文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209003
中文引用格式：侯佳，芒戈，朱雪田. 面向应急通信的一体化5G边缘融合技术研究[J].电子技术应用，2020，46(2)：9-13.
英文引用格式：Hou Jia，Mang Ge，Zhu Xuetian. Research on integrated 5G edge fusion technology for emergency communication[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：9-13.
0 引言
5G网络采用NFV和SDN技术，进行网元功能的分解、抽象和重构，5G网络控制和转发平面分离的新型IT化平台，网络向控制功能集中化和转发功能分布化趋势演进[1-2]。边缘计算作为5G架构的一部分，可以驱动电信网络架构分布化，实现运营商业务本地化处理，提升网络数据处理效率，满足终端用户的极致体验，并满足垂直行业网络低时延、大流量、高安全性等诉求。
应急通信通常指当前通信网络设施被破坏时，为达到特殊通信保障需求的临时紧急通信网络。我国高度重视应急通信业务的规划和建设，国家应急管理部2018年提出打造“公专互补、宽窄融合、固移融合”多维无线通信网络目标，并提出“系统化、扁平化、立体化、智能化、人性化”发展要求。通过边缘计算技术，用户面网元UPF可以灵活地下沉部署到网络边缘，而策略控制PCF和会话管理SMF等控制面功能可以集中部署，可利用无线基站内部或无线接入网边缘的云计算设施提供本地化的应急通信服务，包括应急现场实时采集、现场救援队伍之间以及现场与指挥中心的实时音视频通信和指挥调度等。应急通信场景提出了快捷组网、配置简单、易于维护等需求，需要快速构建5G应急通信网络和系统。现有5G标准网络复杂的组网配置和服务加载不利于5G应急通信的快速启动。因此，简化网络结构和减少设备尺寸是5G现场应急通信系统的必要实施条件。
本文从快速构建应急通信专网应用场景入手，提出一种高效的一体化边缘融合技术和设备实现方案。
1 现场应急通信系统
1.1 现场应急场景
当自然灾害发生时，灾区原有基础通信设施、道路设施、电力设施等会遭受不同程度的损坏，第一时间的受灾信息有效传输和现场指挥调度是灾害救援的关键，通常需要现场快速构建应急通信系统。
对于自然灾害导致本地通信网络基本瘫痪的受灾场景，一方面无法利用现有公网设施通信；另一方面即使是未被破坏的公网设施，也会由于用户突增导致网络阻塞。该场景下的应急通信要求具有非常高的机动性、灵活性强和适应性。基于应急通信车、便携式基站和系留式无人机等方式，通过高通量卫星作为5G核心网回传链路，临时构建覆盖灾区的5G现场应急通信网络，在保证现场各救援队伍通信调度的同时，也可以进一步服务于受灾群众。
1.2 系统架构
典型现场应急通信系统如图1所示。
现场紧急系统由无线网覆盖部分、无线回传部分、无线终端部分和指挥中心等部分组成。
(1)无线网覆盖部分
在地震等灾害救援现场，基本上无线网络覆盖了整个救援体系，即使有线网络也会存在于在救援过程中，但是由于地震的特殊背景，对于救援现场的灵活快速布网基本靠无线网覆盖。通常使用便携式基站与天线或基于无人机方式快速进行现场无线网络构建。
(2)无线回传部分
救援现场通信网与救援指挥中心之间必须要实现互连，完成语音、数据、视频的通信。无线回程传输可以建立现场与指挥中心之间的数据连接，实时传送现场救援情况和受灾情况给指挥中心，以方便指挥决策。无线回程传输部分可以借助光纤设施或卫星通信完成回程传输，从安装便捷性角度，通常采用基于卫星通信的方式[3]。
(3)无线终端部分
救援现场的无线终端包括了所有能支持无线功能的设施设备总和，现场支持该功能的设备多种多样。救援现场无线终端设备主要给救援队员使用，救援工作人员通过上述的终端设备接入现场救援通信网络。对灾害现场的信息收集和图像视频的采集通过无线回程传输给救援现场指挥中心或后方指挥中心，完成救援通信子网与指挥救援中心的通信，以方便救援指挥部门的决策部署。
(4)指挥中心
指挥中心一般情况是指救援现场临时指挥中心和后方灾害指挥中心的总称。指挥中心要对救援现场救援分队回传的图像、视频信息进行及时分析判断，根据地震现场的实际情况再对救援队伍下达正确的指令。指挥命令由整个应急通信系统传达给临时救援指挥中心或者直接下达给现场救援小组。
2 边缘计算赋能应急系统
边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。通过边缘计算技术，用户面网元UPF可以灵活地下沉部署到网络边缘，而策略控制PCF和会话管理SMF等控制面功能可以集中部署，可利用无线基站内部或无线接入网边缘的云计算设施提供本地化的应急通信服务，包括应急现场实时采集、现场救援队伍之间以及现场与指挥中心的实时音视频通信和指挥调度等。
3GPP定义的5GS架构中包含5G终端(UE)、基站(gNB)、核心网-控制面(AMF、SMF、UDM、PCF等)、核心网-数据面(UPF)、MEC、数据中心等功能，各个功能分散在网络中的不同位置，通过标准接口完成通信交互[1-2，4]，如图2所示。
边缘计算赋能现场应急保障系统时，如果5G基站、UPF和MEC能力按照独立设备进行通信和组网，存在以下不足：
(1)每个功能设备需要独立进行启动和配置应用，增加了管理和维护成本；
(2)每个功能设备需要独立进行组网规则，打通承载网络，不利于应急通信系统的快速搭建；
(3)功能设备间通过底层承载网络通信，通信质量受网络不稳定因素影响较大，不利于实时通信业务的开展。
因此，如果将5G基站、UPF和MEC能力集成构建一体化边缘融合设备，采用内部通道缩短交互距离和部分业务卸载到加速卡的方式，满足了边缘业务低时延、高性能的通信能力要求，有效弥补了独立设备的缺点。
3 一体化设备方案
3.1 总体结构
一体化边缘融合5G设备系统架构如图3所示。
一体化设备同时集成了基站(gNB)、数据面(UPF)、边缘计算平台(MEC)功能，覆盖边缘业务场景中的3个主要功能设备。其中，一体化设备通过统一的OAM暴露配置接口，并且功能间通过高效率的内部通道实现模块间交互。同时，一体化设备集成加速网卡，针对上述3个功能中耗时较大的业务进行硬件加速。
3.2 各模块功能
3.2.1 基站
基站作为接入网设备，主要承载以下功能[4-5]，如图4所示。
(1)L1基本功能：物理和传输信道处理、随机接入、载波聚合；
(2)L2-MAC功能：逻辑信道及传输信道、帧结构及系统带宽，PDCCH CORESET及Search Space、随机接入、上行同步、上/下行HARQ过程、上/下行调度、SR/BSR过程、上行功率控制、调度算法、寻呼、DRX；
(3)L2-RLC功能：TM/UM/AM数据传输、RLC重建、RLC协议错误检测；
(4)L2-PDCP功能：PDCP数据传输、PDCP头压缩和解压缩、PDCP加解密和完整性保护、状态报告、数据恢复；
(5)L2-SDAP功能：流映射、QFI标识；
(6)GTP-U功能：Echo/Error Indication/End Marker过程、扩展头支持、GTP-U数据收发、连接设置和释放；
(7)RRM功能：接入控制、负载控制、无线资源管理；
(8)L3基本功能：RRC连接、RRC状态管理、寻呼、无线测量、承载控制、移动性管理。
3.2.2 UPF
UPF作为核心网的数据面，主要承载以下功能[4，6]，如图5所示。
(1)转发平面：GTPU加解封装、PDU规则管理、PDR转发、QoS策略应用；
(2)N4支持：支持3GPP标准N4接口，包括PDU会话创建、PDU会话修改、PDU会话释放、EndMark和N4 SetUp等;
(3)增值业务：支持L2TP、IPSec、DPI、DNS等。
3.2.3 MEC平台
MEC作为边缘应用平台，主要承载以下功能[7]，如图6所示。
(1)转发能力：提供DNS、路由转发、流量QoS和负载均衡等转发能力；
(2)开放能力：提供符合OpenAPI标准的APIGW功能；
(3)APP管理能力：APP应用部署实例化或终结，APP应用部署位置迁移；APP应用生命周期管理，并将状态上报MEAO；为APP提供服务治理(发布、发现、转发)；
(4)系统管控能力：流量监控、带宽控制、基站侧信息收集。
3.3 内部通道
内部通道作为一体化设备的内部功能通信方式,主要承载以下功能，如图7所示。
(1)内部通信：通过写OPENFLOW流表将两个VM的接口关联起来，实现内部消息交互；
(2)数据发送到外部：报文经过OVS转发处理后，由VF增加VLAN TAG封装后发送出去；
(3)从外部接收数据：外部数据进入后根据VLAN TAG送入指定的VF处理，由VF剥除TAG头后进入内部网桥，再由网桥转发到各个功能模块。
3.4 加速卡支持
为了释放CPU资源或者针对部分业务提供加速支持，提升业务处理性能，降低处理时延，一体化设备通过扩展加速卡的方式，满足特定场景的加速需求，可以包括如下功能：
(1)为基站提供PDCP加解密支持[5]；
(2)为UPF提供GTPU流转发能力支持[6]；
(3)为MEC提供GPU算力支持[7]。
加速模型如图8所示。
根据业务需要和资源满足度，集成基站、UPF、MEC的一体化设备可以共享一张加速卡或独享一张加速卡，即加速卡同时为多个功能提供加速服务。另外，除上述功能专有加速业务外，GTPU流转发加速可以为基站使用。如有需要，GPU加速也可以为UPF使用(例如：集成AI的UPF)。
3.5 运行视图
以UE上行数据为例，一体化融合5G设备中gNB、UPF和MEC功能的交互方式如图9所示。
上述运行视图描述了两条上行流量，其中流量①为首包流量，流量经UE发出后到达加速网卡，加速网卡直接交gNB(未加速)，gNB处理后通过内部通道交给UPF转发，UPF转发目标地为MEC，流量仍然由内部通道到达MEC，此路由为“慢”路径或全路径。
在完成首包的全路径转发后，如果gNB、UPF、MEC启用了加速卡，则将通过加速卡适配层向加速卡下发加速表项。非首包流量再次从UE发出后，经路径②直接在加速网卡完成gNB、UPF处理后交MEC，MEC如涉及AI业务处理则再将数据交GPU处理。
另外，gNB、UPF、MEC功能的信令交互直接通过内部通道进行，避免了繁琐组网的同时，提高了信令交互可靠性和效率。
4 结论
通过将基站、UPF、MEC功能整合为一体化边缘融合设备的方式，在本地卸载大量应急系统流量，结合基于OVS+DPDK的内部通信机制，使转发数据与内核完全隔离，降低与内核的耦合性的同时提升了转发效率，提高整体业务处理性能。一体化边缘融合技术为5G现场应急通信提供高度集成的无线RAN接入能力、UPF数据转发能力、MEC边缘应用服务能力，同时也简化了设备运维复杂性和外部组网要求，并提高了整机系统的服务性能。此外，一体化融合5G设备进一步下沉了边缘业务，实时性得到充分保障，从而可以满足应急通信快速部署的需要。
参考文献
[1] 3GPP TS 23.501.System architecture for the 5G system(release 15)[S].3rd Generation Partnership Project(3GPP)，2018.
[2] 3GPP TS 23.502.Procedures for the 5G system(release 15)[S].3GPP，2018.
[3] 3GPP TS 38.300.NR and NG-RAN overall description(release 15)[S].3GPP，2018.
[4] 3GPP TS 29.244.Interface between the control plane and the user plane nodes(release 15)[S].2018.
[5] 3GPP TS 38.401.NG-RAN；architecture description(release 15)[S].3GPP，2018.
[6] 3GPP TS 29.554.Background data transfer policy control service(release 15)[S].3GPP，2018.
[7] ETSI GS MEC 003-2006.Mobile edge computing(MEC)；framework and reference architecture，v1.1[S].European Telecommunications Standards Institute(ETSI)， 2016.
作者信息:
侯 佳，芒 戈，朱雪田
(中国电信股份有限公司研究院，北京102209)