文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209003
中文引用格式： 侯佳，芒戈，朱雪田. 面向應急通信的一體化5G邊緣融合技術研究[J].電子技術應用，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網絡采用NFV和SDN技術，進行網元功能的分解、抽象和重構，5G網絡控制和轉發平面分離的新型IT化平臺，網絡向控制功能集中化和轉發功能分布化趨勢演進[1-2]。邊緣計算作為5G架構的一部分，可以驅動電信網絡架構分布化，實現運營商業務本地化處理，提升網絡數據處理效率，滿足終端用戶的極致體驗，并滿足垂直行業網絡低時延、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絡。我國高度重視應急通信業務的規劃和建設，國家應急管理部2018年提出打造“公專互補、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網絡目標，并提出“系統化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發展要求。通過邊緣計算技術，用戶面網元UPF可以靈活地下沉部署到網絡邊緣，而策略控制PCF和會話管理SMF等控制面功能可以集中部署，可利用無線基站內部或無線接入網邊緣的云計算設施提供本地化的應急通信服務，包括應急現場實時采集、現場救援隊伍之間以及現場與指揮中心的實時音視頻通信和指揮調度等。應急通信場景提出了快捷組網、配置簡單、易于維護等需求，需要快速構建5G應急通信網絡和系統。現有5G標準網絡復雜的組網配置和服務加載不利于5G應急通信的快速啟動。因此，簡化網絡結構和減少設備尺寸是5G現場應急通信系統的必要實施條件。
本文從快速構建應急通信專網應用場景入手，提出一種高效的一體化邊緣融合技術和設備實現方案。
1 現場應急通信系統
1.1 現場應急場景
當自然災害發生時，災區原有基礎通信設施、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場指揮調度是災害救援的關鍵，通常需要現場快速構建應急通信系統。
對于自然災害導致本地通信網絡基本癱瘓的受災場景，一方面無法利用現有公網設施通信；另一方面即使是未被破壞的公網設施，也會由于用戶突增導致網絡阻塞。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。基于應急通信車、便攜式基站和系留式無人機等方式，通過高通量衛星作為5G核心網回傳鏈路，臨時構建覆蓋災區的5G現場應急通信網絡，在保證現場各救援隊伍通信調度的同時，也可以進一步服務于受災群眾。
1.2 系統架構
典型現場應急通信系統如圖1所示。
現場緊急系統由無線網覆蓋部分、無線回傳部分、無線終端部分和指揮中心等部分組成。
(1)無線網覆蓋部分
在地震等災害救援現場，基本上無線網絡覆蓋了整個救援體系，即使有線網絡也會存在于在救援過程中，但是由于地震的特殊背景，對于救援現場的靈活快速布網基本靠無線網覆蓋。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場無線網絡構建。
(2)無線回傳部分
救援現場通信網與救援指揮中心之間必須要實現互連，完成語音、數據、視頻的通信。無線回程傳輸可以建立現場與指揮中心之間的數據連接，實時傳送現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星通信完成回程傳輸，從安裝便捷性角度，通常采用基于衛星通信的方式[3]。
(3)無線終端部分
救援現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，現場支持該功能的設備多種多樣。救援現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場救援通信網絡。對災害現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場指揮中心或后方指揮中心，完成救援通信子網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場救援分隊回傳的圖像、視頻信息進行及時分析判斷，根據地震現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傳達給臨時救援指揮中心或者直接下達給現場救援小組。
2 邊緣計算賦能應急系統
邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、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，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。通過邊緣計算技術，用戶面網元UPF可以靈活地下沉部署到網絡邊緣，而策略控制PCF和會話管理SMF等控制面功能可以集中部署，可利用無線基站內部或無線接入網邊緣的云計算設施提供本地化的應急通信服務，包括應急現場實時采集、現場救援隊伍之間以及現場與指揮中心的實時音視頻通信和指揮調度等。
3GPP定義的5GS架構中包含5G終端(UE)、基站(gNB)、核心網-控制面(AMF、SMF、UDM、PCF等)、核心網-數據面(UPF)、MEC、數據中心等功能，各個功能分散在網絡中的不同位置，通過標準接口完成通信交互[1-2，4]，如圖2所示。
邊緣計算賦能現場應急保障系統時，如果5G基站、UPF和MEC能力按照獨立設備進行通信和組網，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規則，打通承載網絡，不利于應急通信系統的快速搭建；
(3)功能設備間通過底層承載網絡通信，通信質量受網絡不穩定因素影響較大，不利于實時通信業務的開展。
因此，如果將5G基站、UPF和MEC能力集成構建一體化邊緣融合設備，采用內部通道縮短交互距離和部分業務卸載到加速卡的方式，滿足了邊緣業務低時延、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 總體結構
一體化邊緣融合5G設備系統架構如圖3所示。
一體化設備同時集成了基站(gNB)、數據面(UPF)、邊緣計算平臺(MEC)功能，覆蓋邊緣業務場景中的3個主要功能設備。其中，一體化設備通過統一的OAM暴露配置接口，并且功能間通過高效率的內部通道實現模塊間交互。同時，一體化設備集成加速網卡，針對上述3個功能中耗時較大的業務進行硬件加速。
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、幀結構及系統帶寬，PDCCH CORESET及Search Space、隨機接入、上行同步、上/下行HARQ過程、上/下行調度、SR/BSR過程、上行功率控制、調度算法、尋呼、DRX；
(3)L2-RLC功能：TM/UM/AM數據傳輸、RLC重建、RLC協議錯誤檢測；
(4)L2-PDCP功能：PDCP數據傳輸、PDCP頭壓縮和解壓縮、PDCP加解密和完整性保護、狀態報告、數據恢復；
(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數據收發、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作為核心網的數據面，主要承載以下功能[4，6]，如圖5所示。
(1)轉發平面：GTPU加解封裝、PDU規則管理、PDR轉發、QoS策略應用；
(2)N4支持：支持3GPP標準N4接口，包括PDU會話創建、PDU會話修改、PDU會話釋放、EndMark和N4 SetUp等;
(3)增值業務：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)轉發能力：提供DNS、路由轉發、流量QoS和負載均衡等轉發能力；
(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，APP應用部署位置遷移；APP應用生命周期管理，并將狀態上報MEAO；為APP提供服務治理(發布、發現、轉發)；
(4)系統管控能力：流量監控、帶寬控制、基站側信息收集。
3.3 內部通道
內部通道作為一體化設備的內部功能通信方式,主要承載以下功能，如圖7所示。
(1)內部通信：通過寫OPENFLOW流表將兩個VM的接口關聯起來，實現內部消息交互；
(2)數據發送到外部：報文經過OVS轉發處理后，由VF增加VLAN TAG封裝后發送出去；
(3)從外部接收數據：外部數據進入后根據VLAN TAG送入指定的VF處理，由VF剝除TAG頭后進入內部網橋，再由網橋轉發到各個功能模塊。
3.4 加速卡支持
為了釋放CPU資源或者針對部分業務提供加速支持，提升業務處理性能，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流轉發能力支持[6]；
(3)為MEC提供GPU算力支持[7]。
加速模型如圖8所示。
根據業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務外，GTPU流轉發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上行數據為例，一體化融合5G設備中gNB、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UE發出后到達加速網卡，加速網卡直接交gNB(未加速)，gNB處理后通過內部通道交給UPF轉發，UPF轉發目標地為MEC，流量仍然由內部通道到達MEC，此路由為“慢”路徑或全路徑。
在完成首包的全路徑轉發后，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加速表項。非首包流量再次從UE發出后，經路徑②直接在加速網卡完成gNB、UPF處理后交MEC，MEC如涉及AI業務處理則再將數據交GPU處理。
另外，gNB、UPF、MEC功能的信令交互直接通過內部通道進行，避免了繁瑣組網的同時，提高了信令交互可靠性和效率。
4 結論
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流量，結合基于OVS+DPDK的內部通信機制，使轉發數據與內核完全隔離，降低與內核的耦合性的同時提升了轉發效率，提高整體業務處理性能。一體化邊緣融合技術為5G現場應急通信提供高度集成的無線RAN接入能力、UPF數據轉發能力、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要求，并提高了整機系統的服務性能。此外，一體化融合5G設備進一步下沉了邊緣業務，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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[4] 3GPP TS 29.244.Interface between the control plane and the user plane nodes(release 15)[S].2018.
[5] 3GPP TS 38.401.NG-RAN；architecture description(release 15)[S].3GPP，2018.
[6] 3GPP TS 29.554.Background data transfer policy control service(release 15)[S].3GPP，2018.
[7] ETSI GS MEC 003-2006.Mobile edge computing(MEC)；framework and reference architecture，v1.1[S].European Telecommunications Standards Institute(ETSI)， 2016.
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)