专题丨多接入边缘计算技术与车联网的融合应用

多接入边缘计算技术与车联网的融合应用

武晓宇¹   余冰雁²   王晶²

（1. 北京嘀嘀无限科技发展有限公司，北京 100193；

2. 中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）

摘要：多接入边缘计算是5G网络架构中非常重要的一个环节，主要面向需要更低时延和更高带宽业务的场景。车联网是对时延和可靠性要求都非常高的典型业务场景，将C-V2X业务部署在MEC平台上，应用数据的时延将显著降低，同时可以缓解边缘侧的计算和存储压力，避免大量数据通过网络回传带来的拥塞，提供本地的高质量服务。对MEC在车联网中的典型应用场景、服务流程和商业模式进行了阐述，为MEC与V2X融合产业发展提出了建议。

关键词：多接入边缘计算；车联网；V2X

1   引言

多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）最早的翻译是移动边缘计算，是指在靠近应用端或数据源一侧，集网络、计算、存储、应用于一体的开放平台，提供最近端服务。2016年，ETSI将MEC的概念扩展为多接入边缘计算，将边缘计算从蜂窝网络延伸至其他接入方式。边缘计算可以提供更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求^[1-2]。云计算主要聚焦非实时的大数据分析应用，边缘计算主要应用于对时延和带宽要求很高的应用领域。车联网是对时延和可靠性要求都非常高的业务场景，将C-V2X业务部署在MEC平台上，借助5G、LTE-V等新一代通信技术，支持实现“车-路-人-云”的协同交互，应用数据的时延将显著降低，同时可以缓解边缘侧的计算和存储压力，避免大量数据通过网络回传带来的拥塞，提供本地的高质量服务^[3]。

2   MEC参考架构

未来车路协同规模应用后，受空间资源限制，各个车路协同解决方案提供商不会在每个路口重复部署设备，极有可能是少数规模较大的运营商部署路侧的感知终端、计算平台和网络通信设备，各家车联网应用服务以软件形式运行在MEC平台上。为了保证不同品牌的车辆与不同运营商部署MEC平台的互联互通，就必须制定统一的标准协议。

图1是车联网MEC的参考架构图。面向C-V2X的多边接入计算服务能力框架主要包括MEC应用服务器、南北向接口，通过南北向接口对接道路设备、应用服务APP。其中，北向接口主要为外部应用提供服务能力接口，以支持相关应用场景；南向接口主要适配各大厂商的设备以及应用的接入，对接传感器数据。针对北向接口的API传输协议，本文建议包括MQTT协议、CoAP协议以及XMPP协议等。C-V2X应用可根据自身需求调用基于不同协议的 API进行数据的传输。

图1   车联网MEC参考架构图

路侧感知设备、路侧单元（RSU）等将传感器等原始数据集信息上传到MEC服务器进行分析处理，路侧单元接收输出的数据集下发给车辆、行人等交通参与者。上传到MEC服务器中的数据集分为3个层次，包括传感器原始数据集、中间件数据集以及输出数据集，可依据不同的C-V2X应用场景，调用相关的数据集。

ETSI于2016年发布了与MEC相关的3份技术规范，提出了 MEC框架、参考架构、相关功能单元及其相互间的参考点^[4]（见图2），引入了移动边缘编排器作为核心组件对整个系统进行全局化管理。在移动边缘主机管理方面，定义了应用规则及需求。此外，ETSI还定义了若干参考点用于规范移动边缘系统各个模块间的协作^[5]。

图2   ETSI发布MEC参考架构和功能单元

目前，国内外各标准组织对于MEC与C-V2X融合、面向车联网应用场景的标准化并没有做出实质的成果或者明确的规划。MEC与C-V2X融合的系统架构、功能、性能、开放接口、测试方法等均未形成标准化方案。国内部分企业也开始在一些行业联盟和协会中立项探索MEC与V2X融合接口标准化课题，为解决车联网业务中由于车辆快速移动带来的连续性问题，IMT-2020工作组也在研究用户在跨MEC、跨运营商等情况下的业务切换方案。

3   MEC在车联网中的应用场景

MEC在车联网中有很多应用场景，这些场景可以分为安全、效率、视频、定位、信息服务五大类，按照对道路和其他车辆协同的需求划分为4个象限。本文针对安全、效率和信息服务3个典型场景进行说明阐述。

3.1   典型功能场景1：十字路口交通信息感知

路侧感知设备（激光雷达、毫米波雷达、摄像头等）对交叉路口信息进行采集，分析计算，对交叉路口的车辆、行人、非机动车等交通参与者进行识别并分类，生成各交通参与者的ID、经纬度、速度、航向角、加速度、历史轨迹、时间戳等信息，并传递给MEC。当联网车辆订阅了十字路口碰撞预警服务时，会接收到MEC通过RSU广播的十字路口交通参与者全部信息；联网车辆在接收到该广播信息后，结合自身车辆位置和状态信息进行决策控制。

3.2   典型功能场景 2：闯红灯预警

车辆在经过有信号控制的交叉口（车道），遇信号灯即将变红或正处在红灯状态，但车辆未能停止在停止线内而继续前行时，路侧感知设备检测到车辆存在不按信号规定或指示行驶风险，可以对所在车辆发出预警，同时警告其他车辆防止相撞。MEC通过RSU周期性发送路口地理信息和信号灯实时状态信息；联网车辆依据本身GNSS地理信息，计算其与停止线的距离，并依据当前速度和其他交通参数预估到达路口的时间；闯红灯语音系统将这些信息与接收到的红灯切换时刻及红灯保留时长信息进行对比分析，决定是否预警。

3.3   典型场景3：高精地图分发和本地信息服务

借助MEC的大带宽和低延时，MEC还可以提供高精度地图分发和道路预警信息服务等应用。自动驾驶车辆将无需提前存储规模庞大的高精地图信息，车辆上路后可与覆盖范围内的 MEC建立连接，即时获取附近区域的高精度地图。中国信息通信研究院发布的《MEC与C-V2X融合白皮书》将一些典型应用对带宽、时延、计算、存储等性能要求进行了梳理^[6]，统计结果以星级进行描述，★代表一星，☆代表半星，最高级为3星。

4   MEC信息服务流程

图3描述了MEC车联网应用服务流程。用户发起服务请求后，会根据应用类型进行路由管理和分配。对于时延和可靠性要求较高的业务，调取部署在本地或接入层MEC的API完成感知、计算。对于时延和可靠性要求不高的业务，可能部署在汇聚层MEC甚至云端，这时路由管理会调取部署在汇聚层MEC的相应API完成服务流程。

图3   MEC车联网应用服务流程

路侧的本地计算设备与MEC平台的通信可以采用MQTT协议广播/订阅方式进行信息交互。

以十字路口交通信息感知为例，RSU会以100 ms的频率周期性发送感知结果，为了保证车辆接收到的信息始终是最新的消息，发送方式采用至多一次的方式，没收到的数据将被直接丢弃。消息订阅/发布具体流程如图4所示。

图4   消息订阅/发布具体流程

（1）路侧感知结果发布者（Publisher）是运行在边缘计算平台的节点，掌握路侧最新的感知信息，通过MEC Server的IP地址和特定MQTT服务端口号，发布者与MEC Server上的MQTT Server建立连接，当返回Response ACK后，链接正式建立，Publisher以主题（Topic）名为“/crossroad_perception”的感知结果消息发布到Server端，发布周期100 ms。

（2）云端应用订阅者（Subscriber）通过访问同一MEC Server的IP地址和特定MQTT服务端口号，订阅者与MEC Server 建立连接，可以定时读取主题名称为/crossroad_perception的消息内容。

（3）MEC Server作为中间代理，将感知结果从发布者转移给订阅者。如果发布者的消息主题没有相关的订阅者，该主题的消息内容将被丢弃。

5   MEC车联网的商业模式

MEC技术的引入可能带来一种全新的商业模式。基础移动运营网络商可以向广大的第三方应用提供商开放其无线接入能力，将第三方应用部署在MEC上，运营商利用分析工具进行业务监测和分析，建立更精准的收费模型和利润分配。

随着5G的普及，运营商也面临着转型。在4G时代，运营商更多地扮演了通信管道的角色，赚取流量的使用费，然而消费互联网的利润大都聚集在应用提供方；5G时代，MEC的应用会帮助运营商完成从网络基础设施提供者向业务平台运营者的角色转变。

未来MEC上部署的V2X应用有两种可能的服务模式：一种模式是各个车企在公共MEC平台上部署各自的应用APP，车企通过标准化的MEC业务接口，向订阅了该服务的车辆提供应用服务（见图5）；另外一种模式是在MEC上部署可信的V2X应用，能调用MEC上的所有TSP服务。车企可选择让车辆直接接入可信V2X 应用（A车），或在MEC上部署自家应用，并调用可信V2X应用提供服务（B车）。

图5   V2X在MEC上的两种服务模式

订阅服务的车辆向MEC上的应用提供方缴纳信息服务费，MEC架构下可以根据业务类型和内容提供更加灵活多样的计费方案。

6   结束语

目前，车联网行业也在加快推动MEC和5G技术设施的建设。各地的车路协同基础设施建设也在如火如荼地开展，但是现阶段接口协议尚未做到完全统一，为将来互联互通和行业发展形成制约，V2X与MEC的融合标准化工作越来越迫切。IMT-2020推进组于2019年9月在全国范围内支持了10个MEC与V2X融合测试床立项，亟待开展标准化测试床建设，形成全国各地区广泛分布、标准统一的测试验证环境，推动MEC与C-V2X融合系统的产业化发展。

参考文献

[1] 田辉, 范绍帅, 吕昕晨, 等. 面向5G需求的移动边缘计算[J]. 北京邮电大学学报, 2017(2):5-14.

[2] 杨峰义, 谢伟良, 张建敏. 5G无线接入网架构及关键技术[M]. 北京:人民邮电出版社, 2018.

[3] 李佐昭, 刘金旭. 移动边缘计算在车联网中的应用[J]. 现代电信科技, 2017(3):41-45.

[4] 周汉, 冯江平. MEC标准化进展[J]. 电信科学, 2019(S2).

[5] 俞一帆, 任春明, 阮磊峰, 等. 5G移动边缘计算[M]. 北京:人民邮电出版社, 2020.

[6] 中国信息通信研究院. MEC与C-V2X融合应用场景白皮书[R], 2019.

Application of Multi-Access Edge Computing in connected vehicles

WU Xiaoyu¹, YU Bingyan², WANG Jing²

(1. Beijing DiDi Infinity Technology and Development Co., Ltd, Beijing, 100193, China;

2. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)

Abstract：Multi-Access Edge Computing(MEC) is an indispensable part of 5G network architecture, which can meet the application scenarios with lower delay and higher bandwidth requirements. The connected vehicle is a typical scenario with low delay and high reliability requirements. Deploying C-V2X service on MEC platform can reduce the end-to-end data transmission delay, relieve the calculation and storage pressure of terminal or roadside intelligent facilities, reduce the network load caused by massive data return, and provide high-quality services with local characteristics. This paper focuses on the typical application scenarios and service processes of MEC in ICVs, sorts out the current situation and business model of the industry, and puts forward suggestions for the development of MEC and V2X integrated industry.

Key words：Multi-Access Edge Computing；intelligent connected vehicle；V2X

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第8期

主办：中国信息通信研究院

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