移動(dòng)云在5G中的應(yīng)用

1 云計(jì)算的概念和原理[1]

“云計(jì)算”的概念源于大規(guī)模分布式計(jì)算技術(shù)。所謂分布式計(jì)算，是透過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序分拆成無數(shù)個(gè)較小的子程序，再交給多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計(jì)算分析之后，將處理結(jié)果回傳給用戶。采用此技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒內(nèi)，完成海量的信息處理，提供如同超級計(jì)算機(jī)效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而＂云＂就是計(jì)算機(jī)群構(gòu)成的計(jì)算云，一朵“云”由幾十萬臺、甚至上百萬臺計(jì)算機(jī)組成，能替眾多用戶做存儲和計(jì)算的工作。如圖1所示，用戶只需要一臺能上網(wǎng)的電腦或手機(jī)，通過適合接口，借助于“云”快速地計(jì)算和找到這些資料?！霸啤蓖ǔＳ蒊T專業(yè)公司搭建，可有公共“云”和私有“云”，故名思義，前者是面向公眾，而后者是專用的。

圖1 云計(jì)算的概念示意

云計(jì)算包含三個(gè)主要類型：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS），按分層看如圖2所示。其中，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），是用戶通過互聯(lián)網(wǎng)可以從完善的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)，這些完善的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲和數(shù)據(jù)中心空間，以及操作系統(tǒng)和虛擬化技術(shù)，用來管理資源；平臺即服務(wù)（PaaS），提供超過基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)，即提供軟件開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境的整套解決方案，以SaaS的模式提交給用戶；軟件即服務(wù)（SaaS），是基于互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務(wù)的軟件應(yīng)用模式，其中應(yīng)用作為一項(xiàng)服務(wù)托管，通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶；幫助客戶更好地管理它們的IT項(xiàng)目和服務(wù)、確保其IT應(yīng)用的質(zhì)量和性能，監(jiān)控其在線業(yè)務(wù)。根據(jù)需要選擇合適的云計(jì)算類型，可以幫助用戶保持適當(dāng)?shù)目刂破胶?，避免繁重的工作，同時(shí)節(jié)省資源和財(cái)力。

圖2 云計(jì)算服務(wù)的分層[4]

云計(jì)算中，還有一種邊緣計(jì)算，它是在靠近物或數(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、應(yīng)用核心能力的開放平臺。邊緣計(jì)算與云計(jì)算互相協(xié)同，共同助力各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。它就近提供智能互聯(lián)服務(wù)，滿足行業(yè)在數(shù)字化變革過程中對業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

2 移動(dòng)云計(jì)算[2][3][4]

移動(dòng)云，就是將云計(jì)算應(yīng)用到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是將大量的計(jì)算、處理任務(wù)從移動(dòng)設(shè)備遷移到云去，就是說，移動(dòng)云向分布在不同位置的移動(dòng)用戶（包括手提電腦、掌上電腦、移動(dòng)電話、傳呼機(jī)等）提供優(yōu)質(zhì)的信息服務(wù)（信息的存儲、查詢、計(jì)算等），其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠安全、快速、有效地向各種用戶終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)服務(wù)；在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)或其他信息設(shè)備在沒有與固定的物理連接設(shè)備相連的情況下，能夠傳輸數(shù)據(jù)。引入移動(dòng)云可克服移動(dòng)設(shè)備能力、存儲容量和電池壽命的限制。

移動(dòng)云主要由兩部分組成：遠(yuǎn)端云和本地云。遠(yuǎn)端云通常是一個(gè)大型云計(jì)算中心，移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)等作為一資源客戶，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，從遠(yuǎn)程服務(wù)器獲得豐富的計(jì)算和存儲資源。由于移動(dòng)設(shè)備通常需要加載或?qū)⒂?jì)算任務(wù)交給云去完成，或要求從云獲得大量數(shù)據(jù)，從遠(yuǎn)端云到客戶之間可能經(jīng)歷大的時(shí)延和付出大的通信開銷，因而不能或難以用到實(shí)時(shí)應(yīng)用的場景。

本地云靠近客戶群，這樣可縮短傳輸時(shí)延?？蛻舻囊苿?dòng)設(shè)備不僅是資源的消費(fèi)者，還是一個(gè)資源的提供者。例如一個(gè)裝有氣壓計(jì)的移動(dòng)設(shè)備，它在甚大的范圍內(nèi)漫游時(shí)，將沿途采樣點(diǎn)的大氣壓力數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳送給氣象處理中心，對該地區(qū)各點(diǎn)的氣象預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，得到更為精細(xì)、實(shí)時(shí)的天氣情況（見圖3）。

圖3 移動(dòng)云應(yīng)用舉例

圖4 移動(dòng)云的參與者及其資源共享

在圖4中，微機(jī)電器件或設(shè)備是包括光、位置、溫度、傳聲器和相機(jī)等具有不同物理檢測功能的傳感器。中央處理器（CPU）則是計(jì)算資源，屬于此范疇的資源還有專用的數(shù)字信號處理器（DSP），以及現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等；網(wǎng)絡(luò)資源則有蜂窩通信、無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍(lán)牙、紅外和其他近場通信、有線等。

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、應(yīng)用核心能力的開放平臺。邊緣計(jì)算與云計(jì)算互相協(xié)同，共同助力各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。它就近提供智能互聯(lián)服務(wù)，滿足行業(yè)在數(shù)字化變革過程中對業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

3 5G中的云-無線接入網(wǎng)（C-RAN）

現(xiàn)代通信過程通常是通過電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。完整的電信網(wǎng)絡(luò)的組成如圖5所示。其中，核心網(wǎng)是由長途網(wǎng)和中繼網(wǎng)組成的，而用戶與核心網(wǎng)之間的接續(xù)網(wǎng)絡(luò)，便是接入網(wǎng)（AN，英文Access Network的縮寫）。

圖中，CPN為用戶駐地網(wǎng)，UNI為用戶網(wǎng)絡(luò)接口，SNI為業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口。

圖5 現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的組成

ITU-T G.902給出的接入網(wǎng)的定義是：接入網(wǎng)（AN）是由業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口（SNI）和相關(guān)用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）之間的一系列傳送實(shí)體（如線路設(shè)施和傳輸設(shè)施）所組成的、為傳送電信業(yè)務(wù)提供所需承載能力的實(shí)施系統(tǒng)。提出接入網(wǎng)的概念，其目的之一是采用多種傳輸媒體來靈活支持混合的不同接入類型與業(yè)務(wù)。按此概念，接入網(wǎng)的物理媒體可以是基于有線（如光纖），也可以是基于無線的。無線接入網(wǎng)分為固定無線接入網(wǎng)和移動(dòng)接入網(wǎng)。

云-無線接入網(wǎng)，就是將云技術(shù)應(yīng)用到無線接入網(wǎng)。在5G中，通過此方式，可實(shí)現(xiàn)資源共享，用虛擬網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源配置；利用合作工作模式，改善頻譜效率，降低能耗和成本，從而提供高性能的無線接入服務(wù)。

傳統(tǒng)的蜂窩基站（BS）包含基帶處理單元（BBU）與模擬無線接入單元（稱為無線前端，RRH），對于5G，現(xiàn)將二者分離，并可拉開距離，RRH配置在用戶附近；而將BBU搬到云上去，將多套BBU組成BBU池，以便進(jìn)行集中式信號處理與管理。如圖6所示[1]，如編碼，調(diào)制，快速傅立葉變換（FFT）等基帶處理，是云上完成的。這里，BBU池也就是一虛擬化BBU群，一般由通用處理器組成。在遠(yuǎn)端，無線前端（RRH）配有天線、低噪聲放大、功放和濾波器等射頻器件與電路和A/D、D/A變換器；移動(dòng)終端將射頻信號發(fā)送給RRH，后者通過前向鏈路傳送到云，前向通常為光纖鏈路，未來也可采用毫米波設(shè)備，負(fù)責(zé)從RRH到云的傳輸，將數(shù)字基帶信號送到BBU池進(jìn)行處理。回程連接云與移動(dòng)核心網(wǎng)（圖中為互聯(lián)網(wǎng)）和高功率節(jié)點(diǎn)，如蜂窩基站等。

圖6 云-無線接入網(wǎng)的示意圖

采用云-無線接入網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，首先，因?qū)RH移到靠近用戶，信號傳輸距離較近，可獲得更高的系統(tǒng)容量，并降低功耗。其次，基帶處理集中在BBU池上進(jìn)行，可利用合作處理技術(shù)消除干擾。再者，虛擬的BBU可按需進(jìn)行信號處理，使計(jì)算資源利用得以動(dòng)態(tài)配置和優(yōu)化。

在5G無線移動(dòng)通信的關(guān)鍵性能指標(biāo)中，要求時(shí)延不超過1ms，這是5G中對時(shí)延要求苛刻的應(yīng)用場景使然。在移動(dòng)網(wǎng)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，稱為移動(dòng)邊緣云（Mobile Edge Cloud，MEC）。通過無線接入網(wǎng)絡(luò)就近提供電信用戶IT所需服務(wù)和云端計(jì)算功能，創(chuàng)造出一個(gè)具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務(wù)環(huán)境。

在MEC接入中，系統(tǒng)的時(shí)延取決于電波的傳播與設(shè)備的處理時(shí)間。以圖7無人管理的自動(dòng)化操作系統(tǒng)為例[5]，在上行鏈路，傳感器測得目標(biāo)的某一數(shù)值，該數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理并輸入嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，控制空中接口，使數(shù)據(jù)經(jīng)所有協(xié)議層到達(dá)物理層，傳送至基站進(jìn)入移動(dòng)邊緣云，由云上的控制/操縱服務(wù)器進(jìn)行決策，然后通過下行鏈路，控制執(zhí)行機(jī)械對目標(biāo)實(shí)施操作。圖中給出了時(shí)延預(yù)算的目標(biāo)，其中無線接口，也即上下行電波的傳播時(shí)間為0.2ms，這意味著基站與傳感器和執(zhí)行機(jī)械之間相距30km。

圖7 無人管理的自動(dòng)化操作系統(tǒng)的組成和傳輸時(shí)延

文獻(xiàn)[5]按端到端時(shí)延劃分為低時(shí)延（10ms～20ms）應(yīng)用和觸覺（1ms～5ms）應(yīng)用（見圖8），觸覺互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的更高端發(fā)展。因?yàn)橛|覺對時(shí)延的敏感度比聽覺的（100ms）和視覺的（10ms）更高，也即系統(tǒng)的時(shí)延的要求更短。這里的云包括三個(gè)基本功能單元：一是適于觸覺應(yīng)用，在線游戲、Web高速瀏覽和其他對時(shí)延敏感的基于云的服務(wù)平臺。其中有用戶級別的眾多的移動(dòng)邊緣云，局域級的小片云（Mini-Cloud）和少量的大型中央云。二是虛擬化的網(wǎng)控功能，性能優(yōu)化和保密安全系統(tǒng)。三是所有與無線網(wǎng)絡(luò)必需的接口。

圖8 觸覺應(yīng)用和低時(shí)延應(yīng)用的移動(dòng)云系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)束語

在5G中，利用云-無線接入網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)資源共享。其中通過虛擬網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源配置；利用合作工作模式，改善頻譜效率，降低能耗、時(shí)延和成本，從而提供高性能的無線接入服務(wù)，其優(yōu)勢是突出的，從而將在5G移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用。