陳云斌，王全，馮定東，陸威，李立平

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X,Cellular Vehicle-to-Everything）是基于蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。C-V2X賦予車輛通信能力，包括車與車之間（V2V）、車與路之間（V2I）、車與人之間（V2P）、車與網(wǎng)絡(luò)之間（V2N）等。V2X結(jié)合AI、機器視覺、高精度精確定位等技術(shù)，可以解決智能交通系統(tǒng)在汽車行駛安全、效率提升和信息服務(wù)等方面的需求，讓駕乘體驗更加舒適，交通環(huán)境更加安全。

C-V2X目前主要包括LTE-V2X和NR-V2X兩個大的標(biāo)準(zhǔn)階段。C-V2X兩個階段的技術(shù)互為補充，長期并存，共同支持豐富的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用?；贚TE的LTE-V2X在3GPP的R14版本中實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，隨后R15對LTE V2X進行了功能增強。進入5G時代，R16通過5G NR更低時延、更高可靠性和更大容量來提供V2X服務(wù)，在V2N的基礎(chǔ)上，支持V2V和V2I直連通信，通過引入組播和廣播等多種通信方式，以及優(yōu)化感知、調(diào)度、重傳以及車車間連接質(zhì)量控制等技術(shù)，支持車輛編隊、半自動駕駛、外延傳感器、遠程駕駛等更豐富的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[5]。R17進一步增強提高可靠性和降低時延的資源分配機制，用以滿足未來車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用嚴(yán)苛的通信需求。

在C-V2X網(wǎng)絡(luò)中，連接著大量的車載終端和道路基礎(chǔ)設(shè)施，需要進行海量、實時的數(shù)據(jù)交互，由此產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲的需求，對網(wǎng)絡(luò)提出了更苛刻的要求。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求網(wǎng)絡(luò)既能支持超低時延的控制決策信息交互，又能支持大流量的業(yè)務(wù)信息傳遞。

1 云網(wǎng)融合對車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的必要性

智能汽車通過車載OBU（On Board Unit）每天將與周圍基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生GB量級的通信數(shù)據(jù)；輔助駕駛要求20～100 ms，自動駕駛要求時延低至3 ms。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和云計算方式已經(jīng)遠遠不能滿足C-V2X需求。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對云的要求不僅僅是算力，還需要更低的時延、更大的帶寬，網(wǎng)絡(luò)帶寬成為影響業(yè)務(wù)的重要指標(biāo)。云服務(wù)的可靠性、可用性和擴展性也需要網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同。然而，云網(wǎng)分離的現(xiàn)狀造成云網(wǎng)資源難以實現(xiàn)最佳匹配。

5G網(wǎng)絡(luò)利用云計算技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化，從封閉走向開放，向服務(wù)化的方向發(fā)展。為滿足5G業(yè)務(wù)低時延、高帶寬、高安全的需求，5G網(wǎng)絡(luò)進行分布式重構(gòu)將成為必然選擇。5G網(wǎng)元的控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，控制面集中部署，用戶面下沉，靠近用戶分布式部署，實現(xiàn)云網(wǎng)融合，有效解決C-V2X對網(wǎng)絡(luò)的苛刻要求。

如圖1所示，5G網(wǎng)絡(luò)以中心、區(qū)域、邊緣數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，構(gòu)建分布式云。分布云除了承載CT網(wǎng)元外，還可以部署車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。通過云網(wǎng)協(xié)同，可針對不同車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景靈活地提供網(wǎng)絡(luò)切片，實現(xiàn)云網(wǎng)資源的精準(zhǔn)調(diào)度和精準(zhǔn)服務(wù)；通過云邊協(xié)同，可以選擇最佳UPF（User Plane Function）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，讓數(shù)據(jù)存儲在最合適的位置，讓業(yè)務(wù)運行在最佳的位置；通過邊邊協(xié)同，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的按需加載和無縫切換。

圖1 基于5G云網(wǎng)融合的車聯(lián)網(wǎng)多級部署

借助5 G 分布式云，M E C（Multi-access Edge Computing）與C-V2X的融合，通過車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)通信、計算、存儲的融合，實現(xiàn)車路云的協(xié)同感知、決策和控制。MEC在靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，提供無線網(wǎng)絡(luò)能力、IT業(yè)務(wù)環(huán)境和云計算能力，具有網(wǎng)絡(luò)能力開放、低時延、高性能、本地服務(wù)等特性[10]。MEC本地分流能力，能夠顯著降低車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的傳輸時延，適合部署安全駕駛類業(yè)務(wù)。MEC提供網(wǎng)絡(luò)信息開放功能，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口開放邊緣網(wǎng)絡(luò)，包括無線網(wǎng)絡(luò)信息（RNIS）、位置信息、用戶信息等。利用MEC的位置信息開放可以輔助車載終端實現(xiàn)快速定位，有效提高定位效率和精度。MEC具備本地屬性，可以提供區(qū)域化、個性化的本地服務(wù)，同時降低回傳網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力。在智慧交叉路口場景中，MEC可以融合和分析多個路側(cè)及車載傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對大量數(shù)據(jù)提供實時、精確和可靠的本地計算與分析。當(dāng)路側(cè)部署了能接入MEC平臺的路側(cè)雷達、攝像頭、智能紅綠燈、智能化標(biāo)志標(biāo)識等智能設(shè)施時，相應(yīng)的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以借助路側(cè)感知的數(shù)據(jù)為車輛或行人提供信息服務(wù)。

綜上所述，云網(wǎng)融合可以實現(xiàn)端到端精準(zhǔn)感知，提供云網(wǎng)一體的SLA保障，讓云網(wǎng)資源實現(xiàn)最佳匹配，從而更好地服務(wù)于車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2 基于5G云網(wǎng)融合的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 云網(wǎng)融合架構(gòu)演進

當(dāng)前主流的軟件開發(fā)模型是CS（Client-Server）模型，即客戶端發(fā)起服務(wù)請求，遠程服務(wù)器處理這些請求，這也是典型的云計算方式。但是，對于基于MEC的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，開發(fā)人員需要根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，將時延敏感的應(yīng)用運行在邊緣，將時延不敏感、算力要求高的應(yīng)用運行在中心云[1]。因此，MEC加速云網(wǎng)融合，同時也帶來軟件架構(gòu)上的變革，即從CS兩層架構(gòu)架演進為CES（Client-Edge-Server）的三層架構(gòu)。

如圖2所示，通常部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的MEC主機包含MEC平臺以及計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源。MEC平臺提供安全的環(huán)境，MEC應(yīng)用可以通過RESTful API發(fā)現(xiàn)、通告、消費和提供服務(wù)[1]。

圖2 CES軟件架構(gòu)[1]

CES架構(gòu)的軟件設(shè)計與傳統(tǒng)軟件不同，可以分為終端組件（Client）、邊緣組件（Edge）和遠端組件（Server）。

終端組件的位置可以是智能汽車或其它無線連接的計算終端，運行客戶端應(yīng)用程序，初步處理需要接近零延遲的任務(wù)。

邊緣組件指在邊緣云中執(zhí)行的組件。例如，駕駛安全類業(yè)務(wù)對通信時延提出了苛刻的要求，將此類業(yè)務(wù)部署在MEC上比部署在中心云上更能顯著降低業(yè)務(wù)響應(yīng)時間。

遠程組件是指要在遠程數(shù)據(jù)中心執(zhí)行的組件。例如，對路況分析和統(tǒng)一調(diào)度，根據(jù)區(qū)域車輛密度、道路擁堵情況、擁堵節(jié)點位置以及車輛目標(biāo)位置等信息，利用路徑優(yōu)化的算法對車輛開展導(dǎo)航調(diào)度，避免擁堵進一步惡化。此場景對時延不敏感，但需要對海量數(shù)據(jù)處理、綜合路徑規(guī)劃的計算能力，還要能提供各類綜合信息的存儲能力，適合以遠程組件形式部署在中心云。

基于微服務(wù)的設(shè)計方法特別適合CES架構(gòu)。微服務(wù)以拆分和服務(wù)化為基礎(chǔ)，將海量用戶產(chǎn)生的大規(guī)模的訪問流量進行分解，采用分而治之的方法，達成用戶需要的功能指標(biāo)，并同時滿足用戶對高可用、高性能、可伸縮和可擴展的要求。不同于傳統(tǒng)軟件通過分布式部署解決負(fù)載均衡的問題，CES架構(gòu)基于5G云網(wǎng)融合，通過分布式下沉部署來滿足超低時延、超大帶寬等只能在網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)的需求。應(yīng)用開發(fā)人員設(shè)計時，將需要低時延的組件部署在邊緣，需要高算力的組件部署在中心云。通過云網(wǎng)的協(xié)同，讓應(yīng)用程序支持分布式處理、上下文同步和多級負(fù)載均衡。CES這種分布式部署方式可以充分發(fā)揮云網(wǎng)融合的優(yōu)勢，在最適當(dāng)?shù)奈恢脠?zhí)行最合適的任務(wù)。

2.2 云網(wǎng)資源共享

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無處不在，只有部署足夠廣泛的邊緣計算節(jié)點，才能滿足C-V2X的需求，吸引更多的業(yè)務(wù)遷移到邊緣。然而，由于站點和環(huán)境限制，很難找到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心部署通用服務(wù)器。邊緣計算節(jié)點的建設(shè)需要進行大量投資，作為新興的業(yè)務(wù)，近期的回報沒有任何保證，投資風(fēng)險大。降低此類戰(zhàn)略投資的重大成本和風(fēng)險的方法是云網(wǎng)共部署，實現(xiàn)云網(wǎng)資源的共享。

對運營商而言，將MEC與CT業(yè)務(wù)共享同一個云基礎(chǔ)設(shè)施，可以最大限度地利用5G的云基礎(chǔ)設(shè)施，大幅降低投資成本。運營商擁有大量的分布在全國各地的機房、高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)出口，部署MEC具備天然優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有的邊緣機房空間小，無法放置通用服務(wù)器。邊緣機房供電不足，制冷條件差，改造難度大。如何充分利用這些現(xiàn)有的機房成為關(guān)鍵。

出于性能、成本、可擴展性等多種因素考慮，運營商的部署方案包括：

1）中心機房：機房條件好，采用通用服務(wù)器。

2）邊緣機房：受限于機房空間、制冷和供電能力，邊緣服務(wù)器要求低功耗、體積小，以及更廣的溫度適應(yīng)性和更強的環(huán)境適應(yīng)性來應(yīng)對邊緣機房的復(fù)雜環(huán)境。

3）接入機房：基于BBU（Building Base band Unit）的空閑槽位，插入嵌入式X86單板，無需額外空間，現(xiàn)有機房不用改造。

為了進一步降低投資，解決機房站點問題，采用CRAN（Cloud RAN）和MEC融合可以更好地適應(yīng)新的MEC應(yīng)用。MEC與CRAN合設(shè)，共用同一個NFVI，實現(xiàn)資源的共享。MEC和CRAN之間的交互可以通過內(nèi)部接口進行，利用共享基礎(chǔ)設(shè)施的性能優(yōu)勢，可以提高通信效率并有效地支持實時應(yīng)用?；贛EC的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更靠近RAN部署，RNIS（Radio Network Information Services）獲取無線信息的最佳方式是直接與CRAN交互，而不是通過核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)功能（例如網(wǎng)絡(luò)暴露功能）進行長時間的路由[2]。

2.3 云網(wǎng)能力開放

傳統(tǒng)軟件設(shè)計采用應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計原則，開發(fā)人員不需要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)狀況對應(yīng)用不可知。但是，隨著車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求越來越苛刻，應(yīng)用設(shè)計開始要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的情況，從而提升應(yīng)用性能和易用性。典型的應(yīng)用場景如視頻壓縮，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量調(diào)整視頻流的壓縮比。利用MEC開放的無線網(wǎng)絡(luò)信息也可以對TCP傳輸?shù)目刂品椒ㄟM行優(yōu)化，有效規(guī)避高清視頻等多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)擁塞[11]。

MEC打破封閉的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在云和網(wǎng)之間構(gòu)建一個橋梁，讓應(yīng)用感知網(wǎng)絡(luò)，讓網(wǎng)絡(luò)感知應(yīng)用。

如圖3所示，MEC平臺虛擬化層為上層各種能力服務(wù)以及應(yīng)用提供虛擬化平臺資源及管理，滿足不同應(yīng)用共享統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施。MEP（MEC Platform）能力開放平臺提供UPF的本地分流能力，以及NAT、虛擬防火墻vFW、DNS、業(yè)務(wù)負(fù)載均衡LB等基本服務(wù)能力。同時，MEP還提供無線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（RNIS,Radio Network Information Service）、帶寬管理、業(yè)務(wù)路由規(guī)則、無線室內(nèi)定位等服務(wù)。這些服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)能力開放框架，以API接口方式來提供服務(wù)。邊緣服務(wù)能力層采用微服務(wù)化框架設(shè)計，隨著后續(xù)業(yè)務(wù)需求的變化，可以引入新的能力，如AI能力、大數(shù)據(jù)能力等來豐富完善MEC的能力層。

圖3 MEC能力開放平臺

在遵循分層設(shè)計原則的同時，MEC為網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用提供開放的服務(wù)接口。通過引入了這樣的服務(wù)環(huán)境，可以極大地改善用戶體驗。通過MEC服務(wù)可以提供應(yīng)用應(yīng)在何處運行的相關(guān)信息，如預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)延遲、吞吐量等。簡而言之，借助MEC，環(huán)境變得可預(yù)測，環(huán)境（即上下文）信息可用于主動調(diào)整應(yīng)用運行的行為。這意味著軟件的設(shè)計過程中需要增加考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。例如，通過MEC無線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)RNIS，能夠?qū)o線信道質(zhì)量、小區(qū)ID、小區(qū)負(fù)荷和吞吐量等信息開放給應(yīng)用[3]，引入AI等人工智能分析推理能力，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)QoS（Quality of Service）從用戶級到報文級的更細(xì)粒度保障，提供位置感知、鏈路質(zhì)量預(yù)測等新的網(wǎng)絡(luò)能力。類似地，MEC應(yīng)用可以使用帶寬管理API提出帶寬請求，為應(yīng)用預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，這使得邊緣應(yīng)用能夠以可預(yù)測/可控制的方式從低延遲和高吞吐量中受益，并且在服務(wù)設(shè)計時可以利用這些信息來優(yōu)化端到端的服務(wù)架構(gòu)。

此外，5G網(wǎng)絡(luò)本身還可以受益于MEC服務(wù)，例如，通過預(yù)測接入的用戶行為，可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)效率。通過DPI識別，賦予基站對上層業(yè)務(wù)的識別能力，讓無線感知業(yè)務(wù)、感知用戶，從而可以為不同業(yè)務(wù)、不同用戶提供差異化QoS的能力。

2.4 云網(wǎng)協(xié)同

當(dāng)車載終端在5G網(wǎng)絡(luò)中移出當(dāng)前MEC服務(wù)覆蓋范圍時，涉及跨MEC之間的切換，此時造成的數(shù)據(jù)報文的丟失會影響終端業(yè)務(wù)的體驗，這對于要求超低時延和高可靠性的自動駕駛類應(yīng)用是不可接受的。因此，需要解決低時延應(yīng)用的業(yè)務(wù)連續(xù)性問題[8]。

為了保障業(yè)務(wù)連續(xù)性，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從滿足業(yè)務(wù)需求的角度出發(fā)，定義了三種業(yè)務(wù)與會話連續(xù)性模式SSC（Session and Service Continuity），包括PDU（Protocol Data Unit）會話連接的“一直不斷”、“先拆后建”或“先建后拆”。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景采用“先建后斷”的業(yè)務(wù)與會話連接模式，當(dāng)終端移動出原有UPF覆蓋范圍時，新的PDU會話會率先建立，原有的會話連接才會釋放[7]。

除了從網(wǎng)絡(luò)層面保障業(yè)務(wù)與會話連接不中斷，還需要從業(yè)務(wù)層面來保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性?；贛EC的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，隨著車輛終端的移動或者其它條件的變化，在不同時刻要求MEC應(yīng)用的位置不同，MEC應(yīng)用需要在正確的時刻運行在正確的地方，不同的位置可能有不同的成本（在資源可用性、能耗等方面）。

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在不同MEC之間遷移，涉及特定用戶應(yīng)用相關(guān)信息的同步。大量的數(shù)據(jù)同步將增加業(yè)務(wù)時延，同時可能對網(wǎng)絡(luò)造成沖擊?；谖⒎?wù)架構(gòu)，采用無狀態(tài)設(shè)計是一種可行的方法。MEC應(yīng)用與狀態(tài)無關(guān)，不需要同步和保存服務(wù)的狀態(tài)信息。當(dāng)終端移動到另一個MEC主機覆蓋的位置時，可以避免大量的數(shù)據(jù)同步。終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)和信息存放在中心云，便于車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的集中調(diào)度，全局協(xié)同。對于時延敏感類的數(shù)據(jù)，可以在MEC本地緩存。通過網(wǎng)絡(luò)能力開放，可以基于時延、吞吐量等QoS性能預(yù)測切換，幫助車輛終端選擇基站和MEC主機[5]。通過對MEC切換時機的預(yù)測，僅在MEC主機需要切換時，提前向MEC主機發(fā)起狀態(tài)遷移，做好數(shù)據(jù)同步，即降低了切換的時延，還大幅降低同步的數(shù)據(jù)量。

3 問題與展望

引入MEC提供車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，同時也引入了潛在的安全威脅和漏洞?；贛EC的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)功能相同的物理平臺上運行，這些應(yīng)用程序可以是第三方應(yīng)用程序，而不是由運營商直接控制。這些應(yīng)用可能會耗盡網(wǎng)絡(luò)功能所需的資源，也可能為黑客提供侵入平臺的攻擊媒介，進而影響平臺運行的網(wǎng)絡(luò)功能。如何確保MEC環(huán)境中的系統(tǒng)故障不會影響5G網(wǎng)絡(luò)是運營商需要關(guān)注的問題。

無線網(wǎng)絡(luò)能力開放還處于探索階段，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)能力加速ICT融合創(chuàng)新，需要全產(chǎn)業(yè)鏈的共同合作。同時，無線網(wǎng)絡(luò)能力開放也涉及到用戶的隱私問題，比如位置信息，需要對數(shù)據(jù)進行脫敏處理，要避免提惡意提取和意外泄漏私有信息。

4 結(jié)束語

云網(wǎng)打破界限，實現(xiàn)云網(wǎng)融合是技術(shù)發(fā)展的趨勢?；?G云網(wǎng)融合的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅可以滿足車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用低時延、大帶寬和高可靠的需求，還可以充分共享運營商5G基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)低成本快速部署。除了車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的AI質(zhì)量檢測、遠程控制、AR/VR等應(yīng)用，也需要通過云網(wǎng)融合來提供精準(zhǔn)的算力，以及提供無線網(wǎng)絡(luò)能力開放，加速業(yè)務(wù)創(chuàng)新。云網(wǎng)融合的基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字化經(jīng)濟的基石，是推動各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要推手。