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?；パa(bǔ)、寬窄融合,、固移融合”多維無(wú)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(guò)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(wú)線基站內(nèi)部或無(wú)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)?，F(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(wú)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,?；趹?yīng)急通信車,、便攜式基站和系留式無(wú)人機(jī)等方式，通過(guò)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(wú)線網(wǎng)覆蓋部分、無(wú)線回傳部分,、無(wú)線終端部分和指揮中心等部分組成,。

    (1)無(wú)線網(wǎng)覆蓋部分

    在地震等災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)，基本上無(wú)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(guò)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(wú)線網(wǎng)覆蓋,。通常使用便攜式基站與天線或基于無(wú)人機(jī)方式快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

    (2)無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線終端部分

    救援現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線終端包括了所有能支持無(wú)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(wú)線終端設(shè)備主要給救援隊(duì)員使用,，救援工作人員通過(guò)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(guò)無(wú)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(guò)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(wú)線基站內(nèi)部或無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)統(tǒng)一的OAM暴露配置接口，并且功能間通過(guò)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(guò)程,、上/下行調(diào)度、SR/BSR過(guò)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(guò)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(wú)線資源管理；

    (8)L3基本功能：RRC連接,、RRC狀態(tài)管理,、尋呼、無(wú)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(guò)寫OPENFLOW流表將兩個(gè)VM的接口關(guān)聯(lián)起來(lái),，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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)