MEC技术在“智慧校园”建设中的应用

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　　摘要：多接入边缘计算MEC将网络联接和算力下沉为切入点，基于平台部署形式以实现IT、CT与OT的深度融合，成为通信运营商5G接入网重构与业务转型的关键。“智慧校园”是在“数字校园”的基础上全面深化与提升，对各项业务的承载形式与存储算力具有更高的要求。MEC在实现通信运营商核心网业务的本地化、近距离部署外，还可作为设置在本地的云计算平台满足“智慧校园”的业务承载需求。通过介绍MEC的特点，深入剖析场景应用前沿发展，探索其在“智慧校园”场景的具体应用形式。
　　关键词： 多接入边缘计算;MEC;智慧校园;业务承载;场景应用
　　中图分类号：TN915.03        文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）16-0042-03
　　Abstract：Multi access edge computing （MEC） takes network connection and computing power sink as the breakthrough point， and realizes the deep integration of IT、CT and OT based on the form of platform deployment， which becomes the key of 5G access network reconstruction and business transformation for communication operators.  “Smart Campus”is based on the“Digital Campus” to deepen and enhance the overall application hosting form and storage computing power has higher requirements. MEC can also be used as a local cloud computing platform to meet the application hosting requirements of“Smart Campus” in addition to realizing the localization and close deployment of core network services of communication operators. By introducing the characteristics of MEC， this paper analyzes the frontier development of scene application and explores its specific application form in the “Smart Campus”scene.
　　Key words：multi access edge computing; MEC; smart campus; application hosting; scene application
　　1 引言
　　“智慧校园”是“数字校园”的高级形态，是对“数字校园”的進一步深化与提升[1]，是提高教育现代化技术水平、推进教育深化改革、提升教学综合质量、增强院校综合竞争力与影响力的基础性保障。全场景的“智慧校园”建设需要整合多种技术制式的泛基础网、基于物联网及其终端设备的基础传输（物理）层，汇聚校园基础数据库和校园大数据规划的数据传输支撑层，运行统一门户接入（Portal）、单点安全认证（SSO）、云计算与存储（SaaS）、大数据分析与决策支持（CDR）和情境感知网络（CAN）的平台会话能力层，覆盖教学、教研、教育管理、评价、区域治理、终身学习以及教育公共服务等业务应用层，而传统的网络规划和数据存储架构难以满足现有需求。
　　边缘计算EC（Edge Computing）是指将网络、计算、存储、应用等云计算核心能力下沉到靠近物或数据源头的一侧，提供最近端服务。其技术演化的场景主要为：多接入边缘计算MEC（Multi-Access Edge Computing）、微云也称敏捷云SC（Smart Cloud）、雾计算FC（Fog Computing）。通过在“智慧校园”建设中引入MEC技术，将校园的物理基础空间和数字逻辑空间有机衔接起来，进一步转变师生与校园资源环境的交互方式，从而为学生、教师、家长、教育管理技术人员提供智能化的支持服务和解决方案。
　　2 边缘计算概述
　　2.1 多边缘接入MEC
　　MEC最早称作移动边缘计算（Mobile Edge Computing），作为部署在通信运营商网络边缘运行的云计算平台，基于平台部署形式以实现IT、CT与OT的深度融合，支持业务处理与资源调度功能的临用户侧部署，减少传输延时与带宽消耗，实现服务性能和用户感知的改善。欧洲通信标准化协会ETSI（European Telecommunications Sdandards Institute ）在2014年对MEC移动边缘计算的定义则是：在通信运营商5G移动网络边缘提供信息化系统和云计算能力，以提供低时延、高带宽服务，最终提升客户体验与业务黏性;另一方面将云计算能力下沉到网络边缘，也就是在通信运营商5G移动网络边缘设置云计算服务器，借助通信运营商边缘节点广覆盖的优势，构建起“广联接+云计算”的支撑能力，通过提供第三方应用集成，为业务数字化和业务创新提供无限可能。由于ETSI进一步扩展了MEC中“M”的定义，使得它不再仅限于移动接入，还包含其他非3GPP接入方法：例如Wi-Fi无线接入、固网有线接入以及物联网IoT多协议接入，“M”最终被重新定义演化为“Multi-Access”，MEC移动边缘计算的概念也被扩展为多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing）[2]。通过对区域内流量本地的卸载，无流量回传，降低业务端到端时延，MEC适合大数据颗粒重载网络——对带宽与延时要求较高的应用，譬如物联网、车联网、增强现实AR（Augmented Reality）/虚拟现实VR（Virtual Reality）等多种应用场景，缺点是投资成本较高。 　　2.2 微云SC
　　微云通过将移动计算和云计算结合起来的移动边缘计算平台，就有快速配置、不同微云之间的虚拟机切换以及微云自发现等特点。微云作为“移动终端——微云——云”三层架构的中间层，其处在移动终端和云平台之间，为终端用户的计算任务提供低时延响应。由多个微云所构成分布式的移动边缘计算环境动态拓展用户可用资源，通过提供类似虚拟化平台的动态迁移机制以实现资源的负载均衡，成为部署在网络边缘、具有移动性的小型数据中心DC[4]。微云通过部署在通信运营商5G移动网络边缘，能在移动场景下为移动设备提供丰富的云计算资源，旨在将云部署到离用户更近的地方，可以理解为一个敏捷、轻量级的MEC，作为小数据颗粒轻载网络，适合校园内无人驾驶、自动避障的摆渡车与清扫车等对网络延时要求较高的场景应用，配置快速灵活投资少。
　　2.3 雾计算FC
　　雾计算的概念是由思科在2012年时提出，并联合ARM、戴尔、英特尔、微软和普林斯顿大学等行业巨头于2015年联合成立了开放雾计算联盟OFC（OpenFog Consortium）并发布了OpenFog技术架构。作为一个全新的标准，通过将云端的智能运算与物联网终端紧密结合在一起，打造成为支持物联网、5G和AI应用的数据密集型与跨平台通用型的技术架构。整个雾计算网络是由多个雾节点组成的整体，单个雾节点的计算处理性能相对较弱，但是在物理位置上为分布式部署，具有空间上覆盖广泛、逻辑上网状互联去中心化等特点。雾计算作为微数据颗粒轻载网络，适合物联网设备如智能计量表、数字传感器等智能楼宇节点的海量接入，配置灵活、投资低廉、冗余性高。
　　3 MEC在“智慧校园”的场景应用
　　“智慧校园”是对数字校园的进一步深化与提升，它综合运用云计算、物联网、移动互联、大数据、人工智能、社交网络、知识管理、虚拟现实等新兴信息技术，全面感知校园物理环境，通过在网络空间的计算掌握校园运行规律并反馈、控制物理空间，为师生建立智能开放的教育教学环境和便利舒适的生活环境[1]。
　　全场景“智慧校园”需要对海量的设备节点进行实时控制，需要极低的网络延迟、高并发数和大颗粒传输带宽，若网络通道拥堵而加重系统延迟，则会直接影响相应业务的正常运行。譬如需要实时交互的校园无人导航巡逻车与无人自动清扫车需要极低延时方可精准控制其行进轨迹与智能避障;分布于全校园的物联网IoT（Internet of Things）（含窄带物联网NB-IoT）中海量的边缘节点（智能水电表、生物特征身份识别、消防控制传感器（温感、烟感）、周界安防探头、室内定位锚标等）会产生超高并发连接数，若直接传输至云端将造成网络传输连接数拥堵;AR与VR作为移动佩戴终端需要大颗粒传输通道，若与其他业务共享传输网络，会因极大挤占网络带宽而导致其他业务传输拥塞。
　　在物联网万物互联所带来的数据洪流下，传统集中式的数据存储和计算平台早已难以为继，其配套大存储、高算力意味着前期大额投资、后期伴随高能耗与运维成本高企，不利于可持续的“智慧校园”建设。作为深化校企合作的举措，由通信运营商部署MEC以满足“智慧校园”的业务承载与算力需求。综合网络性能要求与投资成本，MEC可分为近基站（用户）侧、区域中心侧、汇聚中心侧三种落地部署形式，而近基站侧部署则可使MEC在全场景“智慧校园”建设中全面兼容边缘计算技术的智慧云与雾计算，满足校园内物联网海量IoT传感器接入、车辆无人驾驶与VR/AR等大颗粒低延时应用等广连接、低延时、大带宽等场景应用的需求。
　　MEC作为一项业务创新，物理端在用户侧本地化部署，逻辑端在通信运营商“云端”，使得数据在物理上安全可靠、业务在逻辑上可控可管。故而部署在校园近蜂窝基站侧的MEC还可作为部署在本地的大数据云计算平台发挥其闲置算力[5]，可读取通信运营商核心网侧特定校园用户的基础信息、空间行为轨迹以及上网记录等相应数据;并通过网络边界连接本地网络（学校自建的“数字校园”校园网），授权读取特定校园用户的校内定位空间轨迹与上网行为记录等关键数据;并结合其开放的第三方应用接口进行大数据分析，并经过数据深度挖掘分析，对重点人员进行自动聚类，依照聚类处理结果确定潜在关联关系并据此提出管控预警与建议，可专门针对在校学生的思想动态与舆情监管等场景应用进行定制开发。
　　4 问题讨论
　　首先是投资及计费的模式。由于MEC主要部署在靠近基站（用户）侧，由于业务应用的本地化、近距离部署以及 MEC本地分流方案，使得本地业务数据流无须经过核心网，这种透明部署的方式使得MEC本地分流方案无法像传统业务由PGW提供计费话单并与计费网关连接[6]。
　　其次是网络安全的忧虑。鉴于MEC设备通过承载网接入到通信运营商的核心网，另一端则直接接入校园内网[7]，在当前网络虚拟化NFV与软件定义网络SDN的发展趋势下，如何能够确保MEC在两端的安全连接，尤其是通信运营商核心网不会受到校园内网的安全攻击以及校园内网的敏感数据不外泄至通信运营商核心网上，这两个问题将越发敏感。依照《网络安全法》和教育部《2019年教育信息化和网络安全工作要点》的要求，教育系统各级部门都应该落实网络安全岗位责任制和数据分级保障制度，简单的网络边界连接传输已不能满足相应的法律规章制度要求。
　　最后是个人隐私外泄的风险。MEC平台可以将通信运营商网络上下行数据信息（位置、网络负荷、无线资源利用率等）以及其他通信运营商网络能力开放给第三方业务应用和软件开发商，用于用户业务体验的提升以及创新型业务的研发部署（大数据分析）[8]。而师生的相关信息和数据涉及个人隐私，集中上传、储存、分析会带来安全和伦理风险。
　　5 结论
　　MEC以云计算平台形式实现IT、CT与OT的深度融合，为通信运营商业务的快速部署和场景应用的敏捷运行提供丰富的平台支撑能力，成为通信运营商5G接入网重构与业务转型的关键。“智慧校园”作为“数字校园”的高级形态，既是新兴场景应用的“孵化场”，也是各类新技术路线的比拼碰撞的“演武场”。学校在综合自身实力与业务场景需求的基础上，通过联合教育系统内各校实现集体抱团，以增加与通信运营商合作探索MEC场景应用落地时的话语权，共同推动“智慧校园”的高水平建设。
　　参考文献：
　　[1] 蒋东兴，付小龙，袁芳，等.高校智慧校园技术参考模型设计[J].中国电化教育，2016（9）：108-114.
　　[2] ETSI. Mobile-edge computing： introductory technical white paper[R]. ETSI White Paper， 2014.
　　[3] 吕华章，冯毅.面向5G MEC边缘云的CDN下沉方案[A]. 2018中国信息通信大会论文摘要集[C]. 2018.
　　[4] 李继蕊，李小勇，高云全，等.5G网络下移动云计算节能措施研究[J].计算机学报，2017，40（07）：1491-1516.
　　[5] 劉大洋. 基于5G的MEC智慧校园网综合解决方案[A]. TD产业联盟、《移动通信》杂志社.5G网络创新研讨会（2018）论文集[C].TD产业联盟、《移动通信》杂志社：中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社，2018：4.
　　[6] 张建敏，谢伟良，杨峰义，等.基于MEC的LTE本地分流技术[J].通信科学，2017，33（6）：154-163.
　　[7] 徐海勇. 基于数据位置的边缘作业调度技术研究——中国移动大数据边缘计算探索与实践[C]. 中国通信学会.2019全国边缘计算学术研讨会论文集.中国通信学会：中国通信学会，2019：190-195.
　　[8] 吕华章，张忠皓，李福昌，等.5G MEC边缘云组网研究与业务使能[J].邮电设计技术，2019（8）：20-25.
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