MEC邊緣計算技術及其產業應用和專利分析

馮 驥

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京100160)

1 5G與MEC

1.1 5G通信的愿景

根據思科[1]的統計預測，從2017年到2022年，全球的移動數據流量將持續快速增長，因此5G需要新的解決方案以滿足普通用戶應用(主要表現為移動互聯網)和工業應用(主要表現為物聯網，IoT，Internet of Things)對提升數據速率、降低延遲、增大連接密度等方面的需求。

根據國際電信聯盟(ITU)的定義，參見圖1所示，5G包括三大應用場景：增強型移動寬帶(eMBB，Enhanced Mobile Broadband)、大量機器類通信(mMTC，massive Machine Type Communications)和低延遲高可靠通信(uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications)。其中，eMBB是以用戶體驗為中心的通信性能指標，5G的目標是使下行速率達到均值1Gbps，峰值20Gbps的水平；mMTC則主要是針對機器類型設備的通信，例如物流、智能監控等，其目標是實現更高的連接密度和更低的能耗和成本，達到每平方公里百萬連接的水平；uRLLC體現的低延遲和高可靠性是通信技術中歷來追求的關鍵指標，是游戲、自動駕駛、遠程醫療等場景下的最關鍵支持技術，5G的目標是將端到端時延降低到1ms。為實現這三大應用場景的愿景目標，5G提出了一系列創新性的革新技術，例如非正交多址技術、大規模MIMO、毫米波通信、用戶面和控制面的分離等，因此可以說5G相對于4G已不是一個技術的改進，而是一個技術的更新。

圖1 5G的三大愿景圖

1.2 MEC邊緣計算技術的產生

為達到或接近這三大應用場景的技術指標，僅僅以4G為基礎發展是無法實現的，因此5G創造性地提出了多項技術革新，從基礎設施架構、協議、功能等多方面重新設計5G網絡，而移動邊緣計算(MEC，Mobile Edge Computing)正是在這種形勢下提出并發展的一項關鍵技術。在5G之前的網絡通信都是按照：接入網->承載網->核心網的模式進行處理，通信最終都要上報到核心網進行調度處理，這種模式的缺陷顯而易見：當通信需求增大時，核心網的鏈路會擁塞不堪，核心網的處理能力也無法滿足需求，當然也無法達到5G低時延的技術指標。面對這種問題，一個自然的想法是能否將通信的調度處理權下沉到核心網以下，例如接入網實現呢？但是在4G網絡中由于網絡架構的原因無法實現這種下沉，但是5G中由于用戶面和控制面已經分離，就有了實現這種想法的基礎，于是移動邊緣計算的解決方案應運而生。實際上，在2009年卡內基梅隆大學所研發的cloudlet計算平臺中，就已經提出了邊緣計算的架構。2014年，歐洲電信標準協會(ETSI)正式定義了MEC的基本概念并成立了MEC規范工作組，啟動相關標準化工作。MEC最初的名稱是“Mobile Edge Computing”，特指移動網絡中的邊緣計算。在2017年年初，為了匹配物聯網/工業互聯網領域邊緣計算的需求，工作組改名為“Multi-access Edge Computing”，將工作組范圍擴大到多接入的邊緣計算，經過多年的發展完善，MEC已經演進為5G移動通信系統的重要技術之一，是5G在垂直行業中的重要應用利器。

2 MEC邊緣計算技術概述

2.1 MEC邊緣計算技術的結構

根據ETSI的定義[2]，MEC指的是在無線接入網(RAN，Radio Access Network)中安裝計算資源的分布式系統。所謂“邊緣”，指的就是無線接入網絡，所有聯網的設備，包括移動設備和云計算服務器，都被認為是在邊緣，這相對傳統的以網絡側為核心的通信架構是一個巨大的創新。通過將計算等核心能力下沉到接入網內，在本地完成數據的處理，避免了之前與距離較遠的核心網的大部分通信，從而使端到端的1ms時延成為現實，同時也增強了接入能力，從側面達到了提高網絡速率的效果，即在5G的三個場景下都使通信性能獲得了提升。隨著針對MEC研究的不斷推進，現階段的邊緣計算參考架構如圖2所示：

圖2 MEC邊緣計算技術參考架構圖

該體系架構分為系統層級、主機層級和網絡。其中系統層級主要用于提供整個MEC系統的管理功能，具體包括邊緣計算運營管理平臺、邊緣協調器(MEO)、運營管理子系統(BSS)和運維管理子系統(OSS)等，提供諸如協調用戶設備、主機、運營商，記錄可用資源和對邊緣服務進行解釋等功能。主機層級包括MEC主機及其管理功能，具體又包括提供運行環境的MEC平臺、在平臺上運行的各種MEC應用和提供資源的虛擬化基礎設施(例如虛擬機和容器等)，MEC應用通過虛擬化基礎設施來運行虛擬機，進行作業執行、提供邊緣服務，而由管理功能提供對應用的生命周期、操作規則、配置和安全性等的管理。網絡指的是具體實現的網絡形式，例如可以是3GPP網絡、局域網或其他外部網絡。

圖3是MEC系統的一個實際部署示意圖。MEC服務器是安裝在基站或基站附近的計算設備，從該部署方式可以看出，與傳統的集中式服務器架構不同，MEC服務器由運營商在本地進行管理，用戶和運營商都可以通過接口訪問MEC服務器中的虛擬計算資源，通過MEC服務器提供的本地虛擬機來為用戶設備提供服務，延遲就比訪問核心網設備要低得多，并且還可以通過MEC服務器實現一些核心網的管理功能。現階段的MEC服務器大部分是以地市級的核心機房、傳輸匯聚機房乃至基站機房的形式出現，而在用戶看來，一定是下沉得越深，用戶體驗越好，因此當面對毫秒級別延遲的業務需求時，今后的邊緣主機會繼續下沉到離用戶更近的位置，在這種場景下，靈活部署基站和提升基站利用效率則又是需要進一步考慮的課題。

圖3 MEC邊緣計算技術實際部署圖

2.2 MEC邊緣計算技術的應用場景

ETSI定義了MEC的七大應用場景[3]：

(1)智能視頻加速服務：為解決TCP傳輸無法適應快速變化的無線網絡，通過將相應的智能分析應用部署在MEC服務器上，在MEC服務器中的應用向視頻服務器提供關于吞吐量的指示和估計，確保應用層編碼和網絡容量相匹配，從而避免了擁塞，并且可以實現跨運營商/服務提供商服務，保證了資源的有效利用。

(2)視頻流分析：應用基于視頻的監視系統，例如車輛牌照識別中，通過MEC服務器的使用，可以篩選出有價值的視頻，提高了對視頻流執行的分析的靈活性，同時節約了將大量數據視頻流傳輸到核心網絡的流量。

(3)增強現實AR：增強現實信息是高度局部化的，并需要實時更新，通過MEC服務器對用戶位置或相機視圖的處理，可以更快地更新信息，并提高數據處理的速度，以便基于用戶的位置和方向為用戶提供更好的服務。

(4)輔助計算：在游戲、環境傳感器等架構中，在傳感器等遠程設備上需要盡可能低性能的處理能力以保證低成本和節電，因此通過將高性能的處理能力分配到MEC服務器上，并將結果反饋到這些遠程設備，不僅減少了對這些遠程設備處理能力的需求，也實現了低延遲的操作和反饋，特別適用于游戲等應用場景。

(5)企業分流：為了在企業區域實現移動辦公，可以部署小型的移動互聯網，實現企業內部的統一通信并針對企業員工提供服務，而MEC服務器正適合這種RAN到企業網絡的透明結合，通過MEC平臺提供訪問控制、策略管理、安全等功能。

(6)車聯網：車聯網的應用可以提高駕駛安全性、減少交通擁塞，還可以提供智能停車、影音娛樂等增值功能，通過將這些提供服務的應用部署在MEC服務器上，可以大幅度降低網絡延遲，車輛之間可以在毫秒時間內獲得所需信息，這對危險警告等對延遲敏感的信息格外重要。

(7)物聯網IoT網關服務：物聯網設備的通信消息通常很小并且往往采用不同形式的協議，需要一個低延遲的聚合點對這些信息進行管理和分發，MEC服務器提供的計算能力和內存可以用于這些數據的匯總和分發，并且還可以提供邏輯決策、訪問控制等功能。

3 MEC邊緣計算技術的產業布局

國內提供邊緣計算的企業主要有兩類，第一類是通信運營商，包括中國移動、中國電信和中國聯通，第二類是云服務提供商，例如阿里、騰訊、華為、百度等。通信運營商對MEC主要關注于MEC的基礎網絡建設、各類業務應用，而云服務提供商則更關注云服務處理能力、云服務業務等。

其中，中國移動在國內多個省市率先開展MEC應用試點，移動用戶可感受基于MEC的VR、AR、超清視頻服務，還與華為聯合完成了基于SPN的MEC承載現網試點，為支持垂直行業的商用部署打下基礎，并于2020年牽頭制定CCSA的5G邊緣計算平臺技術要求和5G邊緣計算測試方法行標項目。

中國電信的MEC商用平臺結合因特爾邊緣服務器加速開展邊緣計算服務，已經在工業質檢、高清直播、醫院信息化、智慧商業綜合體等領域實現了應用，并于2019年牽頭制定CCSA的5G邊緣計算總體技術要求行標項目。

中國聯通也于2020年上線了自主研發的MEC商業平臺，包括智能制造、智慧交通、電力能源等多領域、近百個MEC商用工程的解決方案，已經落地的項目諸如與格力實現的智能工業化，為碧桂園提供的智慧社區系統，與騰訊在廣東大灣區部署的云游戲架構等。

國外一些在云計算領域具有傳統優勢的企業也延續了這些既有的技術積累，在MEC領域積極拓展市場。亞馬遜作為電商巨頭，一直以來就投資研究物聯網和機器學習技術，并以其成熟而廣為應用的Web Service平臺AWS平臺為基礎，部署了基于AWS的邊緣計算平臺GreenGrass，是邊緣計算、物聯網和機器學習技術的融合。微軟作為實力雄厚的軟件和服務提供商，在2018年開始就開發了Azure IoT Edge邊緣計算服務，并將其開源，可以實現基于云的業務邏輯定制。谷歌也于2018年發布了其Cloud IoT Edge架構，針對谷歌云的AI功能進行擴展，為用戶提供更豐富和高效的物聯網服務。除此之外，因特爾、IBM、思科、惠普等傳統通信企業也紛紛加入邊緣計算的投資布局，提供諸如工業物聯網、車聯網等領域的解決方案。

可以發現，從2018年開始，國內外的各大企業已經紛紛開始結合自身優勢，布局和部署MEC商用體系，向用戶提供各種各樣的差異化服務，爭奪市場份額。可以預計，MEC建設和競爭將迎來一波熱潮，并且隨著云原生、開源、融合架構等新興理念的提出，MEC技術還在不斷朝著更多元和優化的方向演進和發展著。

4 MEC邊緣計算技術專利分析

本部分將對MEC領域的專利申請進行分析和展示。檢索數據庫中專利文獻的公開日截止日為2020年12月31日，其中全球專利數據采用的是國家知識產權局S系統的VEN數據庫，中國專利數據采用的是國家知識產權局S系統的CNABS數據庫和CNTXT數據庫，其中各數據庫由于數據更新日期不同，可能出現與上述公開截止日的差別，并且由于申請專利若尚未公開，則系統中不便進行統計，因此統計年份時統計的是專利申請的公開日。

圖4展示了MEC技術逐年全球專利申請的數量，由于專利公開申請相對有所滯后，因此申請年份實際更早。從發展趨勢中可以看出，MEC技術的專利申請起始于2016年之前，與該技術的提出時間吻合，之后每年的申請量逐年遞增，也顯示了該技術發展仍處于快速增長的上升期，還具有較好的發展前景和潛力。

圖4 MEC技術全球專利申請趨勢圖

圖5展示了各國MEC技術的專利申請量分布情況?？梢钥闯?，布局在中國的申請領先于其他國家，這是由于：首先，來自中國的企業在5G領域的技術積累有目共睹，華為、中興等企業的5G專利申請量已在全球處于第一梯隊，中國企業擁有的5G標準必要專利、標準化技術文檔貢獻也在占據越來越重要的地位，MEC技術作為5G的一項技術分支，也受到了相應程度的重視；其次，我國擁有全球最大的移動互聯網市場，市場需求旺盛，技術提供方的創新意愿很高，MEC技術可應用于多種不同現實場景，例如AR、車聯網，而這些領域又是當下市場上最熱門的技術領域，廣泛的市場應用場景也給了MEC這種能在多行業發展的技術以良好的成長環境。

圖5 MEC技術全球專利申請技術來源分布圖

圖6展示了全球范圍內在MEC技術上布局專利的十大申請人。可以看出，我國的申請人以華為和多家大學構成，顯示了華為作為5G領域龍頭企業的專利布局，也涵蓋了MEC這一熱點技術。而科研院所對MEC技術的研究熱情也體現了該技術具有持續發展的潛能。實際上在我國，很多對科研院所的研究也是直接對口企業，例如采用與運營商合作的形式，將研究成果迅速轉化為產業應用；而國外申請人包括諾基亞、三星這些傳統企業，以及特別在邊緣計算芯片和解決方案上有所建樹的因特爾。還包括美國第一大運行商Verizon，表明美國也已在MEC技術的商用上有了一定部署。

圖6 MEC技術全球專利申請Top10申請人分布圖

圖7展示了MEC技術逐年在中國申請專利的數量，與全球專利申請類似，中國專利申請也起始于2016年，并逐年增長，顯示了其發展趨勢。

圖7 MEC技術中國專利申請趨勢圖

圖8展示了中國范圍內在MEC技術上布局專利的十大申請人。可以看出，華為仍以一定優勢領先于其他企業，展示了其在5G通信領域的強大實力。中興作為另一家通信龍頭企業之一也在MEC領域的專利上有了一定部署。中國聯通作為運行商上榜體現了其在MEC技術上對專利的重視，而北郵、重郵、南郵作為國內通信領域的領先學府，擁有的專利數量表明了其對MEC這種新興技術的關注。此外，諾基亞、因特爾作為國外通信企業，與國內企業合作密切，因此也在中國部署了一定數量的MEC專利。騰訊和國家電網則在騰訊云、游戲和電網解決方案中廣泛應用了邊緣計算技術，因此也擁有了一定數量的MEC技術專利。

圖8 MEC技術中國專利申請Top10申請人分布圖

5 結束語

5G中的MEC邊緣計算技術是實現5G三大愿景的重要手段，在技術架構日趨成熟的基礎上，其多樣化的應用場景給這項技術以長遠的發展前景和廣闊的發展空間，國內外的多家通信、互聯網企業也在這項技術出現時就開始了商用的嘗試和專利的布局，現如今已在多行業實現了部署和運營，相信隨著該技術的推廣，將會出現更細化的技術標準和針對應用場景的技術改進，使得5G的MEC邊緣計算技術能更好地發揮優勢，為用戶帶來更好的通信服務體驗。