继续深挖应用需求无线云网络加速助力边缘计算

中国移动研究院|任容玮 孙奇 刘景磊 段然 李刚

未来，中国移动将继续深度挖掘边缘应用的需求，为边缘计算的落地构筑坚实的基础。

目前关于边缘计算的研究不仅在各大开源社区中相继展开了专项课题研究，也成为各大技术讨论会的热门话题。利用独有的边缘计算能力，运营商不仅可以提升用户的业务感知，更可以获得新的商业契机。本文从无线云网络及CU/DU架构的角度，分析无线云网络与边缘计算的关系，并进一步给读者展现中国移动在该领域的最新工作进展，最后展望未来MEC研发策略和思路，希望给行业伙伴以新的启发。

无线云网络与边缘计算

无线云化是指基于CU/DU两级协议栈架构，通过引入网络功能虚拟化技术得到无线网按需部署能力。CU/DU两级架构是将原有的BBU无线协议栈以处理内容的实时性进行切分，CU主要包括非实时的无线高层协议栈功能，可运行在NFV云平台之上。CU可分为控制面和用户面功能，实现云化后，用户面处理功能可根据边缘业务需求灵活位置共部署，而控制面对无线空口的实时感知和控制能力也将进一步助力MEC应用。

一方面，作为一片区域内的基站控制节点，CU对无线空口的实时感知、预测和控制能力可助力MEC业务优化。在移动网络环境下，为了满足VR/AR、视频、游戏等一些对时延、带宽有高要求的业务体验，无线网络侧和应用服务侧需要进行跨层交互，实现业务和网络的协同的双向优化。

首先，CU侧可实时预测空口传输质量状态，并通知应用服务，应用服务可以根据空口传输质量及时调整传输层或应用层，如进行TCP窗口优化或业务速率调整以使得传输和业务精确适配空口传输状态，提升业务体验。其次，CU可以进一步感知业务特征来对空口网络进行定制化精细化的调整，以提供差异化、极致化的用户业务体验。目前基站从核心网MME获取QCI业务分类是比较粗的，难以针对同一类型业务的不同用户提供差异化的QoS能力。基于CU云平台，可以通过深度包检测实现对业务更精细化的识别，并基于海量网络数据对业务特征进行学习和QoE建模。基于业务特征学习及QoE建模，可以进行实时QoE根因分析，进一步指导无线空口网络的优化调整。例如可以适配业务特征和优先级，在无线资源管理算法和调度算法上给予不同策略。

另一方面，与业务和网络功能（CU、UPF等）共部署的边缘云平台提供了移动边缘存储和分布式计算能力。云化共平台设计可助力多场景的MEC应用，实现高效的本地业务分流并向第三方提供高价值数据服务。例如在本地业务分流应用上，可以在边缘云平台上部署无线缓存保障业务并结合计算能力，降低端到端时延，为工业互联网、车联网等垂直行业应用提供低时延、高可靠的性能保障。将AR/VR服务器部署在边缘云平台，可节省大量的图像数据的传输时延，并且可以根据自身地域化的特点动态更新服务器端的内容、增强体验。同时利用强大的计算能力，在云端进行图像渲染，降低终端成本、提升续航时间。鉴于边缘云平台的部署特点，其基础设施应具有高处理能效、高网络数据吞吐量、上层软件与基础设施完全解耦部署等特点。

技术积累与产业推进

在无线领域，为促进MEC技术方案的完善，中国移动在无线与业务跨层优化方案研究、虚拟化共享平台优化、通用硬件加速器等方面开展了研究工作，并取得了长足的进步。

在无线网能力开放的方案研究和验证方面，中国移动在2017年5月完成了面向TCP协议跨层优化的现网实测验证工作。通过现网实测数据流程的分析，TCP协议基于拥塞控制的发包机制不能及时反映空口变化，导致无法充分利用无线带宽，从而降低用户体验。跨层优化方案是将基站提供实时估算的空口可用速率和基站侧缓存大小的测量值随同业务信令上报给业务发送端，业务发送端基于基站反馈的空口能力调整TCP发包速率，从而实现业务速率自动化地匹配空口带宽。这一方案在杭州4G现网进行了单站点的业务试点验证，实测TCP吞吐率相较于传统方案可提升30%～45%，增益明显与理论预期完全匹配。这仅是跨层优化的一个简单案例。在CU/DU架构基础上，预期利用CU与上层业务共部署后的数据低延迟交互特性，可引入更多的跨层优化解决方案。

在边缘云平台的优化和验证工作方面，考虑边缘应用大吞吐量的本地数据分流和低时延的业务特性，需要边缘云平台具备强大的数据交互能力。中国移动主导产业合作伙伴通过几年的技术积累和社区开源代码的研发工作，优化了NFVI底层的数据交互能力，并在2017年底发起了NFVI平台网络能力的测试。测试涵盖了包括业界主流通信设备制造商、IT厂商在内的8家供应商NFV基础设施平台环境，是一次对业内主流虚拟化平台能力的综合评估。考虑无线网侧重大数据吞吐的特性，测试设计上重点对网络加速性能进行了评估，涉及SR-IOV和OVS-DPDK模式下的网络转发性能、最大虚机数量、流表数量对转发性能影响关系以及大转发压力下的系统稳定性等四个方面。网络性能评估结果表明，目前业内主流NFVI平台的单虚机数据吞吐量接近线速、平均抖动小于2us、转发时延小于50us。在多虚拟机多流测试场景中，3000条数据流配置下性能稳定，吞吐量同样能够接近系统线速，并且时延性能未受影响；在24小时加噪测试中，转发性能表现良好，系统性能损失控制在5%以内。

在硬件研究方面，相较于中心数据中心，边缘应用场景更需要引入针对业务卸载硬加速的硬件解决方案，从而增强系统的处理效率、降低能耗。在综合考虑MEC业务和共部署网络功能的需求基础之上，选择合适的通用硬件加速器组成异构计算云平台就成了必然选择。例如面向VR/AR、人工智能的应用场景，可引入GPU处理器；而在数据加解密、组拆包应用场景下，可引入FPGA/ASIC加速器；在大吞吐量网络应用场景下，则需要引入智能网卡支持包转发能力的卸载和加速。这就要求边缘兼容多种加速器类型及异厂家的加速器设备，并对加速器进行统一的调用与管理。中国移动联合众多产业伙伴在OPNFV社区立项研发解决方案，实现硬件加速器的统一接口设计。通过这一方案，上层业务可以屏蔽加速器的类型与厂商差异，用统一的接口调用底层的加速器资源。目前研究的原型系统已具备了基本功能的演示能力，而相关代码研发成果将进一步回溯到OpenStack、Linux等相关社区。

未来工作展望

为进一步推进无线网云化和MEC的融合研究，2018年中国移动联合AT&T、DT、NTT docomo、Orange五家运营商联合发起ORAN项目，旨在打造“开放”与“智能”的高灵活、低成本无线网络。其中一个重要的研究内容就是进一步在CU能力开放的基础上更好地支撑MEC业务的应用。通过在无线云化的基础架构上引入大数据和人工智能技术，网络可以更加准确地感知和预测业务需求，通过面向业务的网络状态上报接口和业务向下的网络能力需求接口的标准化，从而实现网络与上层业务的紧密协作。愿景是将无线CU演进为更加智能、更加迎合业务需求的边缘业务支撑平台，从而打造面向上层应用业务的无线网PaaS平台。

再者，支撑边缘计算的整体方案研究已经在规划中。面向未来的网络架构演进MEC方案必将融合核心网功能设计、无线网能力开放方案、NFV基础设施研发等多个方向的技术方案。目前，中国移动正在尝试构建基于边缘云平台的MEC端到端方案验证平台，验证MEC、边缘云、管理编排、5G与MEC协同、无线能力开放、策略和计费等可运营、可管理方案，从而为MEC在5G时代真正广泛商用做好准备。这一试验平台方案接近真实的MEC运行环境，将移动通信的各个功能模块打通，使端到端整体的管道拉通，MEC才可能从孤岛式的独立应用变为5G时代真正具有快速上线、快速复制和广泛商用部署的完备方案。