0 引言

    5G網(wǎng)絡采用NFV和SDN技術(shù)，進行網(wǎng)元功能的分解、抽象和重構(gòu)，5G網(wǎng)絡控制和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的新型IT化平臺，網(wǎng)絡向控制功能集中化和轉(zhuǎn)發(fā)功能分布化趨勢演進^[1-2]。邊緣計算作為5G架構(gòu)的一部分，可以驅(qū)動電信網(wǎng)絡架構(gòu)分布化，實現(xiàn)運營商業(yè)務本地化處理，提升網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理效率，滿足終端用戶的極致體驗，并滿足垂直行業(yè)網(wǎng)絡低時延、大流量、高安全性等訴求。

    應急通信通常指當前通信網(wǎng)絡設施被破壞時，為達到特殊通信保障需求的臨時緊急通信網(wǎng)絡。我國高度重視應急通信業(yè)務的規(guī)劃和建設，國家應急管理部2018年提出打造“公?；パa、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網(wǎng)絡目標，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。通過邊緣計算技術(shù)，用戶面網(wǎng)元UPF可以靈活地下沉部署到網(wǎng)絡邊緣，而策略控制PCF和會話管理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)邊緣的云計算設施提供本地化的應急通信服務，包括應急現(xiàn)場實時采集、現(xiàn)場救援隊伍之間以及現(xiàn)場與指揮中心的實時音視頻通信和指揮調(diào)度等。應急通信場景提出了快捷組網(wǎng)、配置簡單、易于維護等需求，需要快速構(gòu)建5G應急通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)。現(xiàn)有5G標準網(wǎng)絡復雜的組網(wǎng)配置和服務加載不利于5G應急通信的快速啟動。因此，簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和減少設備尺寸是5G現(xiàn)場應急通信系統(tǒng)的必要實施條件。

    本文從快速構(gòu)建應急通信專網(wǎng)應用場景入手，提出一種高效的一體化邊緣融合技術(shù)和設備實現(xiàn)方案。

1 現(xiàn)場應急通信系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)場應急場景

    當自然災害發(fā)生時，災區(qū)原有基礎(chǔ)通信設施、道路設施、電力設施等會遭受不同程度的損壞，第一時間的受災信息有效傳輸和現(xiàn)場指揮調(diào)度是災害救援的關(guān)鍵，通常需要現(xiàn)場快速構(gòu)建應急通信系統(tǒng)。

    對于自然災害導致本地通信網(wǎng)絡基本癱瘓的受災場景，一方面無法利用現(xiàn)有公網(wǎng)設施通信；另一方面即使是未被破壞的公網(wǎng)設施，也會由于用戶突增導致網(wǎng)絡阻塞。該場景下的應急通信要求具有非常高的機動性、靈活性強和適應性?；趹蓖ㄐ跑?、便攜式基站和系留式無人機等方式，通過高通量衛(wèi)星作為5G核心網(wǎng)回傳鏈路，臨時構(gòu)建覆蓋災區(qū)的5G現(xiàn)場應急通信網(wǎng)絡，在保證現(xiàn)場各救援隊伍通信調(diào)度的同時，也可以進一步服務于受災群眾。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

    典型現(xiàn)場應急通信系統(tǒng)如圖1所示。

    現(xiàn)場緊急系統(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

    在地震等災害救援現(xiàn)場，基本上無線網(wǎng)絡覆蓋了整個救援體系，即使有線網(wǎng)絡也會存在于在救援過程中，但是由于地震的特殊背景，對于救援現(xiàn)場的靈活快速布網(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方式快速進行現(xiàn)場無線網(wǎng)絡構(gòu)建。

    (2)無線回傳部分

    救援現(xiàn)場通信網(wǎng)與救援指揮中心之間必須要實現(xiàn)互連，完成語音、數(shù)據(jù)、視頻的通信。無線回程傳輸可以建立現(xiàn)場與指揮中心之間的數(shù)據(jù)連接，實時傳送現(xiàn)場救援情況和受災情況給指揮中心，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)場的無線終端包括了所有能支持無線功能的設施設備總和，現(xiàn)場支持該功能的設備多種多樣。救援現(xiàn)場無線終端設備主要給救援隊員使用，救援工作人員通過上述的終端設備接入現(xiàn)場救援通信網(wǎng)絡。對災害現(xiàn)場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)場臨時指揮中心和后方災害指揮中心的總稱。指揮中心要對救援現(xiàn)場救援分隊回傳的圖像、視頻信息進行及時分析判斷，根據(jù)地震現(xiàn)場的實際情況再對救援隊伍下達正確的指令。指揮命令由整個應急通信系統(tǒng)傳達給臨時救援指揮中心或者直接下達給現(xiàn)場救援小組。

2 邊緣計算賦能應急系統(tǒng)

    邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。通過邊緣計算技術(shù)，用戶面網(wǎng)元UPF可以靈活地下沉部署到網(wǎng)絡邊緣，而策略控制PCF和會話管理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)邊緣的云計算設施提供本地化的應急通信服務，包括應急現(xiàn)場實時采集、現(xiàn)場救援隊伍之間以及現(xiàn)場與指揮中心的實時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，各個功能分散在網(wǎng)絡中的不同位置，通過標準接口完成通信交互^[1-2，4]，如圖2所示。

    邊緣計算賦能現(xiàn)場應急保障系統(tǒng)時，如果5G基站、UPF和MEC能力按照獨立設備進行通信和組網(wǎng)，存在以下不足：

    (1)每個功能設備需要獨立進行啟動和配置應用，增加了管理和維護成本；

    (2)每個功能設備需要獨立進行組網(wǎng)規(guī)則，打通承載網(wǎng)絡，不利于應急通信系統(tǒng)的快速搭建；

    (3)功能設備間通過底層承載網(wǎng)絡通信，通信質(zhì)量受網(wǎng)絡不穩(wěn)定因素影響較大，不利于實時通信業(yè)務的開展。

    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備，采用內(nèi)部通道縮短交互距離和部分業(yè)務卸載到加速卡的方式，滿足了邊緣業(yè)務低時延、高性能的通信能力要求，有效彌補了獨立設備的缺點。

3 一體化設備方案

3.1 總體結(jié)構(gòu)

    一體化邊緣融合5G設備系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

    一體化設備同時集成了基站(gNB)、數(shù)據(jù)面(UPF)、邊緣計算平臺(MEC)功能，覆蓋邊緣業(yè)務場景中的3個主要功能設備。其中，一體化設備通過統(tǒng)一的OAM暴露配置接口，并且功能間通過高效率的內(nèi)部通道實現(xiàn)模塊間交互。同時，一體化設備集成加速網(wǎng)卡，針對上述3個功能中耗時較大的業(yè)務進行硬件加速。

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)議錯誤檢測；

    (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、狀態(tài)報告、數(shù)據(jù)恢復；

    (5)L2-SDAP功能：流映射、QFI標識；

    (6)GTP-U功能：Echo/Error Indication/End Marker過程、擴展頭支持、GTP-U數(shù)據(jù)收發(fā)、連接設置和釋放；

    (7)RRM功能：接入控制、負載控制、無線資源管理；

    (8)L3基本功能：RRC連接、RRC狀態(tài)管理、尋呼、無線測量、承載控制、移動性管理。

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策略應用；

    (2)N4支持：支持3GPP標準N4接口，包括PDU會話創(chuàng)建、PDU會話修改、PDU會話釋放、EndMark和N4 SetUp等; 

    (3)增值業(yè)務：支持L2TP、IPSec、DPI、DNS等。

3.2.3 MEC平臺

    MEC作為邊緣應用平臺，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和負載均衡等轉(zhuǎn)發(fā)能力；

    (2)開放能力：提供符合OpenAPI標準的APIGW功能；

    (3)APP管理能力：APP應用部署實例化或終結(jié)，APP應用部署位置遷移；APP應用生命周期管理，并將狀態(tài)上報MEAO；為APP提供服務治理(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VM的接口關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)內(nèi)部消息交互；

    (2)數(shù)據(jù)發(fā)送到外部：報文經(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)進入后根據(jù)VLAN TAG送入指定的VF處理，由VF剝除TAG頭后進入內(nèi)部網(wǎng)橋，再由網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)到各個功能模塊。

3.4 加速卡支持

    為了釋放CPU資源或者針對部分業(yè)務提供加速支持，提升業(yè)務處理性能，降低處理時延，一體化設備通過擴展加速卡的方式，滿足特定場景的加速需求，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)務需要和資源滿足度，集成基站、UPF、MEC的一體化設備可以共享一張加速卡或獨享一張加速卡，即加速卡同時為多個功能提供加速服務。另外，除上述功能專有加速業(yè)務外，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 運行視圖

    以UE上行數(shù)據(jù)為例，一體化融合5G設備中g(shù)NB、UPF和MEC功能的交互方式如圖9所示。

    上述運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)目標地為MEC，流量仍然由內(nèi)部通道到達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。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)部通道進行，避免了繁瑣組網(wǎng)的同時，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備的方式，在本地卸載大量應急系統(tǒng)流量，結(jié)合基于OVS+DPDK的內(nèi)部通信機制，使轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)與內(nèi)核完全隔離，降低與內(nèi)核的耦合性的同時提升了轉(zhuǎn)發(fā)效率，提高整體業(yè)務處理性能。一體化邊緣融合技術(shù)為5G現(xiàn)場應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邊緣應用服務能力，同時也簡化了設備運維復雜性和外部組網(wǎng)要求，并提高了整機系統(tǒng)的服務性能。此外，一體化融合5G設備進一步下沉了邊緣業(yè)務，實時性得到充分保障，從而可以滿足應急通信快速部署的需要。

參考文獻

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作者信息:

侯  佳，芒  戈，朱雪田

(中國電信股份有限公司研究院，北京102209)