文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209003
中文引用格式： 侯佳，芒戈，朱雪田. 面向應(yīng)急通信的一體化5G邊緣融合技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(2)：9-13.
英文引用格式： Hou Jia，Mang Ge，Zhu Xuetian. Research on integrated 5G edge fusion technology for emergency communication[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：9-13.
0 引言
5G網(wǎng)絡(luò)采用NFV和SDN技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)元功能的分解、抽象和重構(gòu)，5G網(wǎng)絡(luò)控制和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的新型IT化平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)向控制功能集中化和轉(zhuǎn)發(fā)功能分布化趨勢(shì)演進(jìn)[1-2]。邊緣計(jì)算作為5G架構(gòu)的一部分，可以驅(qū)動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分布化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)本地化處理，提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理效率，滿足終端用戶的極致體驗(yàn)，并滿足垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大流量、高安全性等訴求。
應(yīng)急通信通常指當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被破壞時(shí)，為達(dá)到特殊通信保障需求的臨時(shí)緊急通信網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)高度重視應(yīng)急通信業(yè)務(wù)的規(guī)劃和建設(shè)，國(guó)家應(yīng)急管理部2018年提出打造“公專互補(bǔ)、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。通過邊緣計(jì)算技術(shù)，用戶面網(wǎng)元UPF可以靈活地下沉部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而策略控制PCF和會(huì)話管理SMF等控制面功能可以集中部署，可利用無線基站內(nèi)部或無線接入網(wǎng)邊緣的云計(jì)算設(shè)施提供本地化的應(yīng)急通信服務(wù)，包括應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集、現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍之間以及現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心的實(shí)時(shí)音視頻通信和指揮調(diào)度等。應(yīng)急通信場(chǎng)景提出了快捷組網(wǎng)、配置簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等需求，需要快速構(gòu)建5G應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。現(xiàn)有5G標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的組網(wǎng)配置和服務(wù)加載不利于5G應(yīng)急通信的快速啟動(dòng)。因此，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和減少設(shè)備尺寸是5G現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的必要實(shí)施條件。
本文從快速構(gòu)建應(yīng)急通信專網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景入手，提出一種高效的一體化邊緣融合技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案。
1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)
1.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急場(chǎng)景
當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，災(zāi)區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施、道路設(shè)施、電力設(shè)施等會(huì)遭受不同程度的損壞，第一時(shí)間的受災(zāi)信息有效傳輸和現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度是災(zāi)害救援的關(guān)鍵，通常需要現(xiàn)場(chǎng)快速構(gòu)建應(yīng)急通信系統(tǒng)。
對(duì)于自然災(zāi)害導(dǎo)致本地通信網(wǎng)絡(luò)基本癱瘓的受災(zāi)場(chǎng)景，一方面無法利用現(xiàn)有公網(wǎng)設(shè)施通信；另一方面即使是未被破壞的公網(wǎng)設(shè)施，也會(huì)由于用戶突增導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。該場(chǎng)景下的應(yīng)急通信要求具有非常高的機(jī)動(dòng)性、靈活性強(qiáng)和適應(yīng)性。基于應(yīng)急通信車、便攜式基站和系留式無人機(jī)等方式，通過高通量衛(wèi)星作為5G核心網(wǎng)回傳鏈路，臨時(shí)構(gòu)建覆蓋災(zāi)區(qū)的5G現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，在保證現(xiàn)場(chǎng)各救援隊(duì)伍通信調(diào)度的同時(shí)，也可以進(jìn)一步服務(wù)于受災(zāi)群眾。
1.2 系統(tǒng)架構(gòu)
典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)如圖1所示。
現(xiàn)場(chǎng)緊急系統(tǒng)由無線網(wǎng)覆蓋部分、無線回傳部分、無線終端部分和指揮中心等部分組成。
(1)無線網(wǎng)覆蓋部分
在地震等災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)，基本上無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋了整個(gè)救援體系，即使有線網(wǎng)絡(luò)也會(huì)存在于在救援過程中，但是由于地震的特殊背景，對(duì)于救援現(xiàn)場(chǎng)的靈活快速布網(wǎng)基本靠無線網(wǎng)覆蓋。通常使用便攜式基站與天線或基于無人機(jī)方式快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。
(2)無線回傳部分
救援現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)與救援指揮中心之間必須要實(shí)現(xiàn)互連，完成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻的通信。無線回程傳輸可以建立現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心之間的數(shù)據(jù)連接，實(shí)時(shí)傳送現(xiàn)場(chǎng)救援情況和受災(zāi)情況給指揮中心，以方便指揮決策。無線回程傳輸部分可以借助光纖設(shè)施或衛(wèi)星通信完成回程傳輸，從安裝便捷性角度，通常采用基于衛(wèi)星通信的方式[3]。
(3)無線終端部分
救援現(xiàn)場(chǎng)的無線終端包括了所有能支持無線功能的設(shè)施設(shè)備總和，現(xiàn)場(chǎng)支持該功能的設(shè)備多種多樣。救援現(xiàn)場(chǎng)無線終端設(shè)備主要給救援隊(duì)員使用，救援工作人員通過上述的終端設(shè)備接入現(xiàn)場(chǎng)救援通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的信息收集和圖像視頻的采集通過無線回程傳輸給救援現(xiàn)場(chǎng)指揮中心或后方指揮中心，完成救援通信子網(wǎng)與指揮救援中心的通信，以方便救援指揮部門的決策部署。
(4)指揮中心
指揮中心一般情況是指救援現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)指揮中心和后方災(zāi)害指揮中心的總稱。指揮中心要對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)救援分隊(duì)回傳的圖像、視頻信息進(jìn)行及時(shí)分析判斷，根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況再對(duì)救援隊(duì)伍下達(dá)正確的指令。指揮命令由整個(gè)應(yīng)急通信系統(tǒng)傳達(dá)給臨時(shí)救援指揮中心或者直接下達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)救援小組。
2 邊緣計(jì)算賦能應(yīng)急系統(tǒng)
邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。通過邊緣計(jì)算技術(shù)，用戶面網(wǎng)元UPF可以靈活地下沉部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而策略控制PCF和會(huì)話管理SMF等控制面功能可以集中部署，可利用無線基站內(nèi)部或無線接入網(wǎng)邊緣的云計(jì)算設(shè)施提供本地化的應(yīng)急通信服務(wù)，包括應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集、現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍之間以及現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心的實(shí)時(shí)音視頻通信和指揮調(diào)度等。
3GPP定義的5GS架構(gòu)中包含5G終端(UE)、基站(gNB)、核心網(wǎng)-控制面(AMF、SMF、UDM、PCF等)、核心網(wǎng)-數(shù)據(jù)面(UPF)、MEC、數(shù)據(jù)中心等功能，各個(gè)功能分散在網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，通過標(biāo)準(zhǔn)接口完成通信交互[1-2，4]，如圖2所示。
邊緣計(jì)算賦能現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急保障系統(tǒng)時(shí)，如果5G基站、UPF和MEC能力按照獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行通信和組網(wǎng)，存在以下不足：
(1)每個(gè)功能設(shè)備需要獨(dú)立進(jìn)行啟動(dòng)和配置應(yīng)用，增加了管理和維護(hù)成本；
(2)每個(gè)功能設(shè)備需要獨(dú)立進(jìn)行組網(wǎng)規(guī)則，打通承載網(wǎng)絡(luò)，不利于應(yīng)急通信系統(tǒng)的快速搭建；
(3)功能設(shè)備間通過底層承載網(wǎng)絡(luò)通信，通信質(zhì)量受網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定因素影響較大，不利于實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的開展。
因此，如果將5G基站、UPF和MEC能力集成構(gòu)建一體化邊緣融合設(shè)備，采用內(nèi)部通道縮短交互距離和部分業(yè)務(wù)卸載到加速卡的方式，滿足了邊緣業(yè)務(wù)低時(shí)延、高性能的通信能力要求，有效彌補(bǔ)了獨(dú)立設(shè)備的缺點(diǎn)。
3 一體化設(shè)備方案
3.1 總體結(jié)構(gòu)
一體化邊緣融合5G設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
一體化設(shè)備同時(shí)集成了基站(gNB)、數(shù)據(jù)面(UPF)、邊緣計(jì)算平臺(tái)(MEC)功能，覆蓋邊緣業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的3個(gè)主要功能設(shè)備。其中，一體化設(shè)備通過統(tǒng)一的OAM暴露配置接口，并且功能間通過高效率的內(nèi)部通道實(shí)現(xiàn)模塊間交互。同時(shí)，一體化設(shè)備集成加速網(wǎng)卡，針對(duì)上述3個(gè)功能中耗時(shí)較大的業(yè)務(wù)進(jìn)行硬件加速。
3.2 各模塊功能
3.2.1 基站
基站作為接入網(wǎng)設(shè)備，主要承載以下功能[4-5]，如圖4所示。
(1)L1基本功能：物理和傳輸信道處理、隨機(jī)接入、載波聚合；
(2)L2-MAC功能：邏輯信道及傳輸信道、幀結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)帶寬，PDCCH CORESET及Search Space、隨機(jī)接入、上行同步、上/下行HARQ過程、上/下行調(diào)度、SR/BSR過程、上行功率控制、調(diào)度算法、尋呼、DRX；
(3)L2-RLC功能：TM/UM/AM數(shù)據(jù)傳輸、RLC重建、RLC協(xié)議錯(cuò)誤檢測(cè)；
(4)L2-PDCP功能：PDCP數(shù)據(jù)傳輸、PDCP頭壓縮和解壓縮、PDCP加解密和完整性保護(hù)、狀態(tài)報(bào)告、數(shù)據(jù)恢復(fù)；
(5)L2-SDAP功能：流映射、QFI標(biāo)識(shí)；
(6)GTP-U功能：Echo/Error Indication/End Marker過程、擴(kuò)展頭支持、GTP-U數(shù)據(jù)收發(fā)、連接設(shè)置和釋放；
(7)RRM功能：接入控制、負(fù)載控制、無線資源管理；
(8)L3基本功能：RRC連接、RRC狀態(tài)管理、尋呼、無線測(cè)量、承載控制、移動(dòng)性管理。
3.2.2 UPF
UPF作為核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)面，主要承載以下功能[4，6]，如圖5所示。
(1)轉(zhuǎn)發(fā)平面：GTPU加解封裝、PDU規(guī)則管理、PDR轉(zhuǎn)發(fā)、QoS策略應(yīng)用；
(2)N4支持：支持3GPP標(biāo)準(zhǔn)N4接口，包括PDU會(huì)話創(chuàng)建、PDU會(huì)話修改、PDU會(huì)話釋放、EndMark和N4 SetUp等;
(3)增值業(yè)務(wù)：支持L2TP、IPSec、DPI、DNS等。
3.2.3 MEC平臺(tái)
MEC作為邊緣應(yīng)用平臺(tái)，主要承載以下功能[7]，如圖6所示。
(1)轉(zhuǎn)發(fā)能力：提供DNS、路由轉(zhuǎn)發(fā)、流量QoS和負(fù)載均衡等轉(zhuǎn)發(fā)能力；
(2)開放能力：提供符合OpenAPI標(biāo)準(zhǔn)的APIGW功能；
(3)APP管理能力：APP應(yīng)用部署實(shí)例化或終結(jié)，APP應(yīng)用部署位置遷移；APP應(yīng)用生命周期管理，并將狀態(tài)上報(bào)MEAO；為APP提供服務(wù)治理(發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、轉(zhuǎn)發(fā))；
(4)系統(tǒng)管控能力：流量監(jiān)控、帶寬控制、基站側(cè)信息收集。
3.3 內(nèi)部通道
內(nèi)部通道作為一體化設(shè)備的內(nèi)部功能通信方式,主要承載以下功能，如圖7所示。
(1)內(nèi)部通信：通過寫OPENFLOW流表將兩個(gè)VM的接口關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部消息交互；
(2)數(shù)據(jù)發(fā)送到外部：報(bào)文經(jīng)過OVS轉(zhuǎn)發(fā)處理后，由VF增加VLAN TAG封裝后發(fā)送出去；
(3)從外部接收數(shù)據(jù)：外部數(shù)據(jù)進(jìn)入后根據(jù)VLAN TAG送入指定的VF處理，由VF剝除TAG頭后進(jìn)入內(nèi)部網(wǎng)橋，再由網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)功能模塊。
3.4 加速卡支持
為了釋放CPU資源或者針對(duì)部分業(yè)務(wù)提供加速支持，提升業(yè)務(wù)處理性能，降低處理時(shí)延，一體化設(shè)備通過擴(kuò)展加速卡的方式，滿足特定場(chǎng)景的加速需求，可以包括如下功能：
(1)為基站提供PDCP加解密支持[5]；
(2)為UPF提供GTPU流轉(zhuǎn)發(fā)能力支持[6]；
(3)為MEC提供GPU算力支持[7]。
加速模型如圖8所示。
根據(jù)業(yè)務(wù)需要和資源滿足度，集成基站、UPF、MEC的一體化設(shè)備可以共享一張加速卡或獨(dú)享一張加速卡，即加速卡同時(shí)為多個(gè)功能提供加速服務(wù)。另外，除上述功能專有加速業(yè)務(wù)外，GTPU流轉(zhuǎn)發(fā)加速可以為基站使用。如有需要，GPU加速也可以為UPF使用(例如：集成AI的UPF)。
3.5 運(yùn)行視圖
以UE上行數(shù)據(jù)為例，一體化融合5G設(shè)備中g(shù)NB、UPF和MEC功能的交互方式如圖9所示。
上述運(yùn)行視圖描述了兩條上行流量，其中流量①為首包流量，流量經(jīng)UE發(fā)出后到達(dá)加速網(wǎng)卡，加速網(wǎng)卡直接交gNB(未加速)，gNB處理后通過內(nèi)部通道交給UPF轉(zhuǎn)發(fā)，UPF轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)地為MEC，流量仍然由內(nèi)部通道到達(dá)MEC，此路由為“慢”路徑或全路徑。
在完成首包的全路徑轉(zhuǎn)發(fā)后，如果gNB、UPF、MEC啟用了加速卡，則將通過加速卡適配層向加速卡下發(fā)加速表項(xiàng)。非首包流量再次從UE發(fā)出后，經(jīng)路徑②直接在加速網(wǎng)卡完成gNB、UPF處理后交MEC，MEC如涉及AI業(yè)務(wù)處理則再將數(shù)據(jù)交GPU處理。
另外，gNB、UPF、MEC功能的信令交互直接通過內(nèi)部通道進(jìn)行，避免了繁瑣組網(wǎng)的同時(shí)，提高了信令交互可靠性和效率。
4 結(jié)論
通過將基站、UPF、MEC功能整合為一體化邊緣融合設(shè)備的方式，在本地卸載大量應(yīng)急系統(tǒng)流量，結(jié)合基于OVS+DPDK的內(nèi)部通信機(jī)制，使轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)與內(nèi)核完全隔離，降低與內(nèi)核的耦合性的同時(shí)提升了轉(zhuǎn)發(fā)效率，提高整體業(yè)務(wù)處理性能。一體化邊緣融合技術(shù)為5G現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信提供高度集成的無線RAN接入能力、UPF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力、MEC邊緣應(yīng)用服務(wù)能力，同時(shí)也簡(jiǎn)化了設(shè)備運(yùn)維復(fù)雜性和外部組網(wǎng)要求，并提高了整機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)性能。此外，一體化融合5G設(shè)備進(jìn)一步下沉了邊緣業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)性得到充分保障，從而可以滿足應(yīng)急通信快速部署的需要。
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作者信息:
侯 佳，芒 戈，朱雪田
(中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京102209)