MEC边缘计算技术及其产业应用和专利分析

冯 骥

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100160)

1 5G与MEC

1.1 5G通信的愿景

根据思科[1]的统计预测，从2017年到2022年，全球的移动数据流量将持续快速增长，因此5G需要新的解决方案以满足普通用户应用(主要表现为移动互联网)和工业应用(主要表现为物联网，IoT，Internet of Things)对提升数据速率、降低延迟、增大连接密度等方面的需求。

根据国际电信联盟(ITU)的定义，参见图1所示，5G包括三大应用场景：增强型移动宽带(eMBB，Enhanced Mobile Broadband)、大量机器类通信(mMTC，massive Machine Type Communications)和低延迟高可靠通信(uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications)。其中，eMBB是以用户体验为中心的通信性能指标，5G的目标是使下行速率达到均值1Gbps，峰值20Gbps的水平；mMTC则主要是针对机器类型设备的通信，例如物流、智能监控等，其目标是实现更高的连接密度和更低的能耗和成本，达到每平方公里百万连接的水平；uRLLC体现的低延迟和高可靠性是通信技术中历来追求的关键指标，是游戏、自动驾驶、远程医疗等场景下的最关键支持技术，5G的目标是将端到端时延降低到1ms。为实现这三大应用场景的愿景目标，5G提出了一系列创新性的革新技术，例如非正交多址技术、大规模MIMO、毫米波通信、用户面和控制面的分离等，因此可以说5G相对于4G已不是一个技术的改进，而是一个技术的更新。

图1 5G的三大愿景图

1.2 MEC边缘计算技术的产生

为达到或接近这三大应用场景的技术指标，仅仅以4G为基础发展是无法实现的，因此5G创造性地提出了多项技术革新，从基础设施架构、协议、功能等多方面重新设计5G网络，而移动边缘计算(MEC，Mobile Edge Computing)正是在这种形势下提出并发展的一项关键技术。在5G之前的网络通信都是按照：接入网->承载网->核心网的模式进行处理，通信最终都要上报到核心网进行调度处理，这种模式的缺陷显而易见：当通信需求增大时，核心网的链路会拥塞不堪，核心网的处理能力也无法满足需求，当然也无法达到5G低时延的技术指标。面对这种问题，一个自然的想法是能否将通信的调度处理权下沉到核心网以下，例如接入网实现呢？但是在4G网络中由于网络架构的原因无法实现这种下沉，但是5G中由于用户面和控制面已经分离，就有了实现这种想法的基础，于是移动边缘计算的解决方案应运而生。实际上，在2009年卡内基梅隆大学所研发的cloudlet计算平台中，就已经提出了边缘计算的架构。2014年，欧洲电信标准协会(ETSI)正式定义了MEC的基本概念并成立了MEC规范工作组，启动相关标准化工作。MEC最初的名称是“Mobile Edge Computing”，特指移动网络中的边缘计算。在2017年年初，为了匹配物联网/工业互联网领域边缘计算的需求，工作组改名为“Multi-access Edge Computing”，将工作组范围扩大到多接入的边缘计算，经过多年的发展完善，MEC已经演进为5G移动通信系统的重要技术之一，是5G在垂直行业中的重要应用利器。

2 MEC边缘计算技术概述

2.1 MEC边缘计算技术的结构

根据ETSI的定义[2]，MEC指的是在无线接入网(RAN，Radio Access Network)中安装计算资源的分布式系统。所谓“边缘”，指的就是无线接入网络，所有联网的设备，包括移动设备和云计算服务器，都被认为是在边缘，这相对传统的以网络侧为核心的通信架构是一个巨大的创新。通过将计算等核心能力下沉到接入网内，在本地完成数据的处理，避免了之前与距离较远的核心网的大部分通信，从而使端到端的1ms时延成为现实，同时也增强了接入能力，从侧面达到了提高网络速率的效果，即在5G的三个场景下都使通信性能获得了提升。随着针对MEC研究的不断推进，现阶段的边缘计算参考架构如图2所示：

图2 MEC边缘计算技术参考架构图

该体系架构分为系统层级、主机层级和网络。其中系统层级主要用于提供整个MEC系统的管理功能，具体包括边缘计算运营管理平台、边缘协调器(MEO)、运营管理子系统(BSS)和运维管理子系统(OSS)等，提供诸如协调用户设备、主机、运营商，记录可用资源和对边缘服务进行解释等功能。主机层级包括MEC主机及其管理功能，具体又包括提供运行环境的MEC平台、在平台上运行的各种MEC应用和提供资源的虚拟化基础设施(例如虚拟机和容器等)，MEC应用通过虚拟化基础设施来运行虚拟机，进行作业执行、提供边缘服务，而由管理功能提供对应用的生命周期、操作规则、配置和安全性等的管理。网络指的是具体实现的网络形式，例如可以是3GPP网络、局域网或其他外部网络。

图3是MEC系统的一个实际部署示意图。MEC服务器是安装在基站或基站附近的计算设备，从该部署方式可以看出，与传统的集中式服务器架构不同，MEC服务器由运营商在本地进行管理，用户和运营商都可以通过接口访问MEC服务器中的虚拟计算资源，通过MEC服务器提供的本地虚拟机来为用户设备提供服务，延迟就比访问核心网设备要低得多，并且还可以通过MEC服务器实现一些核心网的管理功能。现阶段的MEC服务器大部分是以地市级的核心机房、传输汇聚机房乃至基站机房的形式出现，而在用户看来，一定是下沉得越深，用户体验越好，因此当面对毫秒级别延迟的业务需求时，今后的边缘主机会继续下沉到离用户更近的位置，在这种场景下，灵活部署基站和提升基站利用效率则又是需要进一步考虑的课题。

图3 MEC边缘计算技术实际部署图

2.2 MEC边缘计算技术的应用场景

ETSI定义了MEC的七大应用场景[3]：

(1)智能视频加速服务：为解决TCP传输无法适应快速变化的无线网络，通过将相应的智能分析应用部署在MEC服务器上，在MEC服务器中的应用向视频服务器提供关于吞吐量的指示和估计，确保应用层编码和网络容量相匹配，从而避免了拥塞，并且可以实现跨运营商/服务提供商服务，保证了资源的有效利用。

(2)视频流分析：应用基于视频的监视系统，例如车辆牌照识别中，通过MEC服务器的使用，可以筛选出有价值的视频，提高了对视频流执行的分析的灵活性，同时节约了将大量数据视频流传输到核心网络的流量。

(3)增强现实AR：增强现实信息是高度局部化的，并需要实时更新，通过MEC服务器对用户位置或相机视图的处理，可以更快地更新信息，并提高数据处理的速度，以便基于用户的位置和方向为用户提供更好的服务。

(4)辅助计算：在游戏、环境传感器等架构中，在传感器等远程设备上需要尽可能低性能的处理能力以保证低成本和节电，因此通过将高性能的处理能力分配到MEC服务器上，并将结果反馈到这些远程设备，不仅减少了对这些远程设备处理能力的需求，也实现了低延迟的操作和反馈，特别适用于游戏等应用场景。

(5)企业分流：为了在企业区域实现移动办公，可以部署小型的移动互联网，实现企业内部的统一通信并针对企业员工提供服务，而MEC服务器正适合这种RAN到企业网络的透明结合，通过MEC平台提供访问控制、策略管理、安全等功能。

(6)车联网：车联网的应用可以提高驾驶安全性、减少交通拥塞，还可以提供智能停车、影音娱乐等增值功能，通过将这些提供服务的应用部署在MEC服务器上，可以大幅度降低网络延迟，车辆之间可以在毫秒时间内获得所需信息，这对危险警告等对延迟敏感的信息格外重要。

(7)物联网IoT网关服务：物联网设备的通信消息通常很小并且往往采用不同形式的协议，需要一个低延迟的聚合点对这些信息进行管理和分发，MEC服务器提供的计算能力和内存可以用于这些数据的汇总和分发，并且还可以提供逻辑决策、访问控制等功能。

3 MEC边缘计算技术的产业布局

国内提供边缘计算的企业主要有两类，第一类是通信运营商，包括中国移动、中国电信和中国联通，第二类是云服务提供商，例如阿里、腾讯、华为、百度等。通信运营商对MEC主要关注于MEC的基础网络建设、各类业务应用，而云服务提供商则更关注云服务处理能力、云服务业务等。

其中，中国移动在国内多个省市率先开展MEC应用试点，移动用户可感受基于MEC的VR、AR、超清视频服务，还与华为联合完成了基于SPN的MEC承载现网试点，为支持垂直行业的商用部署打下基础，并于2020年牵头制定CCSA的5G边缘计算平台技术要求和5G边缘计算测试方法行标项目。

中国电信的MEC商用平台结合因特尔边缘服务器加速开展边缘计算服务，已经在工业质检、高清直播、医院信息化、智慧商业综合体等领域实现了应用，并于2019年牵头制定CCSA的5G边缘计算总体技术要求行标项目。

中国联通也于2020年上线了自主研发的MEC商业平台，包括智能制造、智慧交通、电力能源等多领域、近百个MEC商用工程的解决方案，已经落地的项目诸如与格力实现的智能工业化，为碧桂园提供的智慧社区系统，与腾讯在广东大湾区部署的云游戏架构等。

国外一些在云计算领域具有传统优势的企业也延续了这些既有的技术积累，在MEC领域积极拓展市场。亚马逊作为电商巨头，一直以来就投资研究物联网和机器学习技术，并以其成熟而广为应用的Web Service平台AWS平台为基础，部署了基于AWS的边缘计算平台GreenGrass，是边缘计算、物联网和机器学习技术的融合。微软作为实力雄厚的软件和服务提供商，在2018年开始就开发了Azure IoT Edge边缘计算服务，并将其开源，可以实现基于云的业务逻辑定制。谷歌也于2018年发布了其Cloud IoT Edge架构，针对谷歌云的AI功能进行扩展，为用户提供更丰富和高效的物联网服务。除此之外，因特尔、IBM、思科、惠普等传统通信企业也纷纷加入边缘计算的投资布局，提供诸如工业物联网、车联网等领域的解决方案。

可以发现，从2018年开始，国内外的各大企业已经纷纷开始结合自身优势，布局和部署MEC商用体系，向用户提供各种各样的差异化服务，争夺市场份额。可以预计，MEC建设和竞争将迎来一波热潮，并且随着云原生、开源、融合架构等新兴理念的提出，MEC技术还在不断朝着更多元和优化的方向演进和发展着。

4 MEC边缘计算技术专利分析

本部分将对MEC领域的专利申请进行分析和展示。检索数据库中专利文献的公开日截止日为2020年12月31日，其中全球专利数据采用的是国家知识产权局S系统的VEN数据库，中国专利数据采用的是国家知识产权局S系统的CNABS数据库和CNTXT数据库，其中各数据库由于数据更新日期不同，可能出现与上述公开截止日的差别，并且由于申请专利若尚未公开，则系统中不便进行统计，因此统计年份时统计的是专利申请的公开日。

图4展示了MEC技术逐年全球专利申请的数量，由于专利公开申请相对有所滞后，因此申请年份实际更早。从发展趋势中可以看出，MEC技术的专利申请起始于2016年之前，与该技术的提出时间吻合，之后每年的申请量逐年递增，也显示了该技术发展仍处于快速增长的上升期，还具有较好的发展前景和潜力。

图4 MEC技术全球专利申请趋势图

图5展示了各国MEC技术的专利申请量分布情况。可以看出，布局在中国的申请领先于其他国家，这是由于：首先，来自中国的企业在5G领域的技术积累有目共睹，华为、中兴等企业的5G专利申请量已在全球处于第一梯队，中国企业拥有的5G标准必要专利、标准化技术文档贡献也在占据越来越重要的地位，MEC技术作为5G的一项技术分支，也受到了相应程度的重视；其次，我国拥有全球最大的移动互联网市场，市场需求旺盛，技术提供方的创新意愿很高，MEC技术可应用于多种不同现实场景，例如AR、车联网，而这些领域又是当下市场上最热门的技术领域，广泛的市场应用场景也给了MEC这种能在多行业发展的技术以良好的成长环境。

图5 MEC技术全球专利申请技术来源分布图

图6展示了全球范围内在MEC技术上布局专利的十大申请人。可以看出，我国的申请人以华为和多家大学构成，显示了华为作为5G领域龙头企业的专利布局，也涵盖了MEC这一热点技术。而科研院所对MEC技术的研究热情也体现了该技术具有持续发展的潜能。实际上在我国，很多对科研院所的研究也是直接对口企业，例如采用与运营商合作的形式，将研究成果迅速转化为产业应用；而国外申请人包括诺基亚、三星这些传统企业，以及特别在边缘计算芯片和解决方案上有所建树的因特尔。还包括美国第一大运行商Verizon，表明美国也已在MEC技术的商用上有了一定部署。

图6 MEC技术全球专利申请Top10申请人分布图

图7展示了MEC技术逐年在中国申请专利的数量，与全球专利申请类似，中国专利申请也起始于2016年，并逐年增长，显示了其发展趋势。

图7 MEC技术中国专利申请趋势图

图8展示了中国范围内在MEC技术上布局专利的十大申请人。可以看出，华为仍以一定优势领先于其他企业，展示了其在5G通信领域的强大实力。中兴作为另一家通信龙头企业之一也在MEC领域的专利上有了一定部署。中国联通作为运行商上榜体现了其在MEC技术上对专利的重视，而北邮、重邮、南邮作为国内通信领域的领先学府，拥有的专利数量表明了其对MEC这种新兴技术的关注。此外，诺基亚、因特尔作为国外通信企业，与国内企业合作密切，因此也在中国部署了一定数量的MEC专利。腾讯和国家电网则在腾讯云、游戏和电网解决方案中广泛应用了边缘计算技术，因此也拥有了一定数量的MEC技术专利。

图8 MEC技术中国专利申请Top10申请人分布图

5 结束语

5G中的MEC边缘计算技术是实现5G三大愿景的重要手段，在技术架构日趋成熟的基础上，其多样化的应用场景给这项技术以长远的发展前景和广阔的发展空间，国内外的多家通信、互联网企业也在这项技术出现时就开始了商用的尝试和专利的布局，现如今已在多行业实现了部署和运营，相信随着该技术的推广，将会出现更细化的技术标准和针对应用场景的技术改进，使得5G的MEC边缘计算技术能更好地发挥优势，为用户带来更好的通信服务体验。