MEC邊緣計算技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和專利分析

馮 驥

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100160)

1 5G與MEC

1.1 5G通信的愿景

根據(jù)思科[1]的統(tǒng)計預(yù)測，從2017年到2022年，全球的移動數(shù)據(jù)流量將持續(xù)快速增長，因此5G需要新的解決方案以滿足普通用戶應(yīng)用(主要表現(xiàn)為移動互聯(lián)網(wǎng))和工業(yè)應(yīng)用(主要表現(xiàn)為物聯(lián)網(wǎng)，IoT，Internet of Things)對提升數(shù)據(jù)速率、降低延遲、增大連接密度等方面的需求。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，參見圖1所示，5G包括三大應(yīng)用場景：增強型移動寬帶(eMBB，Enhanced Mobile Broadband)、大量機器類通信(mMTC，massive Machine Type Communications)和低延遲高可靠通信(uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications)。其中，eMBB是以用戶體驗為中心的通信性能指標，5G的目標是使下行速率達到均值1Gbps，峰值20Gbps的水平；mMTC則主要是針對機器類型設(shè)備的通信，例如物流、智能監(jiān)控等，其目標是實現(xiàn)更高的連接密度和更低的能耗和成本，達到每平方公里百萬連接的水平；uRLLC體現(xiàn)的低延遲和高可靠性是通信技術(shù)中歷來追求的關(guān)鍵指標，是游戲、自動駕駛、遠程醫(yī)療等場景下的最關(guān)鍵支持技術(shù)，5G的目標是將端到端時延降低到1ms。為實現(xiàn)這三大應(yīng)用場景的愿景目標，5G提出了一系列創(chuàng)新性的革新技術(shù)，例如非正交多址技術(shù)、大規(guī)模MIMO、毫米波通信、用戶面和控制面的分離等，因此可以說5G相對于4G已不是一個技術(shù)的改進，而是一個技術(shù)的更新。

圖1 5G的三大愿景圖

1.2 MEC邊緣計算技術(shù)的產(chǎn)生

為達到或接近這三大應(yīng)用場景的技術(shù)指標，僅僅以4G為基礎(chǔ)發(fā)展是無法實現(xiàn)的，因此5G創(chuàng)造性地提出了多項技術(shù)革新，從基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)、協(xié)議、功能等多方面重新設(shè)計5G網(wǎng)絡(luò)，而移動邊緣計算(MEC，Mobile Edge Computing)正是在這種形勢下提出并發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。在5G之前的網(wǎng)絡(luò)通信都是按照：接入網(wǎng)->承載網(wǎng)->核心網(wǎng)的模式進行處理，通信最終都要上報到核心網(wǎng)進行調(diào)度處理，這種模式的缺陷顯而易見：當通信需求增大時，核心網(wǎng)的鏈路會擁塞不堪，核心網(wǎng)的處理能力也無法滿足需求，當然也無法達到5G低時延的技術(shù)指標。面對這種問題，一個自然的想法是能否將通信的調(diào)度處理權(quán)下沉到核心網(wǎng)以下，例如接入網(wǎng)實現(xiàn)呢？但是在4G網(wǎng)絡(luò)中由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的原因無法實現(xiàn)這種下沉，但是5G中由于用戶面和控制面已經(jīng)分離，就有了實現(xiàn)這種想法的基礎(chǔ)，于是移動邊緣計算的解決方案應(yīng)運而生。實際上，在2009年卡內(nèi)基梅隆大學所研發(fā)的cloudlet計算平臺中，就已經(jīng)提出了邊緣計算的架構(gòu)。2014年，歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)正式定義了MEC的基本概念并成立了MEC規(guī)范工作組，啟動相關(guān)標準化工作。MEC最初的名稱是“Mobile Edge Computing”，特指移動網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計算。在2017年年初，為了匹配物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域邊緣計算的需求，工作組改名為“Multi-access Edge Computing”，將工作組范圍擴大到多接入的邊緣計算，經(jīng)過多年的發(fā)展完善，MEC已經(jīng)演進為5G移動通信系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，是5G在垂直行業(yè)中的重要應(yīng)用利器。

2 MEC邊緣計算技術(shù)概述

2.1 MEC邊緣計算技術(shù)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)ETSI的定義[2]，MEC指的是在無線接入網(wǎng)(RAN，Radio Access Network)中安裝計算資源的分布式系統(tǒng)。所謂“邊緣”，指的就是無線接入網(wǎng)絡(luò)，所有聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，包括移動設(shè)備和云計算服務(wù)器，都被認為是在邊緣，這相對傳統(tǒng)的以網(wǎng)絡(luò)側(cè)為核心的通信架構(gòu)是一個巨大的創(chuàng)新。通過將計算等核心能力下沉到接入網(wǎng)內(nèi)，在本地完成數(shù)據(jù)的處理，避免了之前與距離較遠的核心網(wǎng)的大部分通信，從而使端到端的1ms時延成為現(xiàn)實，同時也增強了接入能力，從側(cè)面達到了提高網(wǎng)絡(luò)速率的效果，即在5G的三個場景下都使通信性能獲得了提升。隨著針對MEC研究的不斷推進，現(xiàn)階段的邊緣計算參考架構(gòu)如圖2所示：

圖2 MEC邊緣計算技術(shù)參考架構(gòu)圖

該體系架構(gòu)分為系統(tǒng)層級、主機層級和網(wǎng)絡(luò)。其中系統(tǒng)層級主要用于提供整個MEC系統(tǒng)的管理功能，具體包括邊緣計算運營管理平臺、邊緣協(xié)調(diào)器(MEO)、運營管理子系統(tǒng)(BSS)和運維管理子系統(tǒng)(OSS)等，提供諸如協(xié)調(diào)用戶設(shè)備、主機、運營商，記錄可用資源和對邊緣服務(wù)進行解釋等功能。主機層級包括MEC主機及其管理功能，具體又包括提供運行環(huán)境的MEC平臺、在平臺上運行的各種MEC應(yīng)用和提供資源的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施(例如虛擬機和容器等)，MEC應(yīng)用通過虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施來運行虛擬機，進行作業(yè)執(zhí)行、提供邊緣服務(wù)，而由管理功能提供對應(yīng)用的生命周期、操作規(guī)則、配置和安全性等的管理。網(wǎng)絡(luò)指的是具體實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)形式，例如可以是3GPP網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)或其他外部網(wǎng)絡(luò)。

圖3是MEC系統(tǒng)的一個實際部署示意圖。MEC服務(wù)器是安裝在基站或基站附近的計算設(shè)備，從該部署方式可以看出，與傳統(tǒng)的集中式服務(wù)器架構(gòu)不同，MEC服務(wù)器由運營商在本地進行管理，用戶和運營商都可以通過接口訪問MEC服務(wù)器中的虛擬計算資源，通過MEC服務(wù)器提供的本地虛擬機來為用戶設(shè)備提供服務(wù)，延遲就比訪問核心網(wǎng)設(shè)備要低得多，并且還可以通過MEC服務(wù)器實現(xiàn)一些核心網(wǎng)的管理功能?，F(xiàn)階段的MEC服務(wù)器大部分是以地市級的核心機房、傳輸匯聚機房乃至基站機房的形式出現(xiàn)，而在用戶看來，一定是下沉得越深，用戶體驗越好，因此當面對毫秒級別延遲的業(yè)務(wù)需求時，今后的邊緣主機會繼續(xù)下沉到離用戶更近的位置，在這種場景下，靈活部署基站和提升基站利用效率則又是需要進一步考慮的課題。

圖3 MEC邊緣計算技術(shù)實際部署圖

2.2 MEC邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用場景

ETSI定義了MEC的七大應(yīng)用場景[3]：

(1)智能視頻加速服務(wù)：為解決TCP傳輸無法適應(yīng)快速變化的無線網(wǎng)絡(luò)，通過將相應(yīng)的智能分析應(yīng)用部署在MEC服務(wù)器上，在MEC服務(wù)器中的應(yīng)用向視頻服務(wù)器提供關(guān)于吞吐量的指示和估計，確保應(yīng)用層編碼和網(wǎng)絡(luò)容量相匹配，從而避免了擁塞，并且可以實現(xiàn)跨運營商/服務(wù)提供商服務(wù)，保證了資源的有效利用。

(2)視頻流分析：應(yīng)用基于視頻的監(jiān)視系統(tǒng)，例如車輛牌照識別中，通過MEC服務(wù)器的使用，可以篩選出有價值的視頻，提高了對視頻流執(zhí)行的分析的靈活性，同時節(jié)約了將大量數(shù)據(jù)視頻流傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)絡(luò)的流量。

(3)增強現(xiàn)實AR：增強現(xiàn)實信息是高度局部化的，并需要實時更新，通過MEC服務(wù)器對用戶位置或相機視圖的處理，可以更快地更新信息，并提高數(shù)據(jù)處理的速度，以便基于用戶的位置和方向為用戶提供更好的服務(wù)。

(4)輔助計算：在游戲、環(huán)境傳感器等架構(gòu)中，在傳感器等遠程設(shè)備上需要盡可能低性能的處理能力以保證低成本和節(jié)電，因此通過將高性能的處理能力分配到MEC服務(wù)器上，并將結(jié)果反饋到這些遠程設(shè)備，不僅減少了對這些遠程設(shè)備處理能力的需求，也實現(xiàn)了低延遲的操作和反饋，特別適用于游戲等應(yīng)用場景。

(5)企業(yè)分流：為了在企業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)移動辦公，可以部署小型的移動互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的統(tǒng)一通信并針對企業(yè)員工提供服務(wù)，而MEC服務(wù)器正適合這種RAN到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的透明結(jié)合，通過MEC平臺提供訪問控制、策略管理、安全等功能。

(6)車聯(lián)網(wǎng)：車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以提高駕駛安全性、減少交通擁塞，還可以提供智能停車、影音娛樂等增值功能，通過將這些提供服務(wù)的應(yīng)用部署在MEC服務(wù)器上，可以大幅度降低網(wǎng)絡(luò)延遲，車輛之間可以在毫秒時間內(nèi)獲得所需信息，這對危險警告等對延遲敏感的信息格外重要。

(7)物聯(lián)網(wǎng)IoT網(wǎng)關(guān)服務(wù)：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信消息通常很小并且往往采用不同形式的協(xié)議，需要一個低延遲的聚合點對這些信息進行管理和分發(fā)，MEC服務(wù)器提供的計算能力和內(nèi)存可以用于這些數(shù)據(jù)的匯總和分發(fā)，并且還可以提供邏輯決策、訪問控制等功能。

3 MEC邊緣計算技術(shù)的產(chǎn)業(yè)布局

國內(nèi)提供邊緣計算的企業(yè)主要有兩類，第一類是通信運營商，包括中國移動、中國電信和中國聯(lián)通，第二類是云服務(wù)提供商，例如阿里、騰訊、華為、百度等。通信運營商對MEC主要關(guān)注于MEC的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，而云服務(wù)提供商則更關(guān)注云服務(wù)處理能力、云服務(wù)業(yè)務(wù)等。

其中，中國移動在國內(nèi)多個省市率先開展MEC應(yīng)用試點，移動用戶可感受基于MEC的VR、AR、超清視頻服務(wù)，還與華為聯(lián)合完成了基于SPN的MEC承載現(xiàn)網(wǎng)試點，為支持垂直行業(yè)的商用部署打下基礎(chǔ)，并于2020年牽頭制定CCSA的5G邊緣計算平臺技術(shù)要求和5G邊緣計算測試方法行標項目。

中國電信的MEC商用平臺結(jié)合因特爾邊緣服務(wù)器加速開展邊緣計算服務(wù)，已經(jīng)在工業(yè)質(zhì)檢、高清直播、醫(yī)院信息化、智慧商業(yè)綜合體等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，并于2019年牽頭制定CCSA的5G邊緣計算總體技術(shù)要求行標項目。

中國聯(lián)通也于2020年上線了自主研發(fā)的MEC商業(yè)平臺，包括智能制造、智慧交通、電力能源等多領(lǐng)域、近百個MEC商用工程的解決方案，已經(jīng)落地的項目諸如與格力實現(xiàn)的智能工業(yè)化，為碧桂園提供的智慧社區(qū)系統(tǒng)，與騰訊在廣東大灣區(qū)部署的云游戲架構(gòu)等。

國外一些在云計算領(lǐng)域具有傳統(tǒng)優(yōu)勢的企業(yè)也延續(xù)了這些既有的技術(shù)積累，在MEC領(lǐng)域積極拓展市場。亞馬遜作為電商巨頭，一直以來就投資研究物聯(lián)網(wǎng)和機器學習技術(shù)，并以其成熟而廣為應(yīng)用的Web Service平臺AWS平臺為基礎(chǔ)，部署了基于AWS的邊緣計算平臺GreenGrass，是邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)和機器學習技術(shù)的融合。微軟作為實力雄厚的軟件和服務(wù)提供商，在2018年開始就開發(fā)了Azure IoT Edge邊緣計算服務(wù)，并將其開源，可以實現(xiàn)基于云的業(yè)務(wù)邏輯定制。谷歌也于2018年發(fā)布了其Cloud IoT Edge架構(gòu)，針對谷歌云的AI功能進行擴展，為用戶提供更豐富和高效的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。除此之外，因特爾、IBM、思科、惠普等傳統(tǒng)通信企業(yè)也紛紛加入邊緣計算的投資布局，提供諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的解決方案。

可以發(fā)現(xiàn)，從2018年開始，國內(nèi)外的各大企業(yè)已經(jīng)紛紛開始結(jié)合自身優(yōu)勢，布局和部署MEC商用體系，向用戶提供各種各樣的差異化服務(wù)，爭奪市場份額?？梢灶A(yù)計，MEC建設(shè)和競爭將迎來一波熱潮，并且隨著云原生、開源、融合架構(gòu)等新興理念的提出，MEC技術(shù)還在不斷朝著更多元和優(yōu)化的方向演進和發(fā)展著。

4 MEC邊緣計算技術(shù)專利分析

本部分將對MEC領(lǐng)域的專利申請進行分析和展示。檢索數(shù)據(jù)庫中專利文獻的公開日截止日為2020年12月31日，其中全球?qū)＠麛?shù)據(jù)采用的是國家知識產(chǎn)權(quán)局S系統(tǒng)的VEN數(shù)據(jù)庫，中國專利數(shù)據(jù)采用的是國家知識產(chǎn)權(quán)局S系統(tǒng)的CNABS數(shù)據(jù)庫和CNTXT數(shù)據(jù)庫，其中各數(shù)據(jù)庫由于數(shù)據(jù)更新日期不同，可能出現(xiàn)與上述公開截止日的差別，并且由于申請專利若尚未公開，則系統(tǒng)中不便進行統(tǒng)計，因此統(tǒng)計年份時統(tǒng)計的是專利申請的公開日。

圖4展示了MEC技術(shù)逐年全球?qū)＠暾埖臄?shù)量，由于專利公開申請相對有所滯后，因此申請年份實際更早。從發(fā)展趨勢中可以看出，MEC技術(shù)的專利申請起始于2016年之前，與該技術(shù)的提出時間吻合，之后每年的申請量逐年遞增，也顯示了該技術(shù)發(fā)展仍處于快速增長的上升期，還具有較好的發(fā)展前景和潛力。

圖4 MEC技術(shù)全球?qū)＠暾堏厔輬D

圖5展示了各國MEC技術(shù)的專利申請量分布情況?？梢钥闯?，布局在中國的申請領(lǐng)先于其他國家，這是由于：首先，來自中國的企業(yè)在5G領(lǐng)域的技術(shù)積累有目共睹，華為、中興等企業(yè)的5G專利申請量已在全球處于第一梯隊，中國企業(yè)擁有的5G標準必要專利、標準化技術(shù)文檔貢獻也在占據(jù)越來越重要的地位，MEC技術(shù)作為5G的一項技術(shù)分支，也受到了相應(yīng)程度的重視；其次，我國擁有全球最大的移動互聯(lián)網(wǎng)市場，市場需求旺盛，技術(shù)提供方的創(chuàng)新意愿很高，MEC技術(shù)可應(yīng)用于多種不同現(xiàn)實場景，例如AR、車聯(lián)網(wǎng)，而這些領(lǐng)域又是當下市場上最熱門的技術(shù)領(lǐng)域，廣泛的市場應(yīng)用場景也給了MEC這種能在多行業(yè)發(fā)展的技術(shù)以良好的成長環(huán)境。

圖5 MEC技術(shù)全球?qū)＠暾埣夹g(shù)來源分布圖

圖6展示了全球范圍內(nèi)在MEC技術(shù)上布局專利的十大申請人?？梢钥闯?，我國的申請人以華為和多家大學構(gòu)成，顯示了華為作為5G領(lǐng)域龍頭企業(yè)的專利布局，也涵蓋了MEC這一熱點技術(shù)。而科研院所對MEC技術(shù)的研究熱情也體現(xiàn)了該技術(shù)具有持續(xù)發(fā)展的潛能。實際上在我國，很多對科研院所的研究也是直接對口企業(yè)，例如采用與運營商合作的形式，將研究成果迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；而國外申請人包括諾基亞、三星這些傳統(tǒng)企業(yè)，以及特別在邊緣計算芯片和解決方案上有所建樹的因特爾。還包括美國第一大運行商Verizon，表明美國也已在MEC技術(shù)的商用上有了一定部署。

圖6 MEC技術(shù)全球?qū)＠暾圱op10申請人分布圖

圖7展示了MEC技術(shù)逐年在中國申請專利的數(shù)量，與全球?qū)＠暾堫愃疲袊鴮＠暾堃财鹗加?016年，并逐年增長，顯示了其發(fā)展趨勢。

圖7 MEC技術(shù)中國專利申請趨勢圖

圖8展示了中國范圍內(nèi)在MEC技術(shù)上布局專利的十大申請人。可以看出，華為仍以一定優(yōu)勢領(lǐng)先于其他企業(yè)，展示了其在5G通信領(lǐng)域的強大實力。中興作為另一家通信龍頭企業(yè)之一也在MEC領(lǐng)域的專利上有了一定部署。中國聯(lián)通作為運行商上榜體現(xiàn)了其在MEC技術(shù)上對專利的重視，而北郵、重郵、南郵作為國內(nèi)通信領(lǐng)域的領(lǐng)先學府，擁有的專利數(shù)量表明了其對MEC這種新興技術(shù)的關(guān)注。此外，諾基亞、因特爾作為國外通信企業(yè)，與國內(nèi)企業(yè)合作密切，因此也在中國部署了一定數(shù)量的MEC專利。騰訊和國家電網(wǎng)則在騰訊云、游戲和電網(wǎng)解決方案中廣泛應(yīng)用了邊緣計算技術(shù)，因此也擁有了一定數(shù)量的MEC技術(shù)專利。

圖8 MEC技術(shù)中國專利申請Top10申請人分布圖

5 結(jié)束語

5G中的MEC邊緣計算技術(shù)是實現(xiàn)5G三大愿景的重要手段，在技術(shù)架構(gòu)日趨成熟的基礎(chǔ)上，其多樣化的應(yīng)用場景給這項技術(shù)以長遠的發(fā)展前景和廣闊的發(fā)展空間，國內(nèi)外的多家通信、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也在這項技術(shù)出現(xiàn)時就開始了商用的嘗試和專利的布局，現(xiàn)如今已在多行業(yè)實現(xiàn)了部署和運營，相信隨著該技術(shù)的推廣，將會出現(xiàn)更細化的技術(shù)標準和針對應(yīng)用場景的技術(shù)改進，使得5G的MEC邊緣計算技術(shù)能更好地發(fā)揮優(yōu)勢，為用戶帶來更好的通信服務(wù)體驗。