移動云在5G中的應用

1 云計算的概念和原理[1]

“云計算”的概念源于大規模分布式計算技術。所謂分布式計算，是透過網絡將龐大的計算處理程序分拆成無數個較小的子程序，再交給多部服務器所組成的龐大系統經搜尋、計算分析之后，將處理結果回傳給用戶。采用此技術，網絡服務提供者可以在數秒內，完成海量的信息處理，提供如同超級計算機效能的網絡服務。而＂云＂就是計算機群構成的計算云，一朵“云”由幾十萬臺、甚至上百萬臺計算機組成，能替眾多用戶做存儲和計算的工作。如圖1所示，用戶只需要一臺能上網的電腦或手機，通過適合接口，借助于“云”快速地計算和找到這些資料。“云”通常由IT專業公司搭建，可有公共“云”和私有“云”，故名思義，前者是面向公眾，而后者是專用的。

圖1 云計算的概念示意

云計算包含三個主要類型：基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS），按分層看如圖2所示。其中，基礎設施即服務（IaaS），是用戶通過互聯網可以從完善的計算機基礎設施獲得服務，這些完善的計算基礎設施包括服務器、網絡技術、存儲和數據中心空間，以及操作系統和虛擬化技術，用來管理資源；平臺即服務（PaaS），提供超過基礎設施的服務，即提供軟件開發和運行環境的整套解決方案，以SaaS的模式提交給用戶；軟件即服務（SaaS），是基于互聯網提供軟件服務的軟件應用模式，其中應用作為一項服務托管，通過互聯網提供給用戶；幫助客戶更好地管理它們的IT項目和服務、確保其IT應用的質量和性能，監控其在線業務。根據需要選擇合適的云計算類型，可以幫助用戶保持適當的控制平衡，避免繁重的工作，同時節省資源和財力。

圖2 云計算服務的分層[4]

云計算中，還有一種邊緣計算，它是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺。邊緣計算與云計算互相協同，共同助力各行各業的數字化轉型。它就近提供智能互聯服務，滿足行業在數字化變革過程中對業務實時、業務智能、數據聚合與互操作、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

2 移動云計算[2][3][4]

移動云，就是將云計算應用到移動網絡，其主要功能是將大量的計算、處理任務從移動設備遷移到云去，就是說，移動云向分布在不同位置的移動用戶（包括手提電腦、掌上電腦、移動電話、傳呼機等）提供優質的信息服務（信息的存儲、查詢、計算等），其數據庫系統能夠安全、快速、有效地向各種用戶終端設備提供數據服務；在移動網絡中，計算機或其他信息設備在沒有與固定的物理連接設備相連的情況下，能夠傳輸數據。引入移動云可克服移動設備能力、存儲容量和電池壽命的限制。

移動云主要由兩部分組成：遠端云和本地云。遠端云通常是一個大型云計算中心，移動設備如手機等作為一資源客戶，通過移動網絡，從遠程服務器獲得豐富的計算和存儲資源。由于移動設備通常需要加載或將計算任務交給云去完成，或要求從云獲得大量數據，從遠端云到客戶之間可能經歷大的時延和付出大的通信開銷，因而不能或難以用到實時應用的場景。

本地云靠近客戶群，這樣可縮短傳輸時延。客戶的移動設備不僅是資源的消費者，還是一個資源的提供者。例如一個裝有氣壓計的移動設備，它在甚大的范圍內漫游時，將沿途采樣點的大氣壓力數據，通過移動網絡傳送給氣象處理中心，對該地區各點的氣象預報進行實時修正，得到更為精細、實時的天氣情況（見圖3）。

圖3 移動云應用舉例

圖4 移動云的參與者及其資源共享

在圖4中，微機電器件或設備是包括光、位置、溫度、傳聲器和相機等具有不同物理檢測功能的傳感器。中央處理器（CPU）則是計算資源，屬于此范疇的資源還有專用的數字信號處理器（DSP），以及現場可編程門陣列（FPGA）等；網絡資源則有蜂窩通信、無線局域網（WLAN）、藍牙、紅外和其他近場通信、有線等。

邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺。邊緣計算與云計算互相協同，共同助力各行各業的數字化轉型。它就近提供智能互聯服務，滿足行業在數字化變革過程中對業務實時、業務智能、數據聚合與互操作、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

3 5G中的云-無線接入網（C-RAN）

現代通信過程通常是通過電信網絡實現的。完整的電信網絡的組成如圖5所示。其中，核心網是由長途網和中繼網組成的，而用戶與核心網之間的接續網絡，便是接入網（AN，英文Access Network的縮寫）。

圖中，CPN為用戶駐地網，UNI為用戶網絡接口，SNI為業務接點接口。

圖5 現代電信網絡的組成

ITU-T G.902給出的接入網的定義是：接入網（AN）是由業務接點接口（SNI）和相關用戶網絡接口（UNI）之間的一系列傳送實體（如線路設施和傳輸設施）所組成的、為傳送電信業務提供所需承載能力的實施系統。提出接入網的概念，其目的之一是采用多種傳輸媒體來靈活支持混合的不同接入類型與業務。按此概念，接入網的物理媒體可以是基于有線（如光纖），也可以是基于無線的。無線接入網分為固定無線接入網和移動接入網。

云-無線接入網，就是將云技術應用到無線接入網。在5G中，通過此方式，可實現資源共享，用虛擬網絡接入設備進行動態資源配置；利用合作工作模式，改善頻譜效率，降低能耗和成本，從而提供高性能的無線接入服務。

傳統的蜂窩基站（BS）包含基帶處理單元（BBU）與模擬無線接入單元（稱為無線前端，RRH），對于5G，現將二者分離，并可拉開距離，RRH配置在用戶附近；而將BBU搬到云上去，將多套BBU組成BBU池，以便進行集中式信號處理與管理。如圖6所示[1]，如編碼，調制，快速傅立葉變換（FFT）等基帶處理，是云上完成的。這里，BBU池也就是一虛擬化BBU群，一般由通用處理器組成。在遠端，無線前端（RRH）配有天線、低噪聲放大、功放和濾波器等射頻器件與電路和A/D、D/A變換器；移動終端將射頻信號發送給RRH，后者通過前向鏈路傳送到云，前向通常為光纖鏈路，未來也可采用毫米波設備，負責從RRH到云的傳輸，將數字基帶信號送到BBU池進行處理。回程連接云與移動核心網（圖中為互聯網）和高功率節點，如蜂窩基站等。

圖6 云-無線接入網的示意圖

采用云-無線接入網的主要優點是，首先，因將RRH移到靠近用戶，信號傳輸距離較近，可獲得更高的系統容量，并降低功耗。其次，基帶處理集中在BBU池上進行，可利用合作處理技術消除干擾。再者，虛擬的BBU可按需進行信號處理，使計算資源利用得以動態配置和優化。

在5G無線移動通信的關鍵性能指標中，要求時延不超過1ms，這是5G中對時延要求苛刻的應用場景使然。在移動網邊緣提供IT服務環境和云計算能力，稱為移動邊緣云（Mobile Edge Cloud，MEC）。通過無線接入網絡就近提供電信用戶IT所需服務和云端計算功能，創造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務環境。

在MEC接入中，系統的時延取決于電波的傳播與設備的處理時間。以圖7無人管理的自動化操作系統為例[5]，在上行鏈路，傳感器測得目標的某一數值，該數據經預處理并輸入嵌入式計算系統，控制空中接口，使數據經所有協議層到達物理層，傳送至基站進入移動邊緣云，由云上的控制/操縱服務器進行決策，然后通過下行鏈路，控制執行機械對目標實施操作。圖中給出了時延預算的目標，其中無線接口，也即上下行電波的傳播時間為0.2ms，這意味著基站與傳感器和執行機械之間相距30km。

圖7 無人管理的自動化操作系統的組成和傳輸時延

文獻[5]按端到端時延劃分為低時延（10ms～20ms）應用和觸覺（1ms～5ms）應用（見圖8），觸覺互聯網是物聯網的更高端發展。因為觸覺對時延的敏感度比聽覺的（100ms）和視覺的（10ms）更高，也即系統的時延的要求更短。這里的云包括三個基本功能單元：一是適于觸覺應用，在線游戲、Web高速瀏覽和其他對時延敏感的基于云的服務平臺。其中有用戶級別的眾多的移動邊緣云，局域級的小片云（Mini-Cloud）和少量的大型中央云。二是虛擬化的網控功能，性能優化和保密安全系統。三是所有與無線網絡必需的接口。

圖8 觸覺應用和低時延應用的移動云系統架構

4 結束語

在5G中，利用云-無線接入網技術，可實現資源共享。其中通過虛擬網絡接入設備進行動態資源配置；利用合作工作模式，改善頻譜效率，降低能耗、時延和成本，從而提供高性能的無線接入服務，其優勢是突出的，從而將在5G移動通信中得到廣泛的應用。