移動邊緣計算的探究和應用

西安中學 張晉祚

0 前言

通信，指人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進行的信息交流與傳遞[1]。通信的產(chǎn)生可以追溯至遠古時期，那時的壁畫及象形文字就是其存在的最好證明。之后，產(chǎn)生了語言、圖符、鐘鼓、煙火、竹簡、紙書等傳遞信息的方式，通信的形式豐富了起來。中國古典神話故事《西游記》中千里眼，順風耳的出現(xiàn)就是古代勞動人民對進行及時有效的通信的強烈夙求的最好印證。近現(xiàn)代以來，隨著科學技術的進步，人類通信有了長足的發(fā)展，信息傳遞的不僅可以通過金屬導線、光纖等有線媒介進行傳遞，也可以通過電磁波等無線媒介進行傳遞。

移動通信大致分為四個發(fā)展階段首先是20世紀70年代到20世紀80年代的第一代模擬制式的移動通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)以北美的AMPS和歐洲的TACS為典型的技術代表，當然還有一些別的系統(tǒng)但是其應用范圍和影響力遠小于AMPS和TACS系統(tǒng)。由于采用的是模擬的信號處理方式，信息的質(zhì)量不是很理想，容易被外界干擾，使得用戶在通話時經(jīng)常出現(xiàn)聽不清的情況，這嚴重地影響了移動通信的服務質(zhì)量。為了提高通話的質(zhì)量，到了20世紀90年代左右開始出現(xiàn)了以GSM為代表的第二代移動通信系統(tǒng)，它也是讓移動通信迅速火起來的技術，以至于現(xiàn)在公認語音通話質(zhì)量最好的還是GSM系統(tǒng)。它采用的是數(shù)字化的信息處理技術，使得網(wǎng)絡抗干擾能力大幅增加。但是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶需求的不斷增加，移動通信開始逐漸支撐數(shù)據(jù)業(yè)務，第三代移動通信和第四代移動通信主要是在這個方面進行研究，使得我們手機上網(wǎng)的速率越來越快，能夠輕松流暢的用手機觀看高清視頻。

隨著科技的發(fā)展，未來網(wǎng)絡需要更強的網(wǎng)絡能力，移動邊緣計算就很好地切合了這一點，例如MEC可以和緩存進行結合[2]，可以將大家都喜歡訪問的數(shù)據(jù)文件緩存在服務器中，使用戶以更快的速度瀏覽到想要的信息，一些不是很熱門的文件可以像原來一樣，依然從核心網(wǎng)進行查找。MEC可以應用于網(wǎng)絡，交通，農(nóng)業(yè)種植等方面，例如汽車無人駕駛，植物生理情況的定時監(jiān)控等。5G網(wǎng)下的MEC擁有廣大的前景，是未來移動通訊的新領域。

1 MEC與車聯(lián)網(wǎng)

隨著現(xiàn)代移動通信業(yè)和汽車運輸業(yè)的飛速發(fā)展，人們對車載環(huán)境和運輸?shù)氖孢m有了更高的要求，在車內(nèi)實現(xiàn)上網(wǎng)，通訊和自駕駛應用的需求大大增加。而以上新應用的載體與根基就是車聯(lián)網(wǎng)，它實現(xiàn)了車輛與公眾網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的動態(tài)連接，因而可以將行車的路況，車輛，交通環(huán)境收集起來以更好地駕駛。還有，就是得到移動互聯(lián)網(wǎng)應用服務。在5G技術下，車聯(lián)網(wǎng)將有新的應用與拓展。

具有高帶寬低時延特點的MEC在移動網(wǎng)絡邊緣可以向車輛提供服務，對時延要求特別高的車聯(lián)網(wǎng)非常適用。通過在道路附近部署路設單元，接收并分析車載應用和道路傳感器的本地信息，發(fā)布重要或緊急消息給本區(qū)域其他車輛，實現(xiàn)區(qū)域性車輛信息交流。在有基站覆蓋的地區(qū)，在車中的我們可以連接本地MEC服務器共享本車的實時位置及發(fā)布給附近車輛用戶信息，如在駕車過程中，車輛損壞需要求救，可以將該信息通過本地車載服務器共享給周圍汽車用戶以求幫助。或是在駕車過程中發(fā)現(xiàn)前方道路不通或發(fā)現(xiàn)險情可以及時告知給后面的車輛。以上提及的是將信息發(fā)布共享在本地信息網(wǎng)絡平臺上實現(xiàn)信息共享和路況收集。我們還可以從MEC上獲取多媒體和移動互聯(lián)網(wǎng)應用服務。如在車內(nèi)可以從MEC中下載歌曲，游戲，視頻，資訊等服務，這樣豐富了車內(nèi)體驗。

由于低時延的特性，MEC可以應用到車輛無人駕駛。在5G網(wǎng)絡下，網(wǎng)絡延遲由原來100ms降低到20ms[3]，這樣滿足了對無人駕駛這種實時監(jiān)控的要求。在5G技術和汽車產(chǎn)業(yè)的共同進步下，3到5年內(nèi)將取得突破性，跨越性發(fā)展。與之前的技術相比，5G可以的延遲最低降低到1毫秒，峰值速度高達10Gbps，使汽車幾乎實時獲得周圍的行車環(huán)境。5G還支持基于本地MEC的數(shù)據(jù)，溝通其它車輛及其他交通設施。

MEC用于交通信息傳播上對于本地產(chǎn)業(yè)的推廣也是一大助力。當把關于某省，市，縣，鄉(xiāng)等地的相關產(chǎn)業(yè)如風景名勝，民風民俗，生活習慣，當?shù)靥禺a(chǎn)，知名地點等放到本地MEC上，當有游客途徑本地時，在自己的汽車上從MEC平臺上不消耗流量獲取關于本地信息，這樣可以引起過路人的興趣，提高本地的知名度，吸引更多人的流入，推動本地經(jīng)濟發(fā)展。

2 MEC與本地分流

MEC可以降低網(wǎng)絡的回傳，使得業(yè)務可以得到快速的響應，提升用戶的服務體驗。而MEC一項突出的優(yōu)勢在于將數(shù)據(jù)節(jié)流在了接入網(wǎng)，實現(xiàn)了服務的本地業(yè)化，而不需要將數(shù)據(jù)流上傳到核心網(wǎng)進行處理。打個比方，MEC可以輕松地搭建一個基于蜂窩的局域網(wǎng)，使得在局域網(wǎng)里的用戶享受到了高速快捷的數(shù)據(jù)服務。

為了實現(xiàn)這種本地分流的功能，MEC平臺需要具備DNS查詢以及IP地址重定位的能力進而對數(shù)據(jù)實現(xiàn)分流。當終端發(fā)出業(yè)務請求的時候，MEC服務器會首先接收到其URL訪問地址，如果該資源在本地可以獲取到，會觸發(fā)MEC平臺進行域名查詢，重新定位服務器的IP地址，并將對應IP地址反饋給用戶。MEC平臺將需要查詢的本地IP地址與其本地域名對應起來，如果是制定本地子網(wǎng)的報文，則轉發(fā)給本地網(wǎng)絡，否則直接透傳給核心網(wǎng)[4]。同時，MEC平臺將收到的本地網(wǎng)絡報文返回給終端用戶。MEC在生產(chǎn)生活中有廣泛的應用，例如在商場或者景區(qū)，可以通過MEC服務器向用戶手機終端推送免費的商家促銷信息，或者商品的高質(zhì)量音視頻介紹。同時在企業(yè)辦公大樓可以將的視頻監(jiān)控通過本地分流技術直接上傳給部署在本地的視頻監(jiān)控中心通過MEC平臺對視頻監(jiān)控進行分析，在提升視頻監(jiān)控部署便利性的同時降低了無線網(wǎng)絡回傳帶寬的消耗。

3 MEC部署方式

MEC可以有多種部署方式，MEC的功能也可以集成在移動通信網(wǎng)絡的各個網(wǎng)元之中，本文重點考慮在無線接入網(wǎng)側和核心網(wǎng)邊緣兩種部署方式。

如果移動邊緣服務器部署在無線接入網(wǎng)，其可以放置在基站的后面，供多個基站共享，每個基站的數(shù)據(jù)流量都在移動邊緣服務器進行匯總。然后再由移動邊緣服務器與核心網(wǎng)的相關網(wǎng)管進行連接，這種架構方案的優(yōu)勢在于更方便地通過監(jiān)聽、解析接口的信令來獲取基站側無線相關信息，但計費和合法監(jiān)聽等安全問題需要進一步解決[5]。除了這種方式，還可以將別是將移動邊緣服務器部署在基站或者與基站進行集成，這種部署使得移動邊緣服務器與用戶的距離更近，是最快速的移動邊緣服務器部署方式，但是這樣為每個基站部署一個服務器會使得投入成本增高，運行效率降低。

如果移動邊緣服務器部署在核心網(wǎng)邊緣，可以與數(shù)據(jù)包網(wǎng)關部署在一起，這樣可以使得數(shù)據(jù)包網(wǎng)關的工作效率顯著提高，并且引入智能處理能力。該部署方式不存在計費、安全等問題，因為相應的操作可以交給網(wǎng)關處理，但是可以有兩種思路來實現(xiàn)。第一種就是不改變原有網(wǎng)絡的架構，移動邊緣計算服務器作為獨立的網(wǎng)元出現(xiàn)，對數(shù)據(jù)流進行處理。第二種是改變現(xiàn)有網(wǎng)絡架構，對網(wǎng)元功能進行解構和重組，移動邊緣計算服務器和網(wǎng)關中關于數(shù)據(jù)部分的模塊進行重組，網(wǎng)管中關于控制的模塊單獨分離出來形成新的網(wǎng)元，進行計費、監(jiān)聽、鑒權等功能。這樣的話需要定義新的接口，實現(xiàn)不同網(wǎng)元之間的信息溝通，增加了網(wǎng)絡結構的復雜度，對現(xiàn)有網(wǎng)絡架構不兼容[3]。

4 總結

未來是移動數(shù)據(jù)爆炸的時代，到2020年全世界移動網(wǎng)絡接入端的數(shù)量將跨越到200億臺左右，這對移動通信提出了嚴峻的考驗。移動邊緣計算可以為移動通信提供新的解決方案，實現(xiàn)一個智能，安全，有高帶寬，低時延的網(wǎng)絡平臺，它的應用會為解決網(wǎng)絡的擁塞，延遲等問題帶來貢獻。本文重點研究了移動通信與移動邊緣計算的結合，首先從移動通信的發(fā)展開始，探究了未來移動通信的發(fā)展方向，其次指出了移動邊緣計算的優(yōu)勢與未來的發(fā)展前景，體現(xiàn)了移動邊緣計算技術的價值。然后，本文提出了移動邊緣計算與車聯(lián)網(wǎng)的結合，將移動邊緣計算低時延的優(yōu)勢體現(xiàn)在了車聯(lián)網(wǎng)的自動駕駛和交通信息實時分享等上面。除此之外，本文還研究了移動邊緣計算在本地業(yè)務分流上的優(yōu)勢，實現(xiàn)了業(yè)務處理的本地化。最后，本文研究了移動邊緣計算的網(wǎng)絡架構，體現(xiàn)了不同網(wǎng)絡架構下各自的特點與優(yōu)勢。

[1]周炯槃,等.通信原理(第3版)[M].北京郵電大學出版社,2008.

[2]戴晶,陳丹,范斌.移動邊緣計算促進5G發(fā)展的分析[J].郵電設計技術,2016.

[3]李佐昭,劉金旭.移動邊緣計算在車聯(lián)網(wǎng)中的應用[J].現(xiàn)代電信科技,2017.

[4]張建敏,謝偉良,楊峰義,武洲云,謝亮.移動邊緣計算技術及其本地分流方案[M].電信科學,2016.

[5]李福昌,李一喆,唐雄燕,張忠皓.MEC關鍵解決方案與應用思考[J].郵電設計技術,2016.