摘 要：5G移动边缘计算一体化设备采用通用服务器硬件，基于移动边缘计算平台以移动边缘应用形式集中部署5G基站软件、5G核心网软件以及5G网管软件。移动边缘计算一体化系统根据时延敏感性要求将移动边缘应用分为敏感性应用软件和非敏感性应用软件，预先为这些移动边缘应用定义性能等级及对应的算力需求，移动边缘计算一体化系统通过算力资源分配算法，平衡系统中部署的应用软件的性能。
关键词：移动边缘计算;一体化设备;敏感性应用;算力资源分配
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）22-0054-03
Abstract： 5G mobile edge computing integrated equipment is equipped with general server hardware. Based on the mobile edge computing platform， 5G base station software， 5G core network software and 5G network management software are centrally deployed in the form of mobile edge applications. According to the time delay sensitivity requirements， the mobile edge computing integration system divides the mobile edge applications into sensitive application software and non sensitive application software. The performance level and corresponding computing power requirements are defined for these mobile edge applications in advance. The mobile edge computing integration system balances the performance of the application software deployed in the system through the computing power resource allocation algorithm.
Keywords： moving edge computing; integrated equipment; sensitive application; computing power resource allocation
0 引 言
随着5G在各个行业和领域的应用，对无线通信设备部署方式、成本、运维等提出越来越多的需求。移动边缘计算一体化设备具有设备体积小、便于携带、节省功耗和降低成本的优势。系统采用一体化集中部署，可简化5G基站软件和5G核心网软件之间的N2接口和N3接口，方法是采用N2接口适配器和N3接口适配器分别替换原有N2接口和N3接口的接口协议栈。比如企业园区部署，需要保障企业敏感业务数据的安全性和实时性，因此在组网上可以采用搭建企业内部移动通信私网和运营商移动通信公网混合组网模式，企业安全敏感业务和时延敏感性业务可以使用企业内部移动通信私网进行数据传输，企业公有业务和企业内部员工上网活动可以通过运营商移动通信公网进行数据传输。企业内部搭建的5G移动通信私网可以包括四个通信网元：移动边缘计算平台、5G无线基站、5G核心网和5G网管系统，为了方便企业部署、节约成本及后续运维，通常采用一体化设备部署。
1 5G移动边缘计算
1.1 5G移动边缘计算端到端系统结构
图1描述了部署在网络功能虚拟化环境中的5G移动边缘计算端到端系统架构。UPF下沉部署在5G移动边缘计算中，用以实现本地数据分流;路由规则控制模块通过Mp2接口向下沉的UPF配置分流规则。5GC通过3GPP标准化接口与5G移动边缘计算MEC进行交互，实现控制面和用户面流程。MEC中下沉的UPF与5G基站之间通过标准接口N3进行用户面交互，下沉的UPF可将用户面数据分流到部署在MEC上的移动边缘应用。
1.2 服务器算力资源
作为计算节点的服务器可以由多种算力类型的计算单元构成，满足不同场景的计算需求。多种算力类型包括CPU、GPU、AI芯片、FPGA等，而CPU算力类型又分为X86、ARM类型等。
服务器算力资源包括计算资源、存储资源、网络资源等，计算资源包含不同种类的处理器，如CPU、GPU等，其算力往往是指处理器每秒运算次数。存储资源包括内存资源和硬盘资源;网络资源指的是服务器的网口资源。为了充分利用算力资源，保证用户的服务质量，需要统一对算力资源进行分配和调度，本文研究了一种算力资源的分配方式。
2 5G移动边缘计算一体化设备
2.1 5G移动边缘计算一体化系统架构
图2是5G移动边缘计算一体化系统架构，采用微服务架构模式，5G基站软件、5G核心网软件、5G网络管理软件等以移动边缘应用的形式集中部署在MEC服务器上。N2接口适配器代替5G基站软件和5G核心网软件原有的N2接口协议栈软件，N3接口适配器代替5G基站软件和5G核心网软件原有的N3接口协议栈软件，简化了原有N2接口和N3接口协议栈处理。
2.2 5G移动边缘计算一体化系统设计
图3和图4分别是5G基站和5G核心网之间N2接口和N3接口适配前后对比图，通过增加N2接口适配器、N3接口适配器来分别代替原有N2接口和N3接口协议栈处理软件，减少软件系统对硬件资源消耗，降低控制面和用户面处理和传输时延，提高业务体验质量。
在上行方向通信时，5G基站L3处理器通过“内部接口_1”发送上行信令消息，“内部接口_1”可以采用消息队列或socket套接字等通信方式。N2接口适配器接收5G基站L3处理器发送的上行信令消息，并获取内部定义的5G基站消息类型、5G基站用户标识符和5G基站识别符信息等。根据消息类型查表{5G基站消息类型，AMF消息类型}获取对应的AMF内部定义的消息类型;根据5G基站用户标识符查表{5G基站用户标识符，AMF用户标识符}获取对应的AMF用户标识符;根据5G基站识别符查表{5G基站识别符，AMF配置信息}获取接入的AMF信息;根据查表获取到的上述信息构建上行NAS适配消息，并通过“内部接口_2”向AMF侧NAS处理器发送适配后的上行NAS适配消息。下行通信时，N2接口适配器采用类似的处理方式。
5G基站L2处理器通过“内部接口_3”发送上行业务数据消息，“内部接口_3”可以时消息队列、socket套接字等通信方式。N3接口适配器接收上行业务数据消息并获取5G基站消息类型，查表{5G基站消息类型，UPF消息类型}获取对应的UPF消息类型，构建上行N3适配消息并通过“内部接口_4”发送给UPF侧N6处理器。下行业务数据处理同上行业务数据处理过程。
3 5G移动边缘计算算力分配方案
移动边缘计算管理平台软件、移动边缘应用软件、5G基站软件、5G核心网软件和5G网络管理软件是移动边缘计算一体化设备中部署的软件系统，这些软件可以根据时延要求分为敏感性软件和非敏感性软件。敏感性软件需要充足的硬件资源来保证某一等级的性能需求，需要独享算力资源;非敏感性软件需要保证其最小算力资源需求，可以与其他非敏感性软件共享算力资源。对应的算力分配方案如下：
步骤1：预先配置不同性能等级时，各类敏感性软件和非敏感性软件对应的算力需求信息。
步骤2：按照性能等级由高到低进行遍历，当性能等级i大于等于1时，计算对应的敏感性软件总的算力需求：
其中，S_SW_CPtotal（i）表示预设性能等级i对应的敏感性软件总算力需求;BBU_CPmax（i）表示预设性能等级为i时，5G基站软件最高算力需求;5GC_CPmax（i）表示预设性能等级为i时，5G核心网软件对应的最高算力需求;APP_CPmax，j（i）表示预设性能等级为i时，第j个应用软件对应的最高算力需求，j=（1，2，…，X）表示敏感性软件的编号。
当性能等级i小于1时，转到步骤8。
步骤3：计算非敏感性软件共享的算力需求：
其中，MEC_CPshare（i）、MEC_CPmax（i）和MEC_CPmin（i）分别表示预设性能等级为i时，移动边缘计算管理平台对应的共享算力需求、最大算力需求和最小算力需求;HMS_CPshare（i）、HMS_CPmax（i）和HMS_CPmin（i）分别表示预设性能等级为i时，5G网络管理软件对应的共享算力需求、最大算力需求和最小算力需求;APP_CPmax，j（i）、APP_CPmin，j（i）和APP_CPmin，j（i）分别表示预设性能等级为i时，第j个应用软件对应的共享算力需求、最大算力需求和最小算力需求;其中，j=（X+1，…，Y）表示非敏感性软件的编号。
非敏感性软件的共享算力需求为非敏感性软件的共享算力需求的最大值，公式为：
步骤4：计算非敏感性软件总的算力需求：
其中，NS_SW_CPtotal（i）表示预设性能等级i对应的非敏感性软件总算力需求。
步骤5：计算所有软件系统总的算力需求：
其中，SW_CPtotal（i）表示预设性能等级i对应的软件总算力需求;OS_CPrequired表示一体化设备对应的操作系统相关底层软件的算力需求。
步骤6：如果软件系统总的算力需求小于硬件支持的算力需求，则确定一体化系统的性能等级为i，转到步骤7;如果软件系统总的算力需求大于等于硬件支持的算力需求，则i=i-1，转到步骤1。
步骤7：根据选定的性能等级i，输出对应的算力资源配置建议。
步骤8：当性能等级小于1时，算力分配失败，给出失败原因“硬件支持的算力不能满足最低性能等级对应的算力需求，建议删除部分低优先级应用”。
4 结 论
本文重点研究5G端到端一体化设备及算力资源分配方案，通过在统一的服务器设备上集中部署移动边缘计算平台、5G基站软件、5G核心网软件以及5G网络管理软件，形成5G移动通信网络端到端的一体化设备;此外5G端到端一体化软件系统通过增加N2、N3接口适配器来代替原有N2、N3接口协议栈的处理方式，降低N2接口和N3接口的处理复杂度。一体化设备便于携带易于部署，并且节省部署空间节约设备成本，普遍用于中小企事业单位的覆盖。
针对移动边缘计算平台软件、5G基站软件、5G核心网软件以及5G网络管理软件，定义了通用服务器上这些软件不同性能等级的算力需求;当部署第三方应用时，需要提供第三方应用的性能等级及算力需求，由边缘计算平台综合计算得出各软件系统算力分配结果以及给出各软件系统算力资源的配置建议;基于移动边缘计算可视化界面进行交互操作，提高了系统的灵活性。
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作者简介：张静茹（1981.07—），女，汉族，安徽界首人，高级主任协议软件工程师，中级通信技术工程师，硕士研究生，研究方向：无线通信、计算机软件等。
