车联网中移动边缘计算的网络架构

2020-04-25王小臣蒋树国

客车技术与研究 2020年2期

王小臣，蒋树国，王成

(中国汽车技术研究中心有限公司，北京 100070)

移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)可利用无线接入网络就近为用户提供IT服务和云端计算功能。MEC将传统方式在核心网完成的大部分云端业务下沉到无线侧，减少了网络传输和路由等路径，从而创造出了一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境[1]。

欧洲电信标准协会(ETSI)于2014年成立移动边缘计算规范工作组(MECISG)，正式宣布推动移动边缘计算标准化。这一概念将传统电信蜂窝网络与互联网业务进行了深度融合[2]。

1 移动边缘计算在车联网中的应用

车联网技术是基于移动通信网络，配合车载终端、路侧单元及智能交通设施，组成一个广域互联互通的网络。车联网实现了信息在车车、车路、车人及车与互联网之间的传输，进而提供车辆和云端数据的交互操作，为提升车辆超视距及交通参与者的感知能力提供了新的科学技术手段。

车联网场景下有大量及各种类型的终端用户，如车载终端(T-BOX)、路侧单元设施以及支持V2X服务的智能手机等；同时对应着多种多样的服务，如紧急事件广播等基本道路安全服务，以及一些由应用开发商和内容提供商提供的增值服务(如停车定位、驾驶辅助、安全预警、导航或其他服务)等[3]。

MEC服务器可以通过灵活的部署来为车联网用户提供实时的快速服务。并对那些优先级高的紧急事件以及需要进行大量计算的服务进行处理，从而确保行车安全、避免交通堵塞，同时提升用户体验。在此方面，德国已经研发了数字高速公路试验台来提供交通预警服务。该试验台用于在LTE环境下在同一区域内进行车辆预警消息的发布[4]。

MEC可以将汽车云分散部署到网络边缘的移动基站(或者汇聚点)中，在靠近网络边缘的基站中为应用程序提供服务器，使数据的处理尽可能靠近车辆和道路传感器，从而减少数据的往返时间[5]。MEC的服务器端可以直接从车辆和路面传感器的应用程序中获取本地消息，通过算法分析后识别其中需要近乎实时传输的高风险数据和敏感信息，并将预警消息直接下发至该区域的其他车辆，使得附近车辆可以在20 ms内收到预警，驾驶员将有更多反应时间来处理突发情况，比如躲避危险、减速行驶或改变线路等。

MEC服务器端应用还可以快速通知在附近其他MEC服务器上运行的应用程序，使危险告警传播到更广泛的区域，便于驾驶员提前决策，降低道路拥堵的可能性。对于复杂情况，MEC服务器端应用将把本地信息发送到所连接的汽车云上进行进一步的统筹处理，以获取更多帮助和支援[6]。

2 MEC在V2X应用中的网络架构

2.1 边缘计算的整体架构

从2014年12月开始，ETSI MEC ISG开始致力于MEC的研究，旨在提供在多用户环境下运行第三方应用的统一规范。目前ISG MEC (工作组)已经公布了关于MEC的基本技术需求和参考架构的相关规范。图 1 是ISG MEC(工作组)定义的基本框架，该框架从一个比较宏观的层次出发，对MEC下不同的功能实体进行了网络、ME(Mobile Edge)主机水平和ME系统水平这3个层次的划分[7]。

图1 MEC基本框架

其中，网络水平主要包含3GPP蜂窝网络、本地网络和外部网络等相关的外部实体。该层主要表示MEC工作系统与局域网、蜂窝移动网或者外部网络的接入情况，这些接入网络都有自己固定的接入方式、网络ID、业务类型以及覆盖范围。在车联网应用中，主要的接入网络为4G无线网络和WiFi无线网络，本文主要从4G无线网络的架构来讨论组网方式。在这种方式中，车联网车载终端的应用可以及时更新MEC主机水平定期广播的、在其覆盖下的高精度地图，在精确计算自己的位置后，及时向MEC主机水平发送自己的准确位置。

MEC主机水平包含MEC主机和相应的ME主机水平管理实体，ME主机又可以进一步划分为ME平台、ME应用和虚拟化基础设施。利用MEC服务器将车联网云端相关功能和计算(如高精度地图数据、区域内用户的精确定位、预测运行轨迹、交通信息等)下沉到对应的MEC主机水平。这样就可以极大地降低骨干网络的传输压力，同时也为用户节省了大量传输和计算的时间。

最上层是MEC系统水平的管理实体，负责对 MEC 系统进行全局掌控。将车联网云服务器置于此位置，来统一协调、优化整个地区的车联网业务，提高交通效率。

在设计车联网的MEC解决方案时，还必须根据实际的业务应用和实际无线网络的建设情况统一协调考虑MEC服务器在网络中的部署位置。MEC服务器可以被部署在网络的多个位置，例如可以位于宏基站(eNodeB)侧、无线网络控制器(RNC)侧、多无线接入技术(multi-RAN)蜂窝汇聚点侧或者核心网边缘。

本文介绍MEC服务器几个主要的部署场景，并对不同部署方式的优势和存在问题加以简要分析。

2.2 MEC服务器和eNodeB共站部署

为了最大限度地降低骨干网络的传输开销和传输时延，将MEC服务器和eNodeB共站部署是最为理想的方式，如图2所示。

图2 MEC服务器和eNodeB共站部署示意图

这种部署方式可以为联网的车载用户提供类似于端到端直接通信的效果，可以处理即使高速自动驾驶情况下车辆的详细定位，以及车载用户之间的空间距离变化趋势。但是这种方式在网络初期部署阶段需要的投资比较大，同时，目前我国城市地区的基站(eNodeB)密度较大(核心地区站间距一两公里)，并且站址内非常拥挤，在初期业务量不是太大时，这种网络部署并不太适用。

2.3 MEC服务器部署在基站控制器后

综合考虑使用场景和建网成本，建议采用将MEC服务器部署在基站控制器或者基站汇聚节点之后。这种方式可以在效率和成本间取得良好的平衡，根据实际网络情况，以后也容易升级和调整。这种部署方式如图3所示。

图3 MEC服务器部署在基站控制器之后示意图

由于目前网络部署中，经常遇到大型体育场馆、大型商场、学校、商务区等业务流量比较密集的地区。在这些业务非常集中的地区，需要几十个基站(或者微蜂窝)来进行覆盖和满足业务量的需求，采用图3这种组网是最为合理的方式。

但是，对于采取2.2和2.3这两种在无线接入侧部署MEC服务器的组网方式，需要升级核心网MME设备，使其能够在控制层面提供计费、鉴权和安全等相关功能模块，这些相关标准必须完善，才能够大规模地部署网络。这两种方式虽然在通过解析S1接口命令来调动基站无线资源方面具有很大的优势，但是在针对车联网用户数据的合法监听方面存在一定的困难。

2.4 MEC服务器部署在核心网PGW后

从节约成本、网络建设容易、对4G网络影响很小及现有网络升级变动最小等方面考虑，将MEC服务器部署在核心网的PGW后，是最为容易实现的MEC方式。如图4(PGW和MEC集成在一起)所示。采取这种方式建设MEC网络，只需要核心网设备厂家升级自身的PGW设备，添加相应的功能模块，对现网影响极小，是风险和投资最小的方式，也是最为方便的实现方式。

图4 MEC服务器部署在核心网示意图

但是，考虑到车联网业务针对实时性的要求高，同时目前4G网络中的基站控制器(RNC)的处理能力和覆盖范围都比较大，所以一般不会将车联网的MEC服务器放置在4G网络的核心网(CN)侧。

2.5 5G架构下的MEC部署

随着5G标准的不断完善，网络功能虚拟化(NFV)和网络切片技术(NST)成为了5G网络的两大主要功能特性。NFV将传统网络实体的软硬件进行分离，对网络功能进行了软件化，实现了网络硬件资源的共享，从而促成了网络功能的快速部署及业务容量的按需灵活分配。网络切片是指将物理网络通过虚拟化技术分割为多个相互独立的虚拟网络，每个虚拟网络被称为一个网络切片，每个网络切片中的网络功能可以在定制化的裁剪后，通过动态的网络功能编排形成一个完整的实例化的网络架构[8]。同时5G网络结构的扁平化和无线空口高速的吞吐量，也为边缘计算提供了巨大的优势。

将车联网云端相关业务(如高精度地图数据、区域内用户的精确定位、预测运行轨迹、交通信息等)下沉到5G无线接入侧水平，理论上就可以支持类似自动驾驶等高层次的车联网业务。最为理想的5G网络的MEC组网如图5所示，MEC服务器直接和基站共址(或者和多个基站的汇聚节点共址)，在距离用户最近段进行计算和数据交换的同时，利用5G的网络切片和NFV功能，业务层数据直接和车联网云服务器进行数据交互[9]。