移動邊緣計算在增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)中的應(yīng)用探討

劉 星* 謝清爽 劉 泓

（四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 達州635000）

1 概述

隨著移動網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備的發(fā)展，催生出了大量的資源敏感型應(yīng)用，例如大型交互游戲、虛擬現(xiàn)實VR 和增強現(xiàn)實AR 等[1-2]。這些應(yīng)用需要設(shè)備具有超高計算能力和電池能量來支持超低時延的要求，而其中最顯著的就是AR 應(yīng)用。

AR 技術(shù)將真實世界環(huán)境和虛擬信息高度集成，利用計算機圖形學(xué)，將現(xiàn)實世界與計算機生成的虛擬圖像相結(jié)合，生成被人類感官所感知的信息，來得到超越現(xiàn)實的感官體驗。AR 支持如3D 電影、虛擬游戲等[3]新的應(yīng)用和服務(wù)，可用于智能手機、智能眼鏡和平板電腦等移動設(shè)備上。但AR 在處理視頻、圖像等復(fù)雜數(shù)據(jù)時，還需要和用戶實時互動，所以AR 要求超低時延和極高的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了滿足這種需求，隨著5G 的發(fā)展，傳統(tǒng)的云計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正悄然向網(wǎng)絡(luò)邊緣下沉，出現(xiàn)了一種新興的計算模式- 移動邊緣計算（Moblie Edge Computing, MEC）。MEC 服務(wù)器更靠近用戶，能很好的解決AR 的問題。

2 MEC 概念和系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 MEC 概念

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）對移動邊緣計算做了明確定義：將位于核心網(wǎng)云數(shù)據(jù)中心的計算服務(wù)和功能下沉到離用戶更近的網(wǎng)絡(luò)邊緣（如基站、無線接入點），從而向用戶提供無處不在的計算、存儲和通信等服務(wù)[4-5]。MEC 的目的是為了降低應(yīng)用程序的計算時延和移動設(shè)備的能耗，提高整個網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。MEC 可向應(yīng)用程序和內(nèi)容開發(fā)人員提供實時網(wǎng)絡(luò)負載、用戶位置等網(wǎng)絡(luò)信息，從而向移動用戶提供情景感知等服務(wù)[6]，改善用戶的體驗質(zhì)量。

2.2 MEC 系統(tǒng)架構(gòu)

ETSI 于2014 年底開始致力于研究MEC，并在MEC 白皮書中定義了MEC 服務(wù)器的參考框架[7-8]，如圖1 所示，主要由系統(tǒng)層、主機層和網(wǎng)絡(luò)層組成。

圖1 MEC 系統(tǒng)架構(gòu)

其中，移動邊緣主機層包含移動邊緣主機和相應(yīng)的移動邊緣主機管理實體。移動邊緣網(wǎng)絡(luò)層包含相關(guān)的外部網(wǎng)絡(luò)實體，主要表示MEC 工作系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的接入情況。最上層的移動邊緣系統(tǒng)管理實體負責(zé)全局掌控MEC 系統(tǒng)[9]。

3 MEC 在AR 中的應(yīng)用

AR 應(yīng)用是一種延遲敏感型的應(yīng)用，對計算和通信的要求都很高。因此，可以將AR 任務(wù)卸載到附近的MEC 服務(wù)器中執(zhí)行，讓AR 有更少的執(zhí)行延遲，移動設(shè)備有更低的能量消耗。目前，將MEC 運用于AR 的這項技術(shù)已吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究，并取得了初步成果。

文獻[9-10]提出用戶將運行AR 應(yīng)用涉及到的大量數(shù)據(jù)遷移到與基站就近的云服務(wù)器上計算，那么同本地計算相比能節(jié)省移動設(shè)備的能耗，而同傳統(tǒng)云計算相比，也可以減少傳輸延遲。

文獻[11-13]的工作表明，聯(lián)合優(yōu)化分配通信資源和計算資源，可在時延約束下顯著降低移動設(shè)備的能量消耗。但是，使用AR 應(yīng)用的所有用戶都可能上傳和下載相同的數(shù)據(jù)，而需要遷移的數(shù)據(jù)也可能會共享到一個或多個服務(wù)器上，因此，文獻[14]也通過實驗證明可以通過聯(lián)合優(yōu)化通信和計算資源來減少開銷。

4 面臨的問題和挑戰(zhàn)

作為5G 通信建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，MEC 服務(wù)器能夠顯著降低移動設(shè)備的能耗和應(yīng)用的延遲，但是在大規(guī)模應(yīng)用MEC之前，仍然有許多問題需要考慮，如不斷增加的移動設(shè)備、資源的分配以及安全和隱私等。

4.1 計算卸載和資源管理

MEC 的核心任務(wù)就是計算卸載和資源管理，而計算卸載指的是將計算密集的任務(wù)遷移到MEC 服務(wù)器，然后MEC 服務(wù)器返回計算結(jié)果給用戶。因此，卸載策略就決定了需要卸載的任務(wù)的位置，是在本地、MEC 服務(wù)器或是在兩個位置協(xié)作計算。遺憾的是，目前大多數(shù)研究卸載決策的文獻都只是考慮了移動設(shè)備的能耗，忽略了MEC 服務(wù)器的能耗。為了創(chuàng)建綠色網(wǎng)絡(luò)，我們還應(yīng)考慮MEC 服務(wù)器的能耗。

此外，完成不同任務(wù)的計算所需要的計算資源和帶寬資源也是不同的，因此，分配資源時也應(yīng)該考慮任務(wù)的差異性，為每個任務(wù)分配合適的資源。相信隨著研究的不斷深入，將會設(shè)計出更適用于AR 技術(shù)的計算卸載和資源管理策略。

4.2 安全和隱私

在實踐中，當(dāng)進行AR 任務(wù)的卸載時，我們發(fā)現(xiàn)，任務(wù)數(shù)據(jù)可能包含某些敏感信息和隱私信息。因此，將這類數(shù)據(jù)卸載到不信任的服務(wù)器執(zhí)行之前，應(yīng)該對其進行適當(dāng)?shù)仡A(yù)處理，避免信息的泄露。另外，MEC 服務(wù)器本質(zhì)是軟件，可能存在由于軟件缺陷而返回不準(zhǔn)確的計算結(jié)果的問題，從而影響用戶體驗的質(zhì)量。因此，為了保護安全和隱私，MEC 平臺可以通過添加一些加密算法和可驗證技術(shù)，實現(xiàn)計算任務(wù)的卸載，并能驗證返回結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

AR 作為資源密集型的新型應(yīng)用程序，將MEC 融合使用可以滿足AR 資源密集的計算需求，提高用戶的體驗質(zhì)量。本文對MEC 做了基本介紹，探討了MEC 在增強現(xiàn)實AR 技術(shù)中的應(yīng)用研究，并簡要的歸納了MEC 用于AR 中所面臨的問題與挑戰(zhàn)。