繼續(xù)深挖應(yīng)用需求無線云網(wǎng)絡(luò)加速助力邊緣計算

中國移動研究院|任容瑋 孫奇 劉景磊 段然 李剛

未來，中國移動將繼續(xù)深度挖掘邊緣應(yīng)用的需求，為邊緣計算的落地構(gòu)筑堅實(shí)的基礎(chǔ)。

目前關(guān)于邊緣計算的研究不僅在各大開源社區(qū)中相繼展開了專項(xiàng)課題研究，也成為各大技術(shù)討論會的熱門話題。利用獨(dú)有的邊緣計算能力，運(yùn)營商不僅可以提升用戶的業(yè)務(wù)感知，更可以獲得新的商業(yè)契機(jī)。本文從無線云網(wǎng)絡(luò)及CU/DU架構(gòu)的角度，分析無線云網(wǎng)絡(luò)與邊緣計算的關(guān)系，并進(jìn)一步給讀者展現(xiàn)中國移動在該領(lǐng)域的最新工作進(jìn)展，最后展望未來MEC研發(fā)策略和思路，希望給行業(yè)伙伴以新的啟發(fā)。

無線云網(wǎng)絡(luò)與邊緣計算

無線云化是指基于CU/DU兩級協(xié)議棧架構(gòu)，通過引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)得到無線網(wǎng)按需部署能力。CU/DU兩級架構(gòu)是將原有的BBU無線協(xié)議棧以處理內(nèi)容的實(shí)時性進(jìn)行切分，CU主要包括非實(shí)時的無線高層協(xié)議棧功能，可運(yùn)行在NFV云平臺之上。CU可分為控制面和用戶面功能，實(shí)現(xiàn)云化后，用戶面處理功能可根據(jù)邊緣業(yè)務(wù)需求靈活位置共部署，而控制面對無線空口的實(shí)時感知和控制能力也將進(jìn)一步助力MEC應(yīng)用。

一方面，作為一片區(qū)域內(nèi)的基站控制節(jié)點(diǎn)，CU對無線空口的實(shí)時感知、預(yù)測和控制能力可助力MEC業(yè)務(wù)優(yōu)化。在移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為了滿足VR/AR、視頻、游戲等一些對時延、帶寬有高要求的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)和應(yīng)用服務(wù)側(cè)需要進(jìn)行跨層交互，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同的雙向優(yōu)化。

首先，CU側(cè)可實(shí)時預(yù)測空口傳輸質(zhì)量狀態(tài)，并通知應(yīng)用服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)可以根據(jù)空口傳輸質(zhì)量及時調(diào)整傳輸層或應(yīng)用層，如進(jìn)行TCP窗口優(yōu)化或業(yè)務(wù)速率調(diào)整以使得傳輸和業(yè)務(wù)精確適配空口傳輸狀態(tài)，提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)。其次，CU可以進(jìn)一步感知業(yè)務(wù)特征來對空口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定制化精細(xì)化的調(diào)整，以提供差異化、極致化的用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。目前基站從核心網(wǎng)MME獲取QCI業(yè)務(wù)分類是比較粗的，難以針對同一類型業(yè)務(wù)的不同用戶提供差異化的QoS能力?；贑U云平臺，可以通過深度包檢測實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)更精細(xì)化的識別，并基于海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對業(yè)務(wù)特征進(jìn)行學(xué)習(xí)和QoE建模?；跇I(yè)務(wù)特征學(xué)習(xí)及QoE建模，可以進(jìn)行實(shí)時QoE根因分析，進(jìn)一步指導(dǎo)無線空口網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)整。例如可以適配業(yè)務(wù)特征和優(yōu)先級，在無線資源管理算法和調(diào)度算法上給予不同策略。

另一方面，與業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能（CU、UPF等）共部署的邊緣云平臺提供了移動邊緣存儲和分布式計算能力。云化共平臺設(shè)計可助力多場景的MEC應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效的本地業(yè)務(wù)分流并向第三方提供高價值數(shù)據(jù)服務(wù)。例如在本地業(yè)務(wù)分流應(yīng)用上，可以在邊緣云平臺上部署無線緩存保障業(yè)務(wù)并結(jié)合計算能力，降低端到端時延，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用提供低時延、高可靠的性能保障。將AR/VR服務(wù)器部署在邊緣云平臺，可節(jié)省大量的圖像數(shù)據(jù)的傳輸時延，并且可以根據(jù)自身地域化的特點(diǎn)動態(tài)更新服務(wù)器端的內(nèi)容、增強(qiáng)體驗(yàn)。同時利用強(qiáng)大的計算能力，在云端進(jìn)行圖像渲染，降低終端成本、提升續(xù)航時間。鑒于邊緣云平臺的部署特點(diǎn)，其基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)具有高處理能效、高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量、上層軟件與基礎(chǔ)設(shè)施完全解耦部署等特點(diǎn)。

技術(shù)積累與產(chǎn)業(yè)推進(jìn)

在無線領(lǐng)域，為促進(jìn)MEC技術(shù)方案的完善，中國移動在無線與業(yè)務(wù)跨層優(yōu)化方案研究、虛擬化共享平臺優(yōu)化、通用硬件加速器等方面開展了研究工作，并取得了長足的進(jìn)步。

在無線網(wǎng)能力開放的方案研究和驗(yàn)證方面，中國移動在2017年5月完成了面向TCP協(xié)議跨層優(yōu)化的現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測驗(yàn)證工作。通過現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測數(shù)據(jù)流程的分析，TCP協(xié)議基于擁塞控制的發(fā)包機(jī)制不能及時反映空口變化，導(dǎo)致無法充分利用無線帶寬，從而降低用戶體驗(yàn)?？鐚觾?yōu)化方案是將基站提供實(shí)時估算的空口可用速率和基站側(cè)緩存大小的測量值隨同業(yè)務(wù)信令上報給業(yè)務(wù)發(fā)送端，業(yè)務(wù)發(fā)送端基于基站反饋的空口能力調(diào)整TCP發(fā)包速率，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)速率自動化地匹配空口帶寬。這一方案在杭州4G現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行了單站點(diǎn)的業(yè)務(wù)試點(diǎn)驗(yàn)證，實(shí)測TCP吞吐率相較于傳統(tǒng)方案可提升30%～45%，增益明顯與理論預(yù)期完全匹配。這僅是跨層優(yōu)化的一個簡單案例。在CU/DU架構(gòu)基礎(chǔ)上，預(yù)期利用CU與上層業(yè)務(wù)共部署后的數(shù)據(jù)低延遲交互特性，可引入更多的跨層優(yōu)化解決方案。

在邊緣云平臺的優(yōu)化和驗(yàn)證工作方面，考慮邊緣應(yīng)用大吞吐量的本地數(shù)據(jù)分流和低時延的業(yè)務(wù)特性，需要邊緣云平臺具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互能力。中國移動主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)合作伙伴通過幾年的技術(shù)積累和社區(qū)開源代碼的研發(fā)工作，優(yōu)化了NFVI底層的數(shù)據(jù)交互能力，并在2017年底發(fā)起了NFVI平臺網(wǎng)絡(luò)能力的測試。測試涵蓋了包括業(yè)界主流通信設(shè)備制造商、IT廠商在內(nèi)的8家供應(yīng)商N(yùn)FV基礎(chǔ)設(shè)施平臺環(huán)境，是一次對業(yè)內(nèi)主流虛擬化平臺能力的綜合評估。考慮無線網(wǎng)側(cè)重大數(shù)據(jù)吞吐的特性，測試設(shè)計上重點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)加速性能進(jìn)行了評估，涉及SR-IOV和OVS-DPDK模式下的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能、最大虛機(jī)數(shù)量、流表數(shù)量對轉(zhuǎn)發(fā)性能影響關(guān)系以及大轉(zhuǎn)發(fā)壓力下的系統(tǒng)穩(wěn)定性等四個方面。網(wǎng)絡(luò)性能評估結(jié)果表明，目前業(yè)內(nèi)主流NFVI平臺的單虛機(jī)數(shù)據(jù)吞吐量接近線速、平均抖動小于2us、轉(zhuǎn)發(fā)時延小于50us。在多虛擬機(jī)多流測試場景中，3000條數(shù)據(jù)流配置下性能穩(wěn)定，吞吐量同樣能夠接近系統(tǒng)線速，并且時延性能未受影響；在24小時加噪測試中，轉(zhuǎn)發(fā)性能表現(xiàn)良好，系統(tǒng)性能損失控制在5%以內(nèi)。

在硬件研究方面，相較于中心數(shù)據(jù)中心，邊緣應(yīng)用場景更需要引入針對業(yè)務(wù)卸載硬加速的硬件解決方案，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的處理效率、降低能耗。在綜合考慮MEC業(yè)務(wù)和共部署網(wǎng)絡(luò)功能的需求基礎(chǔ)之上，選擇合適的通用硬件加速器組成異構(gòu)計算云平臺就成了必然選擇。例如面向VR/AR、人工智能的應(yīng)用場景，可引入GPU處理器；而在數(shù)據(jù)加解密、組拆包應(yīng)用場景下，可引入FPGA/ASIC加速器；在大吞吐量網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景下，則需要引入智能網(wǎng)卡支持包轉(zhuǎn)發(fā)能力的卸載和加速。這就要求邊緣兼容多種加速器類型及異廠家的加速器設(shè)備，并對加速器進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)用與管理。中國移動聯(lián)合眾多產(chǎn)業(yè)伙伴在OPNFV社區(qū)立項(xiàng)研發(fā)解決方案，實(shí)現(xiàn)硬件加速器的統(tǒng)一接口設(shè)計。通過這一方案，上層業(yè)務(wù)可以屏蔽加速器的類型與廠商差異，用統(tǒng)一的接口調(diào)用底層的加速器資源。目前研究的原型系統(tǒng)已具備了基本功能的演示能力，而相關(guān)代碼研發(fā)成果將進(jìn)一步回溯到OpenStack、Linux等相關(guān)社區(qū)。

未來工作展望

為進(jìn)一步推進(jìn)無線網(wǎng)云化和MEC的融合研究，2018年中國移動聯(lián)合AT&T、DT、NTT docomo、Orange五家運(yùn)營商聯(lián)合發(fā)起ORAN項(xiàng)目，旨在打造“開放”與“智能”的高靈活、低成本無線網(wǎng)絡(luò)。其中一個重要的研究內(nèi)容就是進(jìn)一步在CU能力開放的基礎(chǔ)上更好地支撐MEC業(yè)務(wù)的應(yīng)用。通過在無線云化的基礎(chǔ)架構(gòu)上引入大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以更加準(zhǔn)確地感知和預(yù)測業(yè)務(wù)需求，通過面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)上報接口和業(yè)務(wù)向下的網(wǎng)絡(luò)能力需求接口的標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與上層業(yè)務(wù)的緊密協(xié)作。愿景是將無線CU演進(jìn)為更加智能、更加迎合業(yè)務(wù)需求的邊緣業(yè)務(wù)支撐平臺，從而打造面向上層應(yīng)用業(yè)務(wù)的無線網(wǎng)PaaS平臺。

再者，支撐邊緣計算的整體方案研究已經(jīng)在規(guī)劃中。面向未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)MEC方案必將融合核心網(wǎng)功能設(shè)計、無線網(wǎng)能力開放方案、NFV基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)等多個方向的技術(shù)方案。目前，中國移動正在嘗試構(gòu)建基于邊緣云平臺的MEC端到端方案驗(yàn)證平臺，驗(yàn)證MEC、邊緣云、管理編排、5G與MEC協(xié)同、無線能力開放、策略和計費(fèi)等可運(yùn)營、可管理方案，從而為MEC在5G時代真正廣泛商用做好準(zhǔn)備。這一試驗(yàn)平臺方案接近真實(shí)的MEC運(yùn)行環(huán)境，將移動通信的各個功能模塊打通，使端到端整體的管道拉通，MEC才可能從孤島式的獨(dú)立應(yīng)用變?yōu)?G時代真正具有快速上線、快速復(fù)制和廣泛商用部署的完備方案。