MEC与车联网融合应用分析

MEC与车联网融合应用分析
发表时间：2020-07-16T05:59:33.922Z 来源：《现代电信科技》2020年第4期作者：王森[导读] 3GPP从增强型V2X的需求定义上给车联网的网络容量、网络时延等方面给出了要求，传统的车联网架构将很难满足车联网的应用要求。

本文主要介绍了车联网的发展现状、特点及存在的问题，分析了MEC与车联网融合的架构体系以及给车联网带来的变化，并在此基础上提出了MEC与车联网融合的关键技术。

王森
（广东省电信规划设计院有限公司 510630）
摘要：3GPP从增强型V2X的需求定义上给车联网的网络容量、网络时延等方面给出了要求，传统的车联网架构将很难满足车联网的应用要求。

本文主要介绍了车联网的发展现状、特点及存在的问题，分析了MEC与车联网融合的架构体系以及给车联网带来的变化，并在此基础上提出了MEC与车联网融合的关键技术。

关键词：车联网；MEC；网络架构；融合；关键技术
1车联网的发展现状
以V2X技术为基础的汽车网联化和道路智能化是实现智慧交通的重要支撑，有望缓解交通堵塞，提升通行效率，减轻交通对环境的影响，大幅减少致命交通事故的数量，为此世界各国都已经将V2X无线通信技术作为未来智慧交通的信息化基础技术而加大了研究力度。

目前主流的V2X无线通信技术有IEEE802.11p和C-V2X（Cellular-V2X）两条技术路线，在技术路径选择上仍存竞争。

802.11p技术成熟相对较早，作为一种专用短距离通信（DSRC）无线技术受到美国政府青睐和支持。

相比于802.11p技术，我国在C-V2X标准制定、产品研发、应用示范、测试验证等方面都取得了积极进展，国内LTE-V2X标准体系建设和核心标准规范也基本完成，包括总体技术要求、空中接口技术要求、安全技术要求以及网络层与应用层技术要求等各个部分，初步形成了覆盖系统、芯片、终端的产业链。

2车联网架构介绍
典型的车联网网络架构包括终端、网络层、平台层和应用层。

车联网架构体系图
终端：包括人、车、道路及基础设施，是V2P，V2V，V2I的起点和终点。

各终端可通过短距离直接通信接口（PC5）直接互联，另外一种是终端和基站之间的通信接口（Uu），可实现长距离和更大范围的可靠通信。

网络层：包含无线（有线）接入网，核心网等网元，实现终端层的接入和控制，数据的汇聚和分发。

平台层：实现对汽车各类数据的管理和处理，对应用层屏蔽终端接入的复杂性。

实现设备管理、用户管理、数据管理、控制增强和安全管理等功能。

应用层：根据不同的用户需求，提供车联网业务的能力支撑和实现各类智慧化应用服务。

参考3GPP关于增强型V2X的需求分析，从6个方面提出了支持的服务要求：
1）一般特性（General Aspects）：常规的V2X操作。

2）车辆编队（Vehicles Platooning）：车辆编队使车辆能够动态的组成一个车组协同行驶。

编队中所有的车辆定期接收来自编队中leading车辆的数据，以便于执行编队操作。

这些信息允许车辆之间的距离变得很小，编队车辆应用能允许跟随的车辆自动驾驶。

3）先进驾驶（Advanced Driving）：可以实现半自动或者全自动驾驶，假设车辆之间的间距较长，每一辆车或者RSU可以与邻近的车辆节点分享本地传感器所获得的数据，从而协调车辆的行驶轨迹及其动向。

此外，每辆车与附近的车辆分享其驾驶意图，以提供更加安全
的驾驶体验，避免碰撞，提升交通效率。

4）扩展传感器（Extended Sensors）：扩展传感器可以在车辆、RSU、行人设备和V2X应用服务器之间交换本地传感器收集的原始数据或处理实时视频数据。

这些车辆能够增强对本车对当前环境的感知，在本身自身传感器感知不到的情况下，对当前环境进行更全面的感知。

5）远程驾驶（Remote Driving）：远程驾驶将允许V2X应用远程操纵车辆完成车辆的远程驾驶。

基于变化有限且路线可预测的情况下，例如公共交通，可以使用基于云计算的驾驶技术。

6）车辆质量服务支持（Vehicle quality of service Support）：保证系统能根据V2X应用程序的服务质量需求修改服务质量。

不同的应用场景对网络时延和带宽有着不同的需求。

考虑车辆编队或遥控驾驶场景，若相向行驶的车辆速度均为100km/h，则相对速度达到200km/h，18ms就能行驶1m，为了行驶安全，考虑到应用系统的处理时延及车辆系统的处理时延，端到端的延迟要求将小于5ms。

再考虑扩展传感器场景下实时视频流的下发以及高精地图的下发，对网络带宽的需求最高将达到1Gbps，大量的数据增加了网络负荷，也易引起数据传输时延。

各类场景对网络带宽和通信时延的要求如下：
MEC部署在网络边缘，靠近终端，能降低传输时延，提供计算和存储能力，MEC与车联网融合将极大增强端到端的数据处理能力。

3MEC与车联网融合应用
MEC的概念起初被称为移动边缘计算（Mobile Edge Computing），于2013年出现。

2014年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立了移动边缘计算规范组，推动相关标准化工作。

2016年，ETSI将MEC内涵扩展为多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing），将应用场景从移动网络进一步延伸至其他无线接入网络（如Wi-Fi）。

MEC技术被认为是5G关键技术之一，通过在无线接入侧部署通用服务器，从而为无线接入网提供IT和云计算能力，满足5G网络增强宽带、低时延高可靠以及大规模机器类通信等技术场景的业务需求。

3.1MEC与车联网融合网络架构
MEC位于接入网（包括无线接入网和有线接入网）和移动核心网之间，核心设备是基于IT通用硬件平台构建的服务器（NFV虚拟化基础设施）。

基于虚拟化技术，可以实现在同一个硬件平台上部署多个虚拟机，使网络和业务部署更灵活、更弹性，通用的硬件平台也大大缩短了网络功能开发和部署的周期。

同时，业务面下沉至本地化部署使得业务应用更易于实现对网络上下文信息的感知和利用，从而有效提升用户的业务体验。

MEC系统架构图
3.2MEC为车联网带来的变化
MEC与车联网的融合可以带来多方面的改变： 1.增强网络带宽
在传统LTE网络中，数据流必须经过PGW，即使是同一小区的用户间数据流也必须经过PGW。

数据面功能过度集中在PGW上也容易导致PGW成为网络吞吐量的瓶颈，也为车联网应用部署带来困难。

通过引入MEC技术，可以实现车联网应用本地化、本地缓存及分流，有效缓解核心网的数据压力，增强网络数据吞吐能力。

2.提升低时延可靠性
端到端时延分为物理层时延以及网络层时延，物理层时延取决于空口效率以及软硬件的处理能力。

而网络时延随着网络内各网元的处理能力，数据传输的效率，网络内的数据传输量以及应用系统部署与用户的距离变化而变化。

这些不确定性均降低了低时延业务的可靠性。

通过引入MEC，特定业务部署在靠近用户位置，可以有效降低网络传输的不确定性，降低网络端到端时延，满足车联网对网络时延及可靠性要去。

3.降低终端性能要求
车联网将人、车、路、基础设施互联起来，网络连接数量将大大增加。

各类终端小型化带来的电池容量瓶颈及终端处理及存储压力，可以将高复杂、高能耗的计算任务迁移至云端完成。

这种方式降低了终端的性能要求以及电池容量要求，但也带来了传输时延增加的问题。

通过引入MEC，可以有效将计算任务迁移到远端云计算中心带来的时延问题，也可以减轻网络负荷。

4MEC与车联网融合关键技术
1）快速配置
在车联网中，由于用户和MEC设备的动态性的增加，同时计算设备由于用户开关造成的动态注册和撤销，服务通常也需要跟着进行迁移，由此将会导致大量的突发网络流量。

如何从设备层支持服务的快速配置，是边缘计算中的一个核心问题。

2）负载均衡
边缘计算中边缘设备产生大量的数据，同时边缘服务器提供了大量的服务，因此，根据边缘服务器以及网络状况，如何动态地对这些数据进行调度至合适的计算服务提供者，将是边缘计算中的另一个核心问题。

3）隔离技术
车联网相关应用部署在MEC平台上，而MEC平台通过虚拟化技术可部署各类虚拟机及应用，某一应用程序的崩溃可能带来整个系统的不稳定，造成严重的后果。

例如在自动驾驶操作系统中，既需要支持车载娱乐满足用户需求，又需要同时运行自动驾驶任务满足汽车本身驾驶需求，此时，如果车载娱乐的任务干扰了自动驾驶任务，或者影响了整个操作系统的性能，将会引起严重后果，对生命财产安全造成直接损失。

边缘计算可汲取云计算发展的经验，研究适合边缘计算场景下的隔离技术。

4）数据处理平台
在车联网下，车辆逐渐演变成一个移动的计算平台，数据的来源和类型具有多样化的特征，包括环境传感器采集的时间序列数据、摄像头采集的图片视频数据以及云平台实时下发的动态数据等，同时人、车、路、云之间的交互信息也越来越丰富。

因此构建一个针对边缘数据进行管理、分析和共享的平台十分重要。

同样，如何有效地管理数据、提供数据分析服务，保证车载应用服务质量和用户体验也是一个重要的研究问题
5）网络安全
将MEC平台和应用引入传统封闭的移动网络中，给电信领域安全带来挑战。

（1）对应用的安全。

相对于云计算中心，MEC部署在网络边缘，在整个传输链路中具有更高的被攻击入侵的可能性。

同时部署在统一物理平台上不同虚拟机上的应用也存在相互影响运行安全的问题。

（2）对电信网络的安全。

第三方应用嵌入电信网络，增加了电信网络的安全风险。

（3）MEC物理平台的安全。

MEC部署在网络边缘，相比于大型数据中心的部署，在物理入侵、防盗、运行环境方面的安全性都将降低，带来物理安全风险。

5结语
MEC很好地满足了车联网各种应用场景下对大带宽、低时延的需求，能大大提高车联网的网络性能。

MEC部署在网络边缘，应用本地化部署以及本地分流给网络计费带来了计费的问题。

另外，在大带宽应用场景下，本地高速率访问对无线空口资源消耗可能会影响其他业务的访问，如何通过相应的策略实现各业务对资源的均衡使用也是需要重点考虑的问题。

参考文献：
[1]杨鑫，赵慧玲，多接入边缘计算MEC技术及业务发展策略[J]，移动通信，2019，43（1）：29-33
[2]IMT-2020（5G）推进组，MEC与C-V2X融合应用场景白皮书
[3]杨峰义，谢伟良，张建敏，《5G无线接入网架构及关键技术》。