鄭 毅

（北京華麒通信科技有限公司，北京 100080）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、AI等技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度和數(shù)量都在爆炸式增長[1]，這大大增加了對(duì)高效、低時(shí)延的通信傳輸技術(shù)的需求。邊緣計(jì)算作為一種新型的計(jì)算范式，因其能夠在靠近數(shù)據(jù)源的地方完成數(shù)據(jù)處理，從而大大減少了延遲，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，得到了廣泛的關(guān)注和研究[2]。邊緣計(jì)算不僅能夠處理離散的、由邊緣設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，還能夠快速響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求，滿足實(shí)時(shí)性的需求[3]。尤其在一些對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用中，如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造等，邊緣計(jì)算展現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，盡管邊緣計(jì)算具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如何將其與通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸，仍然是一個(gè)重要而且具有挑戰(zhàn)性的問題。因此，本文將重點(diǎn)研究基于邊緣計(jì)算的高效低時(shí)延通信傳輸技術(shù)，詳細(xì)介紹邊緣計(jì)算和通信技術(shù)的總框架，探討結(jié)合方式，以及如何通過優(yōu)化技術(shù)策略實(shí)現(xiàn)高效、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸。希望本文的研究能為邊緣計(jì)算和通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供一些有價(jià)值的思考和參考。

1 基于邊緣計(jì)算的傳輸架構(gòu)

基于邊緣計(jì)算的傳輸架構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、核心網(wǎng)EPC、移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及MEC服務(wù)器（多接入邊緣計(jì)算）組成。如圖1所示。

圖1 高效低時(shí)延通信傳輸總框架

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)負(fù)責(zé)管理和控制邊緣網(wǎng)絡(luò)，包括邊緣服務(wù)器、邊緣操作系統(tǒng)、邊緣應(yīng)用程序、邊緣云平臺(tái)和傳輸協(xié)議棧[4]。EPC是邊緣網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，它負(fù)責(zé)管理和配置邊緣網(wǎng)絡(luò)，并提供網(wǎng)絡(luò)配置、性能監(jiān)測(cè)、安全管理等功能。移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)在移動(dòng)設(shè)備和匯聚節(jié)點(diǎn)之間傳遞數(shù)據(jù)，并支持多跳、協(xié)作傳輸?shù)葌鬏敺绞健R聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集和分析邊緣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并提供給MEC服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。

MEC服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和控制邊緣云平臺(tái)和移動(dòng)設(shè)備之間的傳輸，并提供數(shù)據(jù)加密、身份驗(yàn)證等安全機(jī)制。各個(gè)基站是基于邊緣計(jì)算的傳輸架構(gòu)的重要組成部分，它們之間存在著緊密的聯(lián)系和協(xié)作關(guān)系?；局g通過傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給MEC服務(wù)器。MEC服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和控制邊緣網(wǎng)絡(luò)，包括邊緣網(wǎng)絡(luò)配置、性能監(jiān)測(cè)、安全管理等功能?；局g則通過移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)傳遞給MEC服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。

2 邊緣計(jì)算通信傳輸技術(shù)

2.1 緩存壓縮流量

在基于邊緣計(jì)算的高效低時(shí)延通信傳輸技術(shù)研究中，緩存壓縮流量是一項(xiàng)重要的任務(wù)，圖2是緩存壓縮流量流程。

圖2 緩存壓縮流量流程

在接收數(shù)據(jù)之前，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，識(shí)別和刪除冗余數(shù)據(jù)。在邊緣計(jì)算中，有限的資源需要得到合理的分配和利用。緩存管理策略對(duì)于提高邊緣節(jié)點(diǎn)的性能，尤其是在面對(duì)高負(fù)載的情況下非常關(guān)鍵。在邊緣節(jié)點(diǎn)，使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而降低傳輸?shù)臅r(shí)間和能源消耗。將處理請(qǐng)求發(fā)送后需要觀察是否命中MEC緩存，處理后向基站ENG發(fā)送請(qǐng)求。

對(duì)于不同類型的數(shù)據(jù)和服務(wù)，根據(jù)其對(duì)時(shí)延的敏感性、優(yōu)先級(jí)等因素進(jìn)行合理的調(diào)度?？梢允褂梅?wù)級(jí)別協(xié)議（SLA）來確定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)性需求高的數(shù)據(jù)應(yīng)優(yōu)先緩存和傳輸。壓縮單一流量后緩存數(shù)據(jù)，采用高效的HTTP/2通信協(xié)議可更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，降低傳輸時(shí)延?；谶吘売?jì)算的系統(tǒng)可以考慮使用新型的Intel Optane非易失性內(nèi)存作為緩存，這種內(nèi)存技術(shù)提供了相比傳統(tǒng)硬盤更高的讀寫速率，能有效降低讀寫延遲。

2.2 數(shù)據(jù)量多流合并

通過邊緣計(jì)算緩存壓縮流量后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)量的多流合并，以此來進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于多流數(shù)據(jù)，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與標(biāo)識(shí)，為每個(gè)數(shù)據(jù)流分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，以便后續(xù)進(jìn)行合并與拆分。使用流標(biāo)簽（Flow Label）技術(shù)，在數(shù)據(jù)包頭部添加一個(gè)特殊字段，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。以Min-Max線性權(quán)重映射算法為例，將多個(gè)數(shù)據(jù)流合并為一個(gè)，具體由式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，M(t)為合并后的流量，在時(shí)間t的數(shù)據(jù)點(diǎn)；為第i個(gè)流量，在時(shí)間t的數(shù)據(jù)點(diǎn)； 為第i個(gè)流量的權(quán)重，取值范圍為[0，1]，且滿足w1+w2+…+wn=1。在多流合并過程中，要設(shè)計(jì)合理的調(diào)度策略以確保服務(wù)質(zhì)量。在數(shù)據(jù)傳輸完成后，接收端需要將合并后的數(shù)據(jù)流拆分成原始數(shù)據(jù)流。這需要根據(jù)之前的數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)進(jìn)行解碼，解碼后將拆分后的數(shù)據(jù)流分發(fā)給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用或服務(wù)。在合并與拆分過程中，可能會(huì)遇到數(shù)據(jù)丟失、亂序等問題。為確保數(shù)據(jù)的完整性與正確性，需要使用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）技術(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的錯(cuò)誤，同時(shí)結(jié)合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）機(jī)制進(jìn)行錯(cuò)誤恢復(fù)，以方便高效低時(shí)延通信傳輸。

2.3 高效數(shù)據(jù)傳輸

在基于邊緣計(jì)算的高效低時(shí)延通信傳輸技術(shù)研究中，高效的數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵?；ヂ?lián)網(wǎng)中，TCP和UDP是最常用的傳輸協(xié)議。然而為了實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸技術(shù)使用HTTP/3新型協(xié)議，在設(shè)計(jì)時(shí)直接考慮減少傳輸延遲、恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)等問題，在傳輸前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮可以有效地減少數(shù)據(jù)的體積，從而減少傳輸時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，使用TCP擁塞控制機(jī)制，以防止網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包過多導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。TCP的擁塞窗口大?。╟wnd）是一個(gè)重要的參數(shù)，它決定了一個(gè)TCP連接在任何時(shí)刻在網(wǎng)絡(luò)中未被確認(rèn)的數(shù)據(jù)量。TCP Reno算法可調(diào)整cwnd，在慢啟動(dòng)和擁塞避免階段需要滿足的條件如式（2）所示：

在滿足條件后將大數(shù)據(jù)切分為較小的數(shù)據(jù)片，并嘗試并行傳輸這些數(shù)據(jù)片，以降低總的傳輸時(shí)間。如果環(huán)境允許，使用多路徑傳輸（MPTCP）技術(shù)，即通過多個(gè)路徑同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，以提高傳輸?shù)目煽啃院托?。在邊緣?jié)點(diǎn)處采用LFU緩存策略，減少對(duì)主服務(wù)器的請(qǐng)求，進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)延遲。通過上述步驟和技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)基于邊緣計(jì)算的高效低時(shí)延通信傳輸。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 測(cè)試環(huán)境及準(zhǔn)備工作介紹

為測(cè)試基于邊緣計(jì)算的通信傳輸能力，該實(shí)驗(yàn)的邊緣節(jié)點(diǎn)為NVIDIA Jetson AGX Xavier，服務(wù)器為Dell PowerEdge R740，CPU使用Intel Xeon Gold 6152，RAM為128 GB，硬盤采用1 TB SSD，網(wǎng)絡(luò)為1 000 Mbps Ethernet。邊緣計(jì)算使用OpenStack Edge Computing Platform平臺(tái)，操作系統(tǒng)為Ubuntu 18.04 LTS，數(shù)據(jù)分析工具為Wireshark, Iperf 3，負(fù)載生成工具使用Apache JMeter。在Dell服務(wù)器上安裝并配置OpenStack Edge Computing Platform。配置并啟動(dòng)NVIDIA Jetson AGX Xavier，確保其能在OpenStack平臺(tái)上正確工作。在服務(wù)器與邊緣節(jié)點(diǎn)之間建立網(wǎng)絡(luò)連接，使用Iperf 3測(cè)試并確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)帶寬，并在邊緣節(jié)點(diǎn)上部署預(yù)定的服務(wù)與應(yīng)用。使用Apache JMeter生成預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，對(duì)邊緣計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析和評(píng)價(jià)

選擇在平臺(tái)運(yùn)行1小時(shí)、2小時(shí)、4小時(shí)、8小時(shí)、16小時(shí)這5個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試的性能指標(biāo)包括平均響應(yīng)時(shí)間、TPS（Transaction Per Second）和數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

從表1可知，即使在長達(dá)16小時(shí)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間、每秒事務(wù)處理量（TPS）和數(shù)據(jù)傳輸速率都保持在較高的水平。響應(yīng)時(shí)間從20 ms微微上升到26 ms，這種增長幅度微小，說明系統(tǒng)能夠持久穩(wěn)定運(yùn)行。TPS從2 500降至2 380，傳輸速率從850 Mbps降至800 Mbps，顯示了系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行后依然保持良好的性能。即使在16小時(shí)后，系統(tǒng)每秒還能處理2 380個(gè)事務(wù)，說明基于邊緣計(jì)算的通信傳輸技術(shù)具有很高的處理能力。從數(shù)據(jù)傳輸速率來看，即使在16小時(shí)后，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率依然達(dá)到了800 Mbps。這顯示了基于邊緣計(jì)算的傳輸技術(shù)的高效性，它可以保證大量數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)快速傳輸。響應(yīng)時(shí)間作為衡量系統(tǒng)時(shí)延的重要指標(biāo)，從20 ms增長至26 ms的微小改變，表明了基于邊緣計(jì)算的通信傳輸技術(shù)的低時(shí)延特性。

綜上，這些數(shù)據(jù)顯示了基于邊緣計(jì)算的高效低時(shí)延通信傳輸技術(shù)在穩(wěn)定性、處理能力、傳輸速率和低時(shí)延等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，這也正是邊緣計(jì)算的主要優(yōu)點(diǎn)之一：能夠在離數(shù)據(jù)源更近的地方完成數(shù)據(jù)處理，從而大大減少了延遲，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，文章詳細(xì)介紹了邊緣計(jì)算環(huán)境下的高效低時(shí)延通信傳輸技術(shù)的研究趨勢(shì)，建立了總體傳輸架構(gòu)，包括緩存壓縮流量、數(shù)據(jù)量多流合并、高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以看出，基于邊緣計(jì)算的通信傳輸技術(shù)可以建立很好的傳輸橋梁，實(shí)現(xiàn)高效低時(shí)延通信。在未來，技術(shù)人員還應(yīng)該加強(qiáng)邊緣計(jì)算環(huán)境中的資源管理、多設(shè)備協(xié)作傳輸、安全機(jī)制和算法優(yōu)化等方面的研究，考慮如何將邊緣計(jì)算與5G通信技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步提高通信傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量?！?/p>