jì)算存儲(chǔ)多播.廣播多播是無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)谋举|(zhì)是一種高譜效和高能效的傳輸方式[27-29].計(jì)算存儲(chǔ)多播將網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算存儲(chǔ)能力與無(wú)線(xiàn)通信的廣播多播能力結(jié)合，變單播為廣播多播，保證多個(gè)用戶(hù)接收到所需內(nèi)容的同時(shí)，大幅降低對(duì)無(wú)線(xiàn)資源的需求.該方向的經(jīng)典論文是文獻(xiàn)[30]，其中提出的計(jì)算存儲(chǔ)多播機(jī)制主要思想如下.首先分別將各文件的一部分緩存到不同用戶(hù)終端，當(dāng)用戶(hù)請(qǐng)求完整文件時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將各文件剩余部分進(jìn)行異或運(yùn)算，然后通過(guò)廣播多播方式傳遞給各用戶(hù)，用戶(hù)終端利用已緩存的文件內(nèi)容與廣播多播接收內(nèi)容進(jìn)行異或運(yùn)算，就能得到想要的完整文件.該方式可有效降低通信傳輸需求，提升傳輸效率.

2) 挖掘視頻業(yè)務(wù)本身的特點(diǎn)，提出創(chuàng)新的壓縮機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)帶寬的節(jié)帶化傳輸.針對(duì)視頻中存在大量重復(fù)背景畫(huà)面的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[31]提出背景識(shí)別機(jī)制，將背景從視頻畫(huà)面中摳出，剩余的畫(huà)面用傳統(tǒng)壓縮方法壓縮后傳輸，背景部分則用語(yǔ)義描述的方式傳輸，可有效降低傳輸帶寬，節(jié)約無(wú)線(xiàn)通信資源.但目前相關(guān)機(jī)制只在背景相對(duì)固定不變視頻監(jiān)控中加以了驗(yàn)證，要應(yīng)用到一般的視頻業(yè)務(wù)中仍存在挑戰(zhàn).

5 總 結(jié)

融合MEC的未來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有望滿(mǎn)足視頻業(yè)務(wù)及新型業(yè)務(wù)帶來(lái)的高回傳帶寬、低時(shí)延需求.本文介紹了MEC框架結(jié)構(gòu)及其在5G中的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，并總結(jié)了MEC的部署方式和策略.然后結(jié)合5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展，提出了融合MEC的、通信與計(jì)算協(xié)同的未來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).最后介紹了面向通信與計(jì)算協(xié)同，融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究方面的挑戰(zhàn)和當(dāng)前的研究進(jìn)展.可以看到：目前融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)仍然面臨眾多挑戰(zhàn)，亟需進(jìn)一步的深入研究探討，推動(dòng)通信與計(jì)算協(xié)同的發(fā)展.未來(lái)，我們將針對(duì)融合MEC的5G網(wǎng)絡(luò)中通信與計(jì)算協(xié)同理論進(jìn)行研究，期望得出統(tǒng)一的容量分析；同時(shí)將開(kāi)展多級(jí)計(jì)算模型研究，以得出通信與計(jì)算資源的協(xié)同優(yōu)化解決方案.

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