面向5G的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)

丁健

【摘要】? ? 在物聯(lián)網(wǎng)和5G通信的驅(qū)動(dòng)下，近年來，移動(dòng)計(jì)算已經(jīng)發(fā)生了范式上的變化，從集中式移動(dòng)云計(jì)算走向移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）。首先介紹了MEC的計(jì)算和通信模型，然后介紹了MEC的資源管理技術(shù)，最后分析了MEC可能面臨的挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】? ? 移動(dòng)邊緣計(jì)算? ? 通信模型? ? 資源管理

MEC的概念最初在2014年由ETSI提出，MEC是一種新的平臺(tái)，能夠在靠近移動(dòng)用戶側(cè)的無線接入網(wǎng)RAN側(cè)提供IT和云計(jì)算能力。MEC的主要特點(diǎn)是將移動(dòng)計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)控制和存儲(chǔ)功能“下沉”到網(wǎng)絡(luò)邊緣（如基站和無線接入點(diǎn)等），如下圖1所示，以便在資源有限的移動(dòng)終端設(shè)備上使用計(jì)算密集型和時(shí)延高的關(guān)鍵型應(yīng)用程序。MEC可以有效減少延遲和移動(dòng)能耗，是5G的關(guān)鍵技術(shù)。無線通信和移動(dòng)計(jì)算是推動(dòng)MEC發(fā)展的兩大學(xué)科，并由此產(chǎn)生了大范圍的新的設(shè)計(jì)，從計(jì)算卸載技術(shù)到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

本文首先介紹了MEC的計(jì)算和通信模型，然后介紹了MEC的資源管理技術(shù)，最后分析了MEC未來可能面臨的挑戰(zhàn)。

一、MEC的計(jì)算和通信模型

1.1計(jì)算任務(wù)模型

在計(jì)算任務(wù)的建模過程中，有各種參數(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括時(shí)延、帶寬利用率、上下文感知、通用性和可測量性等。盡管建立精確的任務(wù)模型很復(fù)雜，但也存在簡單可靠的可計(jì)算的模型。下面將介紹兩種廣泛使用在MEC上的計(jì)算任務(wù)模型，兩元卸載和部分計(jì)算卸載模型。

（1）二元任務(wù)卸載模型

二元卸載模型適用于完整性要求較高或者相對(duì)簡單的任務(wù)，這些任務(wù)不可分割，必須作為一個(gè)整體卸載到MEC服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算處理。

（2）部分任務(wù)卸載模型

部分卸載模型主要針對(duì)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。通過部分卸載，終端的計(jì)算任務(wù)被分成兩部分，一部分在移動(dòng)設(shè)備執(zhí)行，一部分卸載到邊緣設(shè)備執(zhí)行。適用于部分卸載的最簡單的任務(wù)模型是數(shù)據(jù)分區(qū)模型，其中任務(wù)是逐位獨(dú)立的，可以任意劃分為不同的組，由MEC系統(tǒng)中的不同實(shí)體執(zhí)行。實(shí)際情況中，不同子任務(wù)之間可能存在著依賴關(guān)系，顯著影響程序的執(zhí)行和計(jì)算的卸載。首先，子任務(wù)的執(zhí)行順序是不可以任意選擇的，比如：子任務(wù)A的輸出是子任務(wù)B的輸入，劃分后的子任務(wù)無法同時(shí)執(zhí)行。其次，由于軟硬件的限制，一些子任務(wù)可以卸載到遠(yuǎn)程服務(wù)器執(zhí)行運(yùn)算，而一些子任務(wù)只能在本地執(zhí)行運(yùn)算。這種情況下上面提到的數(shù)據(jù)分區(qū)模型就不適用，需要能夠捕獲子任務(wù)之間的相互依賴關(guān)系的更復(fù)雜的模型。

1.2 通信模型

在MEC系統(tǒng)中，AP和移動(dòng)設(shè)備之間的通信可以采用直接的D2D通信。 MEC服務(wù)器是云計(jì)算/電信運(yùn)營商部署的小型數(shù)據(jù)中心，它可以與無線AP共同定位。無線AP不僅提供無線接口給MEC服務(wù)器，也可以通過環(huán)回鏈路訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，這可以幫助MEC服務(wù)器進(jìn)一步將一些計(jì)算任務(wù)卸載到其他MEC服務(wù)器或大型云數(shù)據(jù)中心。由于無線接口不足，手機(jī)無法直接與MEC服務(wù)器通信，與鄰近設(shè)備的D2D通信提供了將計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給MEC服務(wù)器的機(jī)會(huì)。此外，D2D通信還支持在移動(dòng)設(shè)備集群中共享資源和計(jì)算負(fù)載平衡方面的對(duì)等合作。

二、MEC系統(tǒng)資源管理

無線和計(jì)算資源的管理對(duì)于MEC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和低時(shí)延有著關(guān)鍵的作用。MEC服務(wù)器和無線AP（例如，BS和WiFi路由器）位于同一位置，這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得相應(yīng)技術(shù)的實(shí)施變得方便。下面將對(duì)MEC系統(tǒng)資源管理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 單用戶MEC系統(tǒng)

單用戶MEC系統(tǒng)中有三種常用的任務(wù)模型：二元確定性任務(wù)模型卸載、部分卸載的確定性任務(wù)模型和隨機(jī)任務(wù)模型。對(duì)于二元卸載，為了節(jié)約能耗，當(dāng)用戶信道質(zhì)量理想或者本地計(jì)算能力小的時(shí)候，任務(wù)卸載到邊緣進(jìn)行計(jì)算，此外，波束賦型和MIMO技術(shù)也可以用于降低卸載的計(jì)算能耗。在降低延遲方面，當(dāng)用戶帶寬較大且MEC服務(wù)器具有較大的計(jì)算容量時(shí)，計(jì)算卸載比本地計(jì)算更有優(yōu)勢(shì)。部分卸載允許靈活的數(shù)據(jù)分區(qū)。通過將耗時(shí)或耗能的子任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器，與二元卸載相比，部分卸載可以實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能和更小的計(jì)算延遲。對(duì)于隨機(jī)任務(wù)模型，可以利用任務(wù)到達(dá)和信道的時(shí)間相關(guān)性設(shè)計(jì)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)計(jì)算卸載策略。此外，通過卸載速率控制來維護(hù)用戶和MEC服務(wù)器上任務(wù)緩沖區(qū)的穩(wěn)定性是非常重要的。

2.2 多用戶MEC系統(tǒng)

多用戶MEC系統(tǒng)是由共享一個(gè)邊緣服務(wù)器的多個(gè)移動(dòng)設(shè)備組成的MEC系統(tǒng)，有幾個(gè)新的挑戰(zhàn)點(diǎn)：多用戶聯(lián)合無線電和計(jì)算資源分配、MEC服務(wù)器調(diào)度、多用戶合作邊緣計(jì)算。

（1）聯(lián)合無線和計(jì)算資源分配

MEC服務(wù)器的計(jì)算資源相對(duì)較少，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)多用戶MEC系統(tǒng)的關(guān)鍵問題就是如何分配有限的無線和計(jì)算資源給多個(gè)移動(dòng)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)，比如最低總量的移動(dòng)能耗。為了適應(yīng)不同的MEC系統(tǒng)，集中和分布式的資源分配機(jī)制都已經(jīng)有了研究。對(duì)于集中資源分配，MEC服務(wù)器獲得所有移動(dòng)信息，包括CSI和計(jì)算請(qǐng)求，做出資源分配決定，并向移動(dòng)設(shè)備通知決策。研究的另一個(gè)重點(diǎn)是針對(duì)多用戶MEC系統(tǒng)的分布式資源分配，這些系統(tǒng)是使用博弈論和分解技術(shù)設(shè)計(jì)，假設(shè)計(jì)算任務(wù)是通過一個(gè)或多個(gè)干擾信道進(jìn)行本地計(jì)算或者完全卸載。

（2） MEC服務(wù)器調(diào)度

前面的討論都是基于用戶同步的假設(shè)和并行局部邊緣計(jì)算的可行性。然而，實(shí)際的MEC服務(wù)器調(diào)度需要關(guān)注以下問題。首先，不同用戶的到達(dá)時(shí)間通常是異步的，如果具有有限計(jì)算資源的邊緣服務(wù)器順序地緩沖和計(jì)算任務(wù)，會(huì)導(dǎo)致排隊(duì)時(shí)延。其次，即使是任務(wù)同步到達(dá)，在運(yùn)行不同類型的應(yīng)用程序的用戶之間，時(shí)延要求也可能存在顯著差異，這就要求服務(wù)器調(diào)度根據(jù)用戶的時(shí)延要求分配不同級(jí)別的優(yōu)先級(jí)。最后，一些計(jì)算任務(wù)由多個(gè)獨(dú)立的子任務(wù)組成，導(dǎo)致這些模型的調(diào)度必須滿足任務(wù)相關(guān)性要求。

（3）多用戶合作邊緣計(jì)算

多用戶合作計(jì)算是一種有希望改進(jìn)MEC性能的技術(shù)，這種技術(shù)有兩大優(yōu)勢(shì)。首先，MEC服務(wù)器計(jì)算資源有限，處理大數(shù)量的卸載移動(dòng)用戶數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)過載。這種情況下，通過點(diǎn)到點(diǎn)的移動(dòng)合作計(jì)算，服務(wù)器的負(fù)擔(dān)會(huì)減輕。其次，用戶間共享計(jì)算資源可以平衡用戶間不均勻分布的計(jì)算工作量和計(jì)算能力。

2.3 有異構(gòu)服務(wù)器的MEC系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)無處不在的邊緣計(jì)算，異構(gòu)MEC（Het-MEC）系統(tǒng)已經(jīng)被提出，系統(tǒng)包括一個(gè)中央云和多個(gè)邊緣服務(wù)器。研究點(diǎn)集中在服務(wù)器選擇、合作、計(jì)算遷移。

（1）服務(wù)器選擇

異構(gòu)MEC系統(tǒng)中的用戶，一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問題是決定計(jì)算卸載的位置，是在邊緣還是中心云服務(wù)器。

（2）服務(wù)器合作

通過服務(wù)器協(xié)作進(jìn)行資源共享不僅能提高資源利用率、增加計(jì)算服務(wù)器提供者的收益，而且能為用戶提供更多的資源增強(qiáng)他們的體驗(yàn)。

（3）計(jì)算遷移

MEC服務(wù)器上的計(jì)算遷移是由卸載用戶的移動(dòng)性驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)用戶靠近新的MEC服務(wù)器時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器可以選擇將計(jì)算遷移到該服務(wù)器，或者在原服務(wù)器中計(jì)算任務(wù)，然后通過新服務(wù)器將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

三、未來挑戰(zhàn)

從大規(guī)模MEC系統(tǒng)部署、部署緩存的MEC、綠色MEC、MEC的安全性這四個(gè)方面介紹：

3.1 MEC系統(tǒng)部署

MEC將云計(jì)算能力“下沉”到網(wǎng)絡(luò)邊緣以降低核心網(wǎng)中由于網(wǎng)絡(luò)擁塞和傳輸延時(shí)導(dǎo)致的時(shí)延。然而，沒有正式定義MEC服務(wù)器是什么，具體位置在哪里。這樣MEC服務(wù)器的站點(diǎn)選擇就成了一個(gè)研究問題。

3.2 MEC的移動(dòng)性管理

移動(dòng)性是MEC應(yīng)用的固有屬性。比如，VR輔助的博物館參觀，用來提升用戶的體驗(yàn)度。在這些應(yīng)用程序中，用戶的運(yùn)動(dòng)和軌跡為邊緣服務(wù)器提供位置信息和個(gè)人的偏好信息，提高了處理用戶計(jì)算請(qǐng)求的效率。另一方面，由于下列原因，移動(dòng)性也為實(shí)現(xiàn)無所不在的、可靠的計(jì)算帶來了重大挑戰(zhàn)。首先，MEC將在HetNet體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，該體系結(jié)構(gòu)由多個(gè)宏站、微站和WiFi接入點(diǎn)構(gòu)成。用戶的移動(dòng)導(dǎo)致將會(huì)在小范圍的邊緣服務(wù)器范圍內(nèi)頻繁切換。由于不同系統(tǒng)的配置不同、用戶和服務(wù)器的關(guān)聯(lián)策略不同，這就會(huì)變得非常復(fù)雜。其次，用戶在不同小區(qū)間的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾和導(dǎo)頻污染，這會(huì)大大降低通信質(zhì)量。最后，頻繁的切換會(huì)增加計(jì)算時(shí)延，降低用戶體驗(yàn)度。

3.3綠色MEC

MEC服務(wù)器是小型數(shù)據(jù)中心，每一個(gè)都比傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心消耗更少的能量。然而，它們密集的部署模式引起了對(duì)全系統(tǒng)能源消耗的極大關(guān)注。因此，開發(fā)實(shí)現(xiàn)綠色MEC的創(chuàng)新技術(shù)無疑是非常重要的。

3.4 MEC中安全和隱私問題

安全和保護(hù)隱私的移動(dòng)服務(wù)的需求越來越大。MEC能夠支持新類型的服務(wù)，但其獨(dú)特的特性也帶來了新的安全和隱私問題。首先，MEC系統(tǒng)固有的異構(gòu)性使得傳統(tǒng)的信任和認(rèn)證機(jī)制無法適用。其次，支持MEC的通信技術(shù)的多樣性和網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制的軟件特性帶來了新的安全性的威脅。

四、結(jié)語

MEC是一種創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)范式，能夠滿足空前增長的計(jì)算需求和不斷提高的用戶體驗(yàn)需求。MEC通過將豐富的計(jì)算和存儲(chǔ)資源推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，使云計(jì)算能力和IT服務(wù)能夠接近最終用戶?？梢灶A(yù)見，MEC必將成為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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