基于5G云網融合的車聯網應用技術探討*

陳云斌，王全，馮定東，陸威，李立平

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

蜂窩車聯網（C-V2X,Cellular Vehicle-to-Everything）是基于蜂窩網的車聯網技術。C-V2X賦予車輛通信能力，包括車與車之間（V2V）、車與路之間（V2I）、車與人之間（V2P）、車與網絡之間（V2N）等。V2X結合AI、機器視覺、高精度精確定位等技術，可以解決智能交通系統在汽車行駛安全、效率提升和信息服務等方面的需求，讓駕乘體驗更加舒適，交通環境更加安全。

C-V2X目前主要包括LTE-V2X和NR-V2X兩個大的標準階段。C-V2X兩個階段的技術互為補充，長期并存，共同支持豐富的車聯網應用。基于LTE的LTE-V2X在3GPP的R14版本中實現標準化，隨后R15對LTE V2X進行了功能增強。進入5G時代，R16通過5G NR更低時延、更高可靠性和更大容量來提供V2X服務，在V2N的基礎上，支持V2V和V2I直連通信，通過引入組播和廣播等多種通信方式，以及優化感知、調度、重傳以及車車間連接質量控制等技術，支持車輛編隊、半自動駕駛、外延傳感器、遠程駕駛等更豐富的車聯網應用[5]。R17進一步增強提高可靠性和降低時延的資源分配機制，用以滿足未來車聯網應用嚴苛的通信需求。

在C-V2X網絡中，連接著大量的車載終端和道路基礎設施，需要進行海量、實時的數據交互，由此產生海量數據傳輸、處理、存儲的需求，對網絡提出了更苛刻的要求。車聯網應用要求網絡既能支持超低時延的控制決策信息交互，又能支持大流量的業務信息傳遞。

1 云網融合對車聯網應用的必要性

智能汽車通過車載OBU（On Board Unit）每天將與周圍基礎設施產生GB量級的通信數據；輔助駕駛要求20～100 ms，自動駕駛要求時延低至3 ms。傳統的網絡架構和云計算方式已經遠遠不能滿足C-V2X需求。車聯網應用對云的要求不僅僅是算力，還需要更低的時延、更大的帶寬，網絡帶寬成為影響業務的重要指標。云服務的可靠性、可用性和擴展性也需要網絡的協同。然而，云網分離的現狀造成云網資源難以實現最佳匹配。

5G網絡利用云計算技術實現網絡云化，從封閉走向開放，向服務化的方向發展。為滿足5G業務低時延、高帶寬、高安全的需求，5G網絡進行分布式重構將成為必然選擇。5G網元的控制面和轉發面分離，控制面集中部署，用戶面下沉，靠近用戶分布式部署，實現云網融合，有效解決C-V2X對網絡的苛刻要求。

如圖1所示，5G網絡以中心、區域、邊緣數據中心為基礎，構建分布式云。分布云除了承載CT網元外，還可以部署車聯網應用。通過云網協同，可針對不同車聯網應用場景靈活地提供網絡切片，實現云網資源的精準調度和精準服務；通過云邊協同，可以選擇最佳UPF（User Plane Function）轉發節點，讓數據存儲在最合適的位置，讓業務運行在最佳的位置；通過邊邊協同，實現業務的按需加載和無縫切換。

圖1 基于5G云網融合的車聯網多級部署

借助5 G 分布式云，M E C（Multi-access Edge Computing）與C-V2X的融合，通過車聯網中網絡通信、計算、存儲的融合，實現車路云的協同感知、決策和控制。MEC在靠近用戶的網絡邊緣，提供無線網絡能力、IT業務環境和云計算能力，具有網絡能力開放、低時延、高性能、本地服務等特性[10]。MEC本地分流能力，能夠顯著降低車聯網應用的傳輸時延，適合部署安全駕駛類業務。MEC提供網絡信息開放功能，通過標準化接口開放邊緣網絡，包括無線網絡信息（RNIS）、位置信息、用戶信息等。利用MEC的位置信息開放可以輔助車載終端實現快速定位，有效提高定位效率和精度。MEC具備本地屬性，可以提供區域化、個性化的本地服務，同時降低回傳網絡負載壓力。在智慧交叉路口場景中，MEC可以融合和分析多個路側及車載傳感器采集的數據，并對大量數據提供實時、精確和可靠的本地計算與分析。當路側部署了能接入MEC平臺的路側雷達、攝像頭、智能紅綠燈、智能化標志標識等智能設施時，相應的車聯網應用可以借助路側感知的數據為車輛或行人提供信息服務。

綜上所述，云網融合可以實現端到端精準感知，提供云網一體的SLA保障，讓云網資源實現最佳匹配，從而更好地服務于車聯網應用。

2 基于5G云網融合的車聯網應用的關鍵技術

2.1 云網融合架構演進

當前主流的軟件開發模型是CS（Client-Server）模型，即客戶端發起服務請求，遠程服務器處理這些請求，這也是典型的云計算方式。但是，對于基于MEC的車聯網應用，開發人員需要根據車聯網應用需求，將時延敏感的應用運行在邊緣，將時延不敏感、算力要求高的應用運行在中心云[1]。因此，MEC加速云網融合，同時也帶來軟件架構上的變革，即從CS兩層架構架演進為CES（Client-Edge-Server）的三層架構。

如圖2所示，通常部署在網絡邊緣的MEC主機包含MEC平臺以及計算、存儲和網絡資源。MEC平臺提供安全的環境，MEC應用可以通過RESTful API發現、通告、消費和提供服務[1]。

圖2 CES軟件架構[1]

CES架構的軟件設計與傳統軟件不同，可以分為終端組件（Client）、邊緣組件（Edge）和遠端組件（Server）。

終端組件的位置可以是智能汽車或其它無線連接的計算終端，運行客戶端應用程序，初步處理需要接近零延遲的任務。

邊緣組件指在邊緣云中執行的組件。例如，駕駛安全類業務對通信時延提出了苛刻的要求，將此類業務部署在MEC上比部署在中心云上更能顯著降低業務響應時間。

遠程組件是指要在遠程數據中心執行的組件。例如，對路況分析和統一調度，根據區域車輛密度、道路擁堵情況、擁堵節點位置以及車輛目標位置等信息，利用路徑優化的算法對車輛開展導航調度，避免擁堵進一步惡化。此場景對時延不敏感，但需要對海量數據處理、綜合路徑規劃的計算能力，還要能提供各類綜合信息的存儲能力，適合以遠程組件形式部署在中心云。

基于微服務的設計方法特別適合CES架構。微服務以拆分和服務化為基礎，將海量用戶產生的大規模的訪問流量進行分解，采用分而治之的方法，達成用戶需要的功能指標，并同時滿足用戶對高可用、高性能、可伸縮和可擴展的要求。不同于傳統軟件通過分布式部署解決負載均衡的問題，CES架構基于5G云網融合，通過分布式下沉部署來滿足超低時延、超大帶寬等只能在網絡邊緣實現的關鍵業務的需求。應用開發人員設計時，將需要低時延的組件部署在邊緣，需要高算力的組件部署在中心云。通過云網的協同，讓應用程序支持分布式處理、上下文同步和多級負載均衡。CES這種分布式部署方式可以充分發揮云網融合的優勢，在最適當的位置執行最合適的任務。

2.2 云網資源共享

車聯網應用無處不在，只有部署足夠廣泛的邊緣計算節點，才能滿足C-V2X的需求，吸引更多的業務遷移到邊緣。然而，由于站點和環境限制，很難找到標準數據中心部署通用服務器。邊緣計算節點的建設需要進行大量投資，作為新興的業務，近期的回報沒有任何保證，投資風險大。降低此類戰略投資的重大成本和風險的方法是云網共部署，實現云網資源的共享。

對運營商而言，將MEC與CT業務共享同一個云基礎設施，可以最大限度地利用5G的云基礎設施，大幅降低投資成本。運營商擁有大量的分布在全國各地的機房、高質量的網絡出口，部署MEC具備天然優勢。然而，現有的邊緣機房空間小，無法放置通用服務器。邊緣機房供電不足，制冷條件差，改造難度大。如何充分利用這些現有的機房成為關鍵。

出于性能、成本、可擴展性等多種因素考慮，運營商的部署方案包括：

1）中心機房：機房條件好，采用通用服務器。

2）邊緣機房：受限于機房空間、制冷和供電能力，邊緣服務器要求低功耗、體積小，以及更廣的溫度適應性和更強的環境適應性來應對邊緣機房的復雜環境。

3）接入機房：基于BBU（Building Base band Unit）的空閑槽位，插入嵌入式X86單板，無需額外空間，現有機房不用改造。

為了進一步降低投資，解決機房站點問題，采用CRAN（Cloud RAN）和MEC融合可以更好地適應新的MEC應用。MEC與CRAN合設，共用同一個NFVI，實現資源的共享。MEC和CRAN之間的交互可以通過內部接口進行，利用共享基礎設施的性能優勢，可以提高通信效率并有效地支持實時應用。基于MEC的車聯網應用更靠近RAN部署，RNIS（Radio Network Information Services）獲取無線信息的最佳方式是直接與CRAN交互，而不是通過核心網絡的網絡功能（例如網絡暴露功能）進行長時間的路由[2]。

2.3 云網能力開放

傳統軟件設計采用應用和網絡分層設計原則，開發人員不需要關心網絡，無線網絡狀況對應用不可知。但是，隨著車聯網應用對網絡指標要求越來越苛刻，應用設計開始要結合網絡的情況，從而提升應用性能和易用性。典型的應用場景如視頻壓縮，根據網絡質量調整視頻流的壓縮比。利用MEC開放的無線網絡信息也可以對TCP傳輸的控制方法進行優化，有效規避高清視頻等多媒體數據傳輸過程中發生的網絡擁塞[11]。

MEC打破封閉的網絡架構，在云和網之間構建一個橋梁，讓應用感知網絡，讓網絡感知應用。

如圖3所示，MEC平臺虛擬化層為上層各種能力服務以及應用提供虛擬化平臺資源及管理，滿足不同應用共享統一的基礎設施。MEP（MEC Platform）能力開放平臺提供UPF的本地分流能力，以及NAT、虛擬防火墻vFW、DNS、業務負載均衡LB等基本服務能力。同時，MEP還提供無線網絡信息服務（RNIS,Radio Network Information Service）、帶寬管理、業務路由規則、無線室內定位等服務。這些服務通過網絡能力開放框架，以API接口方式來提供服務。邊緣服務能力層采用微服務化框架設計，隨著后續業務需求的變化，可以引入新的能力，如AI能力、大數據能力等來豐富完善MEC的能力層。

圖3 MEC能力開放平臺

在遵循分層設計原則的同時，MEC為網絡和應用提供開放的服務接口。通過引入了這樣的服務環境，可以極大地改善用戶體驗。通過MEC服務可以提供應用應在何處運行的相關信息，如預期的網絡延遲、吞吐量等。簡而言之，借助MEC，環境變得可預測，環境（即上下文）信息可用于主動調整應用運行的行為。這意味著軟件的設計過程中需要增加考慮網絡參數。例如，通過MEC無線網絡信息服務RNIS，能夠將無線信道質量、小區ID、小區負荷和吞吐量等信息開放給應用[3]，引入AI等人工智能分析推理能力，可以實現業務QoS（Quality of Service）從用戶級到報文級的更細粒度保障，提供位置感知、鏈路質量預測等新的網絡能力。類似地，MEC應用可以使用帶寬管理API提出帶寬請求，為應用預留網絡資源，這使得邊緣應用能夠以可預測/可控制的方式從低延遲和高吞吐量中受益，并且在服務設計時可以利用這些信息來優化端到端的服務架構。

此外，5G網絡本身還可以受益于MEC服務，例如，通過預測接入的用戶行為，可以最大限度地提高網絡效率。通過DPI識別，賦予基站對上層業務的識別能力，讓無線感知業務、感知用戶，從而可以為不同業務、不同用戶提供差異化QoS的能力。

2.4 云網協同

當車載終端在5G網絡中移出當前MEC服務覆蓋范圍時，涉及跨MEC之間的切換，此時造成的數據報文的丟失會影響終端業務的體驗，這對于要求超低時延和高可靠性的自動駕駛類應用是不可接受的。因此，需要解決低時延應用的業務連續性問題[8]。

為了保障業務連續性，5G網絡架構從滿足業務需求的角度出發，定義了三種業務與會話連續性模式SSC（Session and Service Continuity），包括PDU（Protocol Data Unit）會話連接的“一直不斷”、“先拆后建”或“先建后拆”。車聯網應用場景采用“先建后斷”的業務與會話連接模式，當終端移動出原有UPF覆蓋范圍時，新的PDU會話會率先建立，原有的會話連接才會釋放[7]。

除了從網絡層面保障業務與會話連接不中斷，還需要從業務層面來保障業務的連續性。基于MEC的車聯網應用，隨著車輛終端的移動或者其它條件的變化，在不同時刻要求MEC應用的位置不同，MEC應用需要在正確的時刻運行在正確的地方，不同的位置可能有不同的成本（在資源可用性、能耗等方面）。

車聯網應用在不同MEC之間遷移，涉及特定用戶應用相關信息的同步。大量的數據同步將增加業務時延，同時可能對網絡造成沖擊。基于微服務架構，采用無狀態設計是一種可行的方法。MEC應用與狀態無關，不需要同步和保存服務的狀態信息。當終端移動到另一個MEC主機覆蓋的位置時，可以避免大量的數據同步。終端的狀態數據和信息存放在中心云，便于車聯網應用的集中調度，全局協同。對于時延敏感類的數據，可以在MEC本地緩存。通過網絡能力開放，可以基于時延、吞吐量等QoS性能預測切換，幫助車輛終端選擇基站和MEC主機[5]。通過對MEC切換時機的預測，僅在MEC主機需要切換時，提前向MEC主機發起狀態遷移，做好數據同步，即降低了切換的時延，還大幅降低同步的數據量。

3 問題與展望

引入MEC提供車聯網應用，同時也引入了潛在的安全威脅和漏洞。基于MEC的車聯網應用與網絡功能相同的物理平臺上運行，這些應用程序可以是第三方應用程序，而不是由運營商直接控制。這些應用可能會耗盡網絡功能所需的資源，也可能為黑客提供侵入平臺的攻擊媒介，進而影響平臺運行的網絡功能。如何確保MEC環境中的系統故障不會影響5G網絡是運營商需要關注的問題。

無線網絡能力開放還處于探索階段，充分利用無線網絡能力加速ICT融合創新，需要全產業鏈的共同合作。同時，無線網絡能力開放也涉及到用戶的隱私問題，比如位置信息，需要對數據進行脫敏處理，要避免提惡意提取和意外泄漏私有信息。

4 結束語

云網打破界限，實現云網融合是技術發展的趨勢。基于5G云網融合的基礎設施，不僅可以滿足車聯網應用低時延、大帶寬和高可靠的需求，還可以充分共享運營商5G基礎設施，實現低成本快速部署。除了車聯網應用，數字化轉型中的AI質量檢測、遠程控制、AR/VR等應用，也需要通過云網融合來提供精準的算力，以及提供無線網絡能力開放，加速業務創新。云網融合的基礎設施是數字化經濟的基石，是推動各行各業數字化轉型的重要推手。