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技術探索

基於裝置中繼通訊之行動邊緣計算

中文摘要

  隨著智慧型行動裝置的蓬勃發展與網路基礎建設的積極佈建,民眾對於網路上提供的多元化服務之依賴性也愈來愈高。因應服務龐大的用戶需求,無論是傳統集中式或雲端伺服器架構,皆僅能不斷增加硬體設備來提高核心網路與伺服器的負載能力。有鑑於此,歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute ; ETSI)提出行動邊緣計算概念,以減輕網路設備日益增加的壓力,協助行動營運商創造獨特的行動體驗。本篇文章對行動邊緣計算概念進行說明,探討如何適用在裝置間中繼通訊網路(Device-to-Device Relay Network)環境之中。

Abstract

  With the rapid development of smart mobile devices and actively network infrastructure deployment, people are increasingly dependent on diversified services offered on the internet. In response to the huge demand for service users, whether traditional centralized or cloud architecture,are only increasing hardware equipment to improve the load capacity of the core network and servers.For this reason, the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) proposed mobile-edge computing concept to mitigate the increasing pressure of network equipment and help operators to create a distinctive mobile experience. In this paper, we introduce the mobile -edge computing concept and explore how to apply to device-to-device relay network.

關鍵詞(Key Words)

裝置間(Device-to-Device;D2D)
中繼(Relay)
行動邊緣計算(Mobile-Edge Computing ; MEC)

1. 前言

  隨著智慧型手機的普及和通訊軟體、串流影音等網路服務的成長,使得行動網路的流量持續的增長, 加上企業漸漸將許多業務服務擴展到智慧型裝置上,以增加用戶的便利性,更助長了此一現象。除了智慧型手機,物聯網的堀起,許多機器也都連上了網路,機器對機器(Machine-to-Machine) 技術的發展造就新的應用,例如佈建無線感知裝置,傳輸路口的交通影像,提供了更智能的交通影像分析應用,預計無線感知裝置的數量會在未來10年內呈整數成長[1],以涵蓋更多的地點或因應其它新的應用,而密集佈建的蜂巢式網路將會是垂直整合後台系統的最佳平台。根據Frost &Sullivan的研究報告[2]指出穿戴式設備的風行及應用將會帶動許多的Location-based應用商機,GoogleMaps、Nokia Here及Nokia City Lens將於2018前完成新一代的location-specific applications。而在其另一份無線網路市場調查的研究報告[3]中提到在家中有大約80%的人使用無線WiFi上線,免費WiFi熱點提供的最大速率大約是7 Mbps,未來LTE普及後所提供的速率將遠大於目前。因此,將應用程式、資料運算和儲存空間推向行動邊緣,將大型複雜的服務分成許多更小和更好管理的部份,置於最靠近用戶裝置的地方,以加快資料的處理與傳輸速度將會是未來的趨勢,用戶端裝置將可直接從基地台傳輸檔案內容,不必再等待網路擁塞的遠端服務器回應,達到最低的延遲,以確實改善用戶的體驗品質。遠端伺服器大部份的情況下將不再直接面對用戶裝置,而只要處理由基地台處理過並整理後的小量資訊,進行資料庫的巨量資料的分析與結果的回傳即可,核心網路的負載能有效地獲得了緩解。

  行動邊緣計算(Mobile-Edge Computing;MEC)[4]為一種新型態的網路服務架構,是因應減輕核心網路設備日益增加的壓力與協助行動營運商創造獨特的行動體驗,而被提出的一個概念。它有以下特性:內部部署性,當存取本地資源時,它可以不需其他網路即可運行;鄰近性,由於鄰近用戶裝置,所以特別適合用來收集分析或巨資服務所需的用戶相關的重要資訊; 低延遲性,由於終端裝置鄰近服務端,故能減少延遲時間,改善用戶體驗及減少對網路造成擁塞;能利用偵測無線網路底層的訊號資訊,判斷每個連接的裝置的位置,進一步根據位置提供用戶適地性服務;應用服務能根據即時網路資料來提供用戶基於情境的服務。為了促使多個產業間合作整合開發出行動邊緣計算平台與應用,國際上的標準組織歐洲電信標準協會(ETSI),開始著手制定行動邊緣計算的標準規範,期望制定出具體且公開的標準,供產業間因應及依循,以加速推動此一技術的發展。[5]提出以內容導向的行動邊緣技術並應用於通訊介面的整合方案,提供使用者容易使用的行動邊緣技術框架。

  裝置間中繼通訊網路[6, 7]是使用多個中繼閘道器,由裝置間直連通訊技術串連起來,行成一個無線網狀路,以擴大裝置間直連通訊範圍,具有可快速布建、可彈性調整、易於串接延伸網路覆蓋範圍等優點。用戶裝置可以用無線網路連上任何一個中繼閘道器,即可存取網路服務。在此網路中,資料的傳送是透過一個又一個的中繼閘道器進行中繼傳遞到目的地。愈來愈多的網路應用程式都被移往在雲端平台上計算[8],原來雲端計算平台的優點也漸漸的弱化,並衍生出當無線網路訊號不佳時,其雲端服務的效能就變差,以及雲端儲存資料的安全性問題。[9] 使用邊緣計算來降低雲端計算的運算量,其所提出的方法為建立一個錯誤排除的網路應用服務, 將使用者在雲端上的應用程式分成許多叢集,分群執行概念就如同在雲端中的邊緣各自工作,叢集內的工作屬性相同,故可共用資源,減少應用服務的執行時間。另一個值得注意WiFi Direct [10]的技術發展,其傳送速率是Bluetooth 4.0的10倍,接收傳送距離是Bluetooth 4.0的3倍,是Wireless USB的20倍,是非常適合部署在D2D based的網路環境。

  在本文中,將就歐洲電信標準協會的行動邊緣計算產業規範小組(Mobile Edge Computing Industry Specification Groups; MEC ISG)之發展歷程與所提出的概念做個簡單的介紹,並說明行動邊緣計算適用於裝置間中繼通訊網路環境中的可能性。

2. ETSI MEC ISG發展歷程

  歐洲電信標準協會致力於電信標準的制定與實施上不遺餘力,已經推動過許多開放行動通訊標準,例如GSM、UMTS及LTE,這些行動通訊標準已經順利通過並實施世界各地。除了行動通訊標準之外,目前並致力發展其它領域的標準化,例如行動邊緣計算、雲端、網路技術、終端對終端網路架構等。為了促進行動邊緣計算概念的實現,必需創造出一個共榮的市場,讓全球相關領域的廠商都能在產業價值鏈中找到可以發揮之處,例如行動營運商、應用開發者、Over The Top服務商、獨立軟體開發商、電信設備商、IT平台供應商、系統整合商、技術提供商等,以共同推動市場的發展。因此,於2014年10月,歐洲電信標準協會成立一個新的行動邊緣計算產業規範小(圖2-1),目標是建立一個標準化、開放的環境,提供應用服務有效率地無縫整合,對象橫跨供應商、服務提供商及行動邊緣計算平台相關跨越多個不同供應商的第三方伙伴。行動邊緣計算帶來全新的生態系統與價值鏈,讓行動營運商能開放無線存取網路給被認證的第三方,允許有彈性且迅速的部署創新的應用服務給用戶。目前參與標準討論的成員包含行動營運商、網路設備商、內容傳遞網路提供商等。2014年12月小組由諾基亞網路主持,於德國慕尼黑召開第一次會議,未來將推動詳細的計劃並開始發展規範,更重要的是推廣及加速業界採用此技術。預計於2016年底前制定出第一版標準。

圖2-1 歐洲電信標準協會組織圖

圖2-1 歐洲電信標準協會組織圖

3. ETSI行動邊緣計算平台介紹

  行動邊緣計算在高度分散式的計算環境下可提供應用程式及服務的運作,也可讓行動通訊下的使用者完成資料的儲存和處理。行動通訊使用者在此行動邊緣計算的平台可透過基地台的即時廣播及網路訊息得到其註冊的個人化和情境式的應用程式體驗,這種行動邊緣計算平台所帶來的不僅是更高速的行動頻寛還開闢新的商業契機, 亦即將創新系統(ecosystem)佈建在基地台並開發新的使用者應用程式。

  行動邊緣計算的關鍵在於整合RAN (Radio Access Network)上的應用程式服務主機,此服務應用主機提供計算平台的資源、存儲的容量、主機間的連接性,並獲得取得使用者的相關資料,如流量和網路交換訊息,當然也要有效率的整合應用程式服務及跨不同廠商RAN平台的能力。

3.1 行動邊緣計算平台

  如圖3-1所示,行動邊緣計算服務主機平台是由主機硬體設備和應用程式服務平台所組成的。行動邊緣計算服務主機平台包括主機硬體設備資源的管理和其計算時虛擬層的執行分配, 應用程式在硬體設備資源的管理階段會被擷取出其工作摘要並被分配所需的硬體資源。行動邊緣計算應用程式服務平台提供管理應用程式的管理能力以及由應用程式的虛擬化管理和應用平台服務:

  • 虛擬化的應用程式服務管理具有高彈性、高效率、多用戶的即時性主機特性, 是以IaaS(Infrastructure as a Service)的方式來實現,而IaaS控制器對應用程式服務及平台提供了一個安全和資源整合的服務。每一個虛擬設備的應用程式服務上皆在IaaS上執行, 並交由虛擬機器(Virtual Machine) 完成工作的實現。未來PaaS (Platform as a Service) 也可能會支援應用程式服務平台並允許應用程式開發者可在不同的作業系統平台上達到程式資源的互通,如處理程序、記憶體…等等的控制。
  • 行動邊緣計算應用平台的服務提供應用程式56 ICT Journal No.162務服時所使用到的中介軟體以及應用程式與基礎設施間的服務控制處理程序。

  從供應商,服務提供商和第三方的角度來看行動邊緣計算應用服務皆佈建在虛擬機並於虛擬機執行。行動邊緣計算主機與它們的應用服務是無關的,每個應用程式在行動邊緣計算主機是由應用程式服務管理系統來分配其虛擬機,應用程式管理功能不包括應用程式的生命週期管理( 例如啟動, 停止等),這是行動邊緣計算應用平台管理系統所負責的工作。

圖3-1 行動邊緣計算服務主機平台概述

圖3-1 行動邊緣計算服務主機平台概述

3.1.1 行動邊緣計算應用程式服務平台

如上圖3-2所示,行動邊緣計算主機中的行動邊緣計算應用程式服務平台提供給應用程式服務下列的中介服務軟體:

  • 分流控制: 亦即TOF (Traffic OffloadFunction)。

 TOF的流量分流服務提供二種模式:優先級的流量選擇和路由路徑選擇,應用程式的數據流入/流出是基於使用者自定及授權的方式來實現。TOF流量分流服務是以下列二種方式提供其應用服務:Pass-through mode -上傳/下載的流量在傳送給應用程式前先經過適當的修改後送給原來的PDN (Packet Data Network) 網路送出給3GPP 網路來承載。End-point mode -流量是由主機來通知應用程式是否要被中止。流量卸載的政策是設置過濾器在E-RAB(E-UTRAN Radio Access Bearer)上並對其封包做處理,依據SPID (Subscriber Profile ID)QCI(Quality Class Indicator) 以及ARP (Allocation Retention Priority) 來管理E-RAB 的過濾策略, 對於封包過濾則是依據使用者設備的IPaddress、網路IP address以及網路IP protocol來決定

圖3-2 行動邊緣計算應用程式服務平台概述.

圖3-2 行動邊緣計算應用程式服務平台概述.

  • 基礎設施服務:包括了通訊服務及服務註冊。

  行動邊緣計算主機中的服務與應用程式服務間的通訊介面是按照SOA(Service-oriented Architecture) 的準則來設計的。通訊服務允許行動邊緣計算主機所控制的應用程式服務透過定義好的通過特定服務應用程式的介面與其它的應用程式服務互相通訊。服務註冊提供了行動邊緣計算主機中可使用的服務, 使用服務鬆散耦合的概念提供應用程式服務靈活地佈建於行動邊緣計算主機上。此外, 該服務註冊呈現出服務與服務之間介面及版本互通的可用性( 服務的狀態),如此每個行動邊緣計算主機就能對使用者發佈其所能提供的應用程式, 使用者也能發現到他們想要的服務在何處及其狀態。服務註冊的存取是需要經過身份驗證和授權控制管理的。通訊服務使用“發佈和訂閱”的消息傳遞協議, 該“發佈和訂閱”的功能提供了一個一對多的消息分發和減少應用程式的使用率,相同的訂閱和發佈的存取是需要經過身份驗證和授權控制管理的。傳輸的信息不能影響原本的內容,才不會改變應用程式的結果, 此機制必須提供防止惡意或行為異常的應用程式服務。

  • 無線網路信息服務: 亦即RNIS Network Information Services)。

  行動邊緣計算允許一群移動網路中的主機(雲端)應用服務,成為即時網路應用及無線電訊息之間的槓桿,在行動邊緣計算中RNIS提供低階的無線電和網路信息授權的應用程序,由RNIS所提供的信息可用於應用程式的計算及呈現有意義的數據,如cell-ID、所在位置、負載現況及其吞吐量。RNIS所傳遞信息是由無線電網路到用戶和基地台之間的訊息。RNIS對特定移動網路中的使用設備提供相關的啟動指示,這些包括對使用設備和E-RAB的連線建立所需的參數設定,如QoS、E-RAB的cell ID、跟使用設備相關的邏輯信號連接…等等,RNIS也會指示E-RAB何時被修改、使用設備發生了改變以及E-RAB被釋放,這個信息是由3GPP無線網路層所產生的訊號消息, 例如S1-AP (S1 Application Protocol)、X2-AP (X2 Application Protocol)RRC(Radio Resource Control)。

  RNIS還提供介於基地台與E-RAB之間的測量和統計資料,這些資料是由3GPP所定義的訊號消息(signaling messages) 以及效能量測(Performance Measurements),並且交由移動網路中的元件來收集資料。授權過的應用程式可以選擇它訂閱的信息, 並經由適合的解決方案得到一些應用程式的執行結果, 應用程式可以將這些結果依照其目的來決定是否要全部發佈或是部份公開給其他的應用程式。

3.1.2 行動邊緣計算應用程式服務平台

  行動邊緣計算應用程式服務平台管理介面營運商使用行動邊緣計算應用程式服務平台管理介面來整合行動邊緣計算應用平台、應用服務的可操作性及生命週期以及掌控行動邊緣計算平台上的所有應用程式服務,此管理介面與應用程式服務無關並支援下列功能:

  • 應用服務平台的配置管理:應用服務平台的配置管理提供了封裝應用程式的標準方式, 包括了應用程式服務的描述器(descriptor)以及程式在虛擬機器上執行時的相關系統特性, 如計算能力、系統儲存及網路資源的配置管理, 封裝機制則包括了每個虛擬機器資料存取、資源使用及服務控制的處理規範及策略。應用程式封裝設計的目的是為解決不同廠商行動邊緣計算平台的虛擬設備之佈建及可移植性, 並且保證軟體受到完整性的保護。為了減輕安全疑慮,只有通過認證和授權的應用程式服務可以在行動邊緣計算應用平台上運行, 行動邊緣計算主機必須能夠驗證安裝在主機上的應用程式之封裝軟體並給予有效的信任依據。此外, 行動邊緣計算應用平台管理介面可以讓營運商設定及調整其應用程式服務的配置策略, 可控制的項目包括流量分流和設備應用的使用方法, 就如同在主機內服務鏈的多個應用服務的分流控制及恢復優先等級的配置管理。
  • 管理應用服務的執行生命週期:行動邊緣計算的應用平台管理介面允許網路營運商來管理應用程式執行的生命週期:安裝程式、開始執行、停止執行及程式卸載。
  • 虛擬機器操控和管理:行動邊緣計算應用平台的管理介面支援虛擬機器的容錯管理和性能測量。

4. D2D Relay based行動邊緣計算平 台的使用案例

  將許多行動邊緣計算平台的RelayGateway 結成在一起,成為D2D Relay Network,商用套裝軟體、特殊功能軟體或使用者自訂的應用程式服務透過行動邊緣計算應用程式服務平台被佈建在每個Relay Gateway,所有的Relay Gateway形成D2D的網路連結,如圖4-1所示。

圖4-1 使用行動邊緣計算平台的D2D Relay Network架構圖

圖4-1 使用行動邊緣計算平台的D2D Relay Network架構圖

在下列的章節中列舉一些使用案列, 說明使用開放式的行動邊緣計算平台之框架能得到的效益[11]。

4.1 影像分析

  圖4-2提供一個在無線行動中兼具高效能及可擴充性的分散式視頻影像分析解決方案。透過基地台的uplink將攝影機的影像傳送至行動邊緣計算平台主機上的影像管理應用程式服務,並將影像轉碼後交由影像分析應用程式服務處理,影像分析應用程式服務透過特定的組態配置來處理所定義的事件處理項目,例如物件移動、找尋走失的孩子、遺失的行李箱…等,經過行動邊緣計算平台主機的處理後,將低頻帶寬度的metadata送至核心網路上的中央處理及管理資料庫來完成資料庫搜索動作,其應用範圍不僅涵蓋了個人安全及至於公眾安全更甚著能實現智慧城市。

圖4-2 影像分析的案例

圖4-2 影像分析的案例

4.2 分散式的內容管理及DNS (Domain Name System) Caching

  如圖4-3所示,分散式的caching技術可以提供backhaul transport 的儲存以及提高QoE(Quality of Experience),將內容caching的做法可減少backhaul transport的需求,根據實驗的證明最多可減少35% backhaul transport的需求。Local DNS caching可減少20%網頁被下載的時間。

圖4-3 分散式的內容管理及DNS Caching的案例

圖4-3 分散式的內容管理及DNS Caching的案例

4.3 擴增實境AR (Augmented Reality)的內容傳遞

  如圖4-4所示,目前的擴增實境AR內容是無法透過網路在手機或平板電腦上的相機播放objects viewed,行動邊緣計算平台主機上的應用程式服務可以提供本地的物件追踪(local object tracking)以本地的AR content caching。其原理就是以最小化往返時間以及最大的throughput來達到使用高頻帶寬度及低延遲的AR內容傳遞,此方法可以用來提供消費者更完整的旅遊信息以及公司更詳盡的廣告容…等等。

  綜觀上述的使用情境可以發現服務應用主機佈建在D2D Relay Network中,使用者不需要使用核網連上internet 即可得到相關的服務回應, 其優點為降低服務等待及latency時間並可提高網路頻寬。

圖4-4 擴增實境AR內容傳遞的案例

圖4-4 擴增實境AR內容傳遞的案例

5. 結論

  行動邊緣計算概念創造了一個創新的服務部署模式,不僅能解決網路流量的爆炸性成長對網路營運商造成的窘境,也帶來了新的產業價值,增加了用戶的全新體驗, 若有標準供各界依循,可以加快各系統的整合與創造新的應用。本文章介紹了歐洲電信標準協會制定的行動邊緣計算平台,對其整個架構與基本原理進行說明,並探討如何適用於裝置間中繼通訊網路環境中。

參考文獻

  1. “Mobile-Edge Computing – Introductory Technical White Paper, ” ETSI, Sep. 2014,URL: http://www.etsi.org/
  2. “Moving in Smart Spaces, ” Frost &Sullivan, Oct., 2013.

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  5. Zhongren Cao , Matthew French , Rajesh Krishnan , Joshua Ng , David Talmage and Qinqing Zhang , “Content-Oriented Mobile Edge Technology System Integration Framework and Field Evaluation,” 2014 IEEE Military Communications Conference, pp. 1405-1410, Oct., 2014.

  6. Hsien-Wen Chang, Kun-Yi Lin and Yen-Chang Chiu, “A Multihop Routing D2D Relay Gateway and Networking Technology,” ITRI Journal of Information and Communication Technology No.160, pp.53-59, Dec. 2014.

  7. Hsien-Wen Chang, et al., “A Proximity-Based Message-Relaying Mechanism Using Wi-Fi Direct Technology for Public Safety Systems,” 2014 IEEE 11th Asia Pacific Wireless Communications Symposium ( APWCS 2014) , 28-29 Aug., 2014.

  8. 江政哲, 張迺貞, “初探雲端計算, ” 2010海峽兩岸圖書資訊學學術論文集B 輯,pp.37-53, 2014.

  9. Michael Fagan , Mohammad Maifi Hasan Khan and Bing Wang , “Leveraging Cloud Infrastructure for Troubleshooting Edge Computing Systems,” 2012 IEEE 18th International Conference on Parallel and Distributed Systems, pp. 441-447, Dec., 2012.

  10. “Wireless Device Pairing--Benchmarking and Stakeholder Analysis, ” Frost &Sullivan, Mar., 2011.

  11. “Boosting User Experience by Innovating at the Mobile Network Edge,” ETSI, Oct.,2014, URL: http://www.etsi.org/

作者簡介

邱彥璋

國立中正大學資訊工程研究所碩士,現任職於工研院資通所/視訊與多媒體通訊技術組/先進通訊系統與標準發展技術部。專長為影音多媒體技術。目前從事裝置間通訊技術之研究。
E-mail:cyc@itri.org.tw

蔡易行

中華大學資訊工程研究所碩士,現任職於工研院資通所/視訊與多媒體通訊技術組/先進通訊系統與標準發展技術部。
E-mail:alientsai@itri.org.tw

楊人順

工研院資通所視訊與多媒體通訊技術組/先進通訊系統與標準發展技術部經理,畢業於國立交通大學資訊工程研究所博士。
E-mail:jsyang@itri.org.tw