移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)及其本地分流方案

張建敏，謝偉良，楊峰義，武洲云，謝亮

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100031）

運(yùn)營(yíng)技術(shù)廣角

移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)及其本地分流方案

張建敏，謝偉良，楊峰義，武洲云，謝亮

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100031）

移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）技術(shù)通過為無線接入網(wǎng)提供IT和云計(jì)算能力，使得業(yè)務(wù)本地化、近距離部署成為可能，從而促使無線網(wǎng)絡(luò)具備低時(shí)延、高帶寬的傳輸能力，并且回傳帶寬需求的降低極大程度減少了運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，MEC通過感知無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息（位置、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、無線資源利用率等）并向業(yè)務(wù)應(yīng)用開放，可有效提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，并且為創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的研發(fā)部署提供平臺(tái)。首先介紹MEC技術(shù)，細(xì)化并給出MEC平臺(tái)框圖。此外，針對(duì)基于MEC平臺(tái)的本地分流功能，給出了詳細(xì)的技術(shù)方案，并與3GPP本地分流方案LIPA/SIPTO進(jìn)行對(duì)比分析。更進(jìn)一步，針對(duì)MEC技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中可能存在的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。

移動(dòng)邊緣計(jì)算；MEC平臺(tái)；本地分流；LIPA/SIPTO

1 引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及各種新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，促使移動(dòng)通信在過去的10年間經(jīng)歷了爆炸式增長(zhǎng)，智能終端（智能手機(jī)、平板電腦等）已逐漸取代個(gè)人電腦成為人們?nèi)粘Ｉ?、工作、學(xué)習(xí)、社交、娛樂的主要工具[1]，同時(shí)海量的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備（智能電表、無線監(jiān)控等）則廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育、交通、金融、能源、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)領(lǐng)域[2]。然而，通過在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心部署業(yè)務(wù)應(yīng)用（在線游戲、在線教育、在線影院等），智能終端直接訪問的移動(dòng)云計(jì)算[3]方式在給人們生活帶來便利、改變生活方式的同時(shí)，極大增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高的需求[4]。除此之外，為了解決移動(dòng)終端（尤其是低成本物聯(lián)網(wǎng)終端）有限的計(jì)算和存儲(chǔ)能力以及功耗問題，需要將高復(fù)雜度、高能耗計(jì)算任務(wù)遷移至云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器端完成，從而降低低成本終端的能耗，延長(zhǎng)其待機(jī)時(shí)長(zhǎng)[5]。然而計(jì)算任務(wù)遷移至云端的方式不僅帶來了大量的數(shù)據(jù)傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，而且引入大量的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，給時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)應(yīng)用（例如工業(yè)控制類應(yīng)用）帶來一定影響[6]。因此，為了有效解決移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展帶來的高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、高帶寬、低時(shí)延等要求，移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）概念得以提出，并得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，其中，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì) （European Telecommunication Standard Institute，ETSI）已于2014年9月成立了MEC工作組，針對(duì)MEC技術(shù)的服務(wù)場(chǎng)景、技術(shù)要求、框架以及參考架構(gòu)等開展深入研究[7-9]。

MEC技術(shù)通過為無線接入網(wǎng)提供IT和云計(jì)算的能力，使業(yè)務(wù)本地化、近距離部署成為可能，并且更易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上下文信息的感知以及無線網(wǎng)絡(luò)能力的開放[9]，從而在一定程度上緩解未來網(wǎng)絡(luò)帶來的高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、高帶寬需求以及低時(shí)延要求等挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)具有低時(shí)延、高帶寬傳輸、位置感知、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)上下文信息感知等需求的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，MEC平臺(tái)部署以及MEC平臺(tái)需要具備哪些功能（如數(shù)據(jù)分流、無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息管理、終端用戶位置定位等）成為本文首先關(guān)注的問題。其次，作為業(yè)務(wù)本地化部署的前提條件，MEC平臺(tái)需要提供數(shù)據(jù)本地分流的能力，因此，如何實(shí)現(xiàn)MEC平臺(tái)的本地分流能力成為本文重點(diǎn)研究關(guān)注的問題。

圖1 MEC技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

2 MEC技術(shù)

2.1 MEC介紹

根據(jù)ETSI定義，MEC技術(shù)主要指通過在無線接入側(cè)部署通用服務(wù)器，從而為無線接入網(wǎng)提供IT和云計(jì)算的能力[9]。換句話說，MEC技術(shù)使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化、近距離部署的條件，無線接入網(wǎng)由此具備了低時(shí)延、高帶寬的傳輸能力，有效緩解了未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸帶寬以及時(shí)延的要求。同時(shí)，業(yè)務(wù)面下沉即本地化部署可有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的需求，從而實(shí)現(xiàn)縮減網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本的目的。除此之外，業(yè)務(wù)應(yīng)用的本地化部署使得業(yè)務(wù)應(yīng)用更靠近無線網(wǎng)絡(luò)及用戶本身，更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上下文信息（位置、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、無線資源利用率等）的感知和利用，從而可以有效提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。更進(jìn)一步，運(yùn)營(yíng)商可以通過MEC平臺(tái)將無線網(wǎng)絡(luò)能力開放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用以及軟件開發(fā)商，為創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的研發(fā)部署提供平臺(tái)。因此，基于MEC技術(shù)，無線接入網(wǎng)可以具備低時(shí)延、高帶寬的傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息的感知以及向第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用的開放等諸多能力，從而可應(yīng)用于具有低時(shí)延、高帶寬傳輸、位置感知、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)上下文信息感知等需求的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，有效緩解業(yè)務(wù)應(yīng)用快速發(fā)展給LTE網(wǎng)絡(luò)帶來的高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、高帶寬以及低時(shí)延等要求，如圖1所示。

2.2MEC平臺(tái)

MEC平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。從圖2可以看出，MEC技術(shù)通過對(duì)傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)增加MEC平臺(tái)功能/網(wǎng)元，使其具備了提供業(yè)務(wù)本地化以及近距離部署的能力。然而MEC功能/平臺(tái)的部署方式與具體應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)，主要包括室外宏基站場(chǎng)景以及室內(nèi)微基站場(chǎng)景。

（1）室外宏基站

由于室外宏基站具備一定的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，此時(shí)可以考慮將MEC平臺(tái)功能直接嵌入宏基站中，從而更有利于降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)施利用率、獲取無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息以及支持各類垂直行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用（如低時(shí)延要求的車聯(lián)網(wǎng)等）。

（2）室內(nèi)微基站

考慮到微基站的覆蓋范圍以及服務(wù)用戶數(shù)，此時(shí)MEC平臺(tái)應(yīng)該是以本地匯聚網(wǎng)關(guān)的形式出現(xiàn)。通過在MEC平臺(tái)上部署多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)多種業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)支持，例如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)關(guān)匯聚功能、企業(yè)/學(xué)校本地網(wǎng)絡(luò)的本地網(wǎng)關(guān)功能以及用戶/網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析功能等。

因此，為了讓MEC更加有效地支持各種各樣的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，需要MEC平臺(tái)的功能根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求逐步補(bǔ)充完善并開放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用，從而在增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)能力的同時(shí)改善用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)并促進(jìn)創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的研發(fā)部署。綜上所述，MEC技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景適用范圍取決于MEC平臺(tái)具有的能力。圖3給出了MEC平臺(tái)示意，主要包括MEC平臺(tái)物理設(shè)施層、MEC應(yīng)用平臺(tái)層以及MEC應(yīng)用層。

（1）MEC平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施層

基于通用服務(wù)器，采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的方式，為MEC應(yīng)用平臺(tái)層提供底層硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)等物理資源。

（2）MEC 應(yīng)用平臺(tái)層

由MEC的虛擬化管理和應(yīng)用平臺(tái)功能組件組成。其中，MEC虛擬化管理采用以基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)（infrastructure as a service，IaaS）的思想，為應(yīng)用層提供一個(gè)靈活高效、多個(gè)應(yīng)用獨(dú)立運(yùn)行的平臺(tái)環(huán)境。MEC應(yīng)用平臺(tái)功能組件主要包括數(shù)據(jù)分流、無線網(wǎng)絡(luò)信息管理、網(wǎng)絡(luò)自組織（self-organizing network，SON）管理、用戶/網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)加速以及業(yè)務(wù)注冊(cè)等功能，并通過開放的API向上層應(yīng)用開放。

圖2 MEC平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖3 MEC平臺(tái)示意

（3）MEC 應(yīng)用層

基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化VM應(yīng)用架構(gòu)，將MEC應(yīng)用平臺(tái)功能組件進(jìn)一步組合封裝成虛擬的應(yīng)用 （本地分流、無線緩存、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、業(yè)務(wù)優(yōu)化、定位等應(yīng)用），并通過標(biāo)準(zhǔn)的接口開放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用或軟件開發(fā)商，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)能力的開放與調(diào)用。

除此之外，MEC平臺(tái)物理資源管理系統(tǒng)、MEC應(yīng)用平臺(tái)管理系統(tǒng)以及MEC應(yīng)用管理系統(tǒng)則分別實(shí)現(xiàn)IT物理資源、MEC應(yīng)用平臺(tái)功能組件/API以及MEC應(yīng)用的管理和向上開放。

可以看出，無線網(wǎng)絡(luò)基于MEC平臺(tái)可以提供諸如本地分流、無線緩存、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、業(yè)務(wù)優(yōu)化、定位等能力，并通過向第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用/軟件開放商開放無線網(wǎng)絡(luò)能力，促進(jìn)創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的研發(fā)部署。需要注意的是，本地分流是業(yè)務(wù)應(yīng)用的本地化、近距離部署的先決條件，也因此成為MEC平臺(tái)最基礎(chǔ)的功能之一，從而使無線網(wǎng)絡(luò)具備低時(shí)延、高帶寬傳輸?shù)哪芰?。因此，本文將在下面?nèi)容中重點(diǎn)針對(duì)基于MEC的本地分流方案進(jìn)行詳細(xì)描述，并與3GPP中LIPA/SIPTO方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3 本地分流方案

3.1 基于MEC的本地分流方案

如前所述，為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)中的本地化、近距離部署以及低時(shí)延、高帶寬的傳輸能力，無線網(wǎng)絡(luò)具備本地分流的能力。圖4給出了基于MEC應(yīng)用平臺(tái)數(shù)據(jù)分流功能組件實(shí)現(xiàn)的本地分流方案示意，其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

（1）本地業(yè)務(wù)

用戶可以通過MEC平臺(tái)直接訪問本地網(wǎng)絡(luò)，本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流無需經(jīng)過核心網(wǎng)，直接由MEC平臺(tái)分流至本地網(wǎng)絡(luò)。因此，本地業(yè)務(wù)分流不僅降低回傳帶寬消耗，同時(shí)也降低了業(yè)務(wù)訪問時(shí)延，提升了用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。換句話說，基于MEC的本地分流目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)類似Wi-Fi的LTE本地局域網(wǎng)。

（2）公網(wǎng)業(yè)務(wù)

用戶可以正常訪問公網(wǎng)業(yè)務(wù)。包括兩種方式：一是MEC平臺(tái)對(duì)所有公網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流采用透?jìng)鞯姆绞街苯影l(fā)送至核心網(wǎng)；二是MEC平臺(tái)對(duì)于特定IP業(yè)務(wù)/用戶通過本地分流的方式從本地代理服務(wù)器接入Internet（由于此類業(yè)務(wù)是經(jīng)過本地分流的方式進(jìn)行，后面描述的本地業(yè)務(wù)包含這部分本地分流的公網(wǎng)業(yè)務(wù)）。

（3）終端/網(wǎng)絡(luò)

本地分流方案需要在MEC平臺(tái)對(duì)終端以及網(wǎng)絡(luò)透明部署的前提下，完成本地?cái)?shù)據(jù)分流。也就是說，基于MEC的本地分流方案無需對(duì)終端用戶與核心網(wǎng)進(jìn)行改造，降低MEC本地分流方案現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用部署的難度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，基于MEC的本地分流詳細(xì)技術(shù)方案如下。

（1）本地分流規(guī)則

MEC平臺(tái)需要具備DNS查詢以及根據(jù)指定IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)分流的功能。例如，終端通過URL（www.LocalIntranet.com）訪問本地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)觸發(fā)MEC平臺(tái)進(jìn)行DNS（domain name system，域名系統(tǒng)）查詢，查詢www.LocalIntranet.com對(duì)應(yīng)服務(wù)器的IP地址，并將相應(yīng)IP地址反饋給終端用戶。因此，需要MEC平臺(tái)配置DNS查詢規(guī)則，將需要配置的本地IP地址與其本地域名對(duì)應(yīng)起來。其次，MEC平臺(tái)收到終端的上行報(bào)文，如果是指定本地子網(wǎng)的報(bào)文，則轉(zhuǎn)發(fā)給本地網(wǎng)絡(luò)，否則直接透?jìng)鹘o核心網(wǎng)。同時(shí)，MEC平臺(tái)將收到的本地網(wǎng)絡(luò)報(bào)文返回給終端用戶?？梢钥闯?，在本地分流規(guī)則中，DNS查詢功能不是必須的，當(dāng)沒有DNS查詢功能時(shí)，終端用戶可以直接采用本地IP地址訪問的形式進(jìn)行，MEC平臺(tái)根據(jù)相應(yīng)的IP分流規(guī)則處理相應(yīng)的報(bào)文即可。除此之外，也可以配置相應(yīng)的公網(wǎng)IP分流規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)于特定IP業(yè)務(wù)/用戶通過本地分流的方式從本地代理服務(wù)器接入分組域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于公網(wǎng)業(yè)務(wù)的選擇性IP數(shù)據(jù)分流。

（2）控制面數(shù)據(jù)

圖4 基于MEC的本地分流方案示意

MEC平臺(tái)對(duì)于終端用戶的控制面數(shù)據(jù)即S1-C，采用直接透?jìng)鞯姆绞桨l(fā)給核心網(wǎng)，完成終端正常的鑒權(quán)、注冊(cè)、業(yè)務(wù)發(fā)起、切換等流程，與傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)無區(qū)別。即無論是本地業(yè)務(wù)還是公網(wǎng)業(yè)務(wù)，終端用戶的控制依然在核心網(wǎng)進(jìn)行，保證了基于MEC的本地分流方案對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是透明的。

（3）上行用戶面數(shù)據(jù)處理

公網(wǎng)上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)過MEC平臺(tái)透?jìng)鹘o運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)SGW設(shè)備，而對(duì)于符合本地分流規(guī)則的上行數(shù)據(jù)分組，則通過MEC平臺(tái)路由轉(zhuǎn)發(fā)至本地網(wǎng)絡(luò)。

（4）下行用戶面數(shù)據(jù)處理

公網(wǎng)下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)過MEC平臺(tái)透?jìng)鹘o基站，而對(duì)于來自本地網(wǎng)絡(luò)的下行數(shù)據(jù)分組，MEC平臺(tái)需要將其重新封裝成GTP-U的數(shù)據(jù)分組發(fā)送給基站，完成本地網(wǎng)絡(luò)下行用戶面數(shù)據(jù)分組的處理。

可以看出，基于MEC的本地分流方案通過在傳統(tǒng)的LTE基站和核心網(wǎng)之間部署MEC平臺(tái)（串接），根據(jù)IP分流規(guī)則的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)本地分流的功能。如上所述，MEC平臺(tái)對(duì)控制面數(shù)據(jù)（S1-C）直接透?jìng)鹘o核心網(wǎng)，僅對(duì)用戶面數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)規(guī)則進(jìn)行分流處理，由此保障了基于MEC的本地分流方案對(duì)現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的終端以及網(wǎng)絡(luò)是透明的，即無需對(duì)現(xiàn)有終端及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。因此，基于MEC的本地分流方案可以在對(duì)終端及網(wǎng)絡(luò)透明的前提下，實(shí)現(xiàn)終端用戶的本地業(yè)務(wù)訪問，為業(yè)務(wù)應(yīng)用的本地化、近距離部署提供可能，實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延、高帶寬的LTE的本地局域網(wǎng)。同時(shí)，由于MEC對(duì)終端公網(wǎng)業(yè)務(wù)采用了透?jìng)鞯姆绞?，因此不影響終端公網(wǎng)業(yè)務(wù)的正常訪問，使得基于MEC的本地分流方案更易部署。

綜上所述，基于MEC的本地分流方案可廣泛應(yīng)用在企業(yè)、學(xué)校、商場(chǎng)以及景區(qū)等需要本地連接以及本地大流量業(yè)務(wù)傳輸（高清視頻）等需求的應(yīng)用場(chǎng)景。以企業(yè)/學(xué)校為例，基于MEC的本地分流可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)/學(xué)校內(nèi)部高效辦公、本地資源訪問、內(nèi)部通信等，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)/低資費(fèi)、高體驗(yàn)的本地業(yè)務(wù)訪問，使得大量本地發(fā)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能夠終結(jié)在本地，避免通過核心網(wǎng)傳輸，降低回傳帶寬和傳輸時(shí)延。對(duì)于商場(chǎng)/景區(qū)等，可以通過部署在商場(chǎng)/景區(qū)的本地內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)用戶免費(fèi)訪問，促進(jìn)用戶最新資訊（商家促銷信息等）的獲取以及高質(zhì)量音視頻介紹等，同時(shí)企業(yè)/校園/商場(chǎng)/景區(qū)的視頻監(jiān)控也可以通過本地分流技術(shù)直接上傳給部署在本地的視頻監(jiān)控中心，在提升視頻監(jiān)控部署便利性的同時(shí)降低了無線網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的消耗。除此之外，基于MEC的本地分流也可以與MEC定位等功能結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于位置感知的本地業(yè)務(wù)應(yīng)用和訪問，改善用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

圖5 3GPP家庭/企業(yè)LIPA/SIPTO方案[11]

3.2 LIPA/SIPTO本地分流方案

第3.1節(jié)給出了基于MEC的本地分流技術(shù)方案，但關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)本地分流的需求已經(jīng)由來已久，早在2009年3GPP的SA#44會(huì)議上，沃達(dá)豐等運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合提出LIPA/SIPTO，其應(yīng)用場(chǎng)景與第3.1節(jié)描述的本地分流目標(biāo)相同。同時(shí)經(jīng)過 R10、R11等持續(xù)研究推進(jìn)[10]，LIPA/SIPTO目前存在多種實(shí)現(xiàn)方案，下面僅就確定采用的且適用于LTE網(wǎng)絡(luò)的方案進(jìn)行介紹，以便于與基于MEC的本地分流方案進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）家庭/企業(yè) LIPA/SIPTO 方案

經(jīng)過討論，確定采用L-S5的本地方案實(shí)現(xiàn)LIPA本地分流[11]，它適用于HeNB LIPA的業(yè)務(wù)分流，如圖5所示?？梢钥闯?，該方案在HeNB處增設(shè)了本地網(wǎng)關(guān) （LGW）網(wǎng)元，LGW與HeNB可以合設(shè)也可以分設(shè)，LGW與SGW間通過新增L-S5接口連接，HeNB與MME、SGW之間通過原有S1接口連接。此時(shí)，對(duì)于終端用戶訪問本地業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流，在LGW處分流至本地網(wǎng)絡(luò)中，并采用專用的APN來標(biāo)識(shí)需要進(jìn)行業(yè)務(wù)分流的PDN。同時(shí)，終端用戶原有公網(wǎng)業(yè)務(wù)則采用與該P(yáng)DN不同的原有PDN連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即終端用戶需采用原有APN標(biāo)識(shí)其原有公網(wǎng)業(yè)務(wù)的PDN。

除此之外，需要注意的是，當(dāng)LGW與HeNB分設(shè)時(shí)，需要在LGW與HeNB間增加新的接口Sxx。如果Sxx接口同時(shí)支持用戶面和控制面協(xié)議，則和LGW與HeNB合設(shè)時(shí)類似，對(duì)現(xiàn)有核心網(wǎng)網(wǎng)元以及接口改動(dòng)較小。如果Sxx僅支持用戶面協(xié)議，則LIPA的實(shí)現(xiàn)類似于直接隧道的建立方式，對(duì)現(xiàn)有核心網(wǎng)網(wǎng)元影響較大。

除此之外，當(dāng)LGW支持SIPTO時(shí)，LIPA和SIPTO可以采用同樣的APN，而且HeNB SIPTO不占用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸資源，但LGW需要對(duì)LIPA以及SIPTO進(jìn)行路由控制[12]。

可以看出，終端用戶的本地訪問需要得到網(wǎng)絡(luò)側(cè)授權(quán)，同時(shí)還需要提供專用的APN來請(qǐng)求LIPA/SIPTO連接。

（2）宏網(wǎng)絡(luò) SIPTO方案

對(duì)于LTE宏網(wǎng)絡(luò)SIPTO方案，3GPP最終確定采用PDN連接的方案（本地網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行，如圖6所示?？梢钥闯觯摲桨竿ㄟ^將SGW以及L-PGW部署在無線網(wǎng)絡(luò)附近，SGW與L-PGW間通過S5接口連接 （L-PGW與SGW也可以合設(shè)），SIPTO數(shù)據(jù)與核心網(wǎng)數(shù)據(jù)流先經(jīng)過同一個(gè)SGW，然后采用不同的PDN連接進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)宏網(wǎng)絡(luò)的SIPTO。

其中，用戶是否建立SIPTO連接由MME進(jìn)行控制，通過用戶的簽約信息（基于APN的簽約）來判斷是否允許數(shù)據(jù)本地分流。如果HSS簽約信息不允許，則MME不會(huì)執(zhí)行SIPTO，否則SIPTO網(wǎng)關(guān)選擇為終端用戶選擇地理/邏輯上靠近其接入點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)，包括SGW以及L-PGW。其中，SGW的選擇在終端初始附著和移動(dòng)性管理過程中建立的第一個(gè)PDN連接時(shí)進(jìn)行，L-PGW的選擇則是在建立PDN連接時(shí)進(jìn)行。為了能夠選擇靠近終端用戶的L-PGW，其 L-PGW的選擇通過使用 TAI、eNode B ID或者 TAI+eNode B ID來進(jìn)行DNS查詢。

可以看出，宏網(wǎng)絡(luò)的SIPTO依然由網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行控制，并且基于專用APN進(jìn)行。

圖6 3GPP基于PDN連接的宏網(wǎng)SIPTO方案[11]

表1 本地分流方案對(duì)比

3.3 方案對(duì)比

經(jīng)過上述討論可以得出，基于MEC的本地分流方案以及3GPP中LIPA/SIPTO方案，均可以滿足無線網(wǎng)絡(luò)本地分流的應(yīng)用場(chǎng)景需求，即本地業(yè)務(wù)訪問、本地網(wǎng)絡(luò)SIPTO以及宏網(wǎng)絡(luò)的SIPTO。需要注意的是，3GPP LIPA/SIPTO方案需要終端支持多個(gè)APN的連接，同時(shí)需要增加新的接口以實(shí)現(xiàn)基于APN的PDN傳輸建立。本地分流方案對(duì)比結(jié)果見表1。

而在基于MEC的本地分流方案中，MEC平臺(tái)對(duì)于終端與網(wǎng)絡(luò)是透明的，可以通過IP分流規(guī)則的配置實(shí)現(xiàn)終端用戶數(shù)據(jù)流按照指定IP分流規(guī)則執(zhí)行，而且無需區(qū)分基站類型。更進(jìn)一步，由于MEC的本地分流方案對(duì)終端與網(wǎng)絡(luò)是透明的，因此更適合于LTE現(xiàn)網(wǎng)本地分流業(yè)務(wù)的部署。

4 問題與挑戰(zhàn)

綜上所述，MEC技術(shù)通過為無線接入網(wǎng)提供IT和云計(jì)算的能力，使其具備了業(yè)務(wù)本地化、近距離部署的條件，從而使無線接入網(wǎng)具備低時(shí)延、高帶寬的傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息的感知以及向第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用的開放等諸多能力，從而可應(yīng)用于具有低時(shí)延、高帶寬傳輸、位置感知、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)上下文信息感知等需求的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，有效緩解業(yè)務(wù)應(yīng)用快速發(fā)展給LTE網(wǎng)絡(luò)帶來的高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、高帶寬以及低時(shí)延等要求。除此之外，基于MEC的本地分流方案通過對(duì)本地指定IP數(shù)據(jù)流進(jìn)行分流、公網(wǎng)數(shù)據(jù)流透?jìng)鞯姆绞綄?shí)現(xiàn)了MEC平臺(tái)的透明部署，從而在不影響現(xiàn)網(wǎng)的情況實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)本地分流功能，為業(yè)務(wù)本地化、近距離部署提供了先決條件。然而，MEC以及基于MEC的本地分流方案真正應(yīng)用到現(xiàn)網(wǎng)中還存在一些問題與挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）MEC 平臺(tái)旁路功能

如圖2所示，MEC平臺(tái)串接在基站與核心網(wǎng)之間，此時(shí)MEC平臺(tái)需要支持旁路功能。也就是說，當(dāng)MEC平臺(tái)意外失效，例如電源故障、硬件故障、軟件故障等，MEC平臺(tái)需要自動(dòng)啟用旁路功能，使基站與核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速物理連通，不經(jīng)過MEC平臺(tái)，從而避免MEC平臺(tái)成為單點(diǎn)故障。如果MEC平臺(tái)恢復(fù)正常，MEC平臺(tái)就需要自動(dòng)關(guān)閉旁路功能。除此之外，MEC平臺(tái)升級(jí)維護(hù)以及調(diào)試時(shí)，也需要MEC平臺(tái)支持手動(dòng)啟用旁路功能，從而降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理的難度。

（2）MEC本地分流方案的計(jì)費(fèi)問題

由于業(yè)務(wù)應(yīng)用的本地化、近距離部署以及MEC本地分流方案，使得本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流無需經(jīng)過核心網(wǎng)，這種透明部署的方式使得MEC本地分流方案無法像傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)，由PGW提供計(jì)費(fèi)話單并與計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)連接。因此MEC本地業(yè)務(wù)如何計(jì)費(fèi)成為MEC本地分流方案應(yīng)用需要解決的問題。是否采用簡(jiǎn)單的按時(shí)長(zhǎng)、按流量計(jì)費(fèi)或傳統(tǒng)的LTE計(jì)費(fèi)方式則需要進(jìn)一步深入研究。

（3）公網(wǎng)業(yè)務(wù)與本地業(yè)務(wù)的隔離與保護(hù)

如前所述，基于MEC的本地分流方案可以實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)和公網(wǎng)業(yè)務(wù)同時(shí)進(jìn)行，考慮到用戶在承載建立過程中，核心網(wǎng)無法區(qū)分用戶訪問的是公網(wǎng)業(yè)務(wù)還是本地業(yè)務(wù)，此時(shí)本地高速率業(yè)務(wù)訪問對(duì)無線空口資源的大量消耗可能會(huì)影響公網(wǎng)正常業(yè)務(wù)的訪問（尤其是宏覆蓋場(chǎng)景），此時(shí)MEC平臺(tái)如何通過相應(yīng)的策略實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)與公網(wǎng)正常業(yè)務(wù)之間的隔離與保護(hù)成為MEC本地分流方案現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用需要重點(diǎn)考慮的問題。

（4）安全問題

MEC平臺(tái)可以將無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息（位置、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、無線資源利用率等）以及其他無線網(wǎng)絡(luò)能力開放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用和軟件開發(fā)商，用于用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的提升以及創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的研發(fā)部署。此時(shí)傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的封閉架構(gòu)被打開，需要重點(diǎn)關(guān)注由此帶來的無線網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全等問題，這些都是MEC本地分流方案的現(xiàn)網(wǎng)部署需要進(jìn)一步研究的問題。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了MEC技術(shù)以及MEC平臺(tái)框圖，并針對(duì)基于MEC平臺(tái)的本地分流功能，給出了詳細(xì)的技術(shù)方案。除此之外，相比于3GPP現(xiàn)有本地分流方案LIPA/SIPTO，基于MEC的本地分流方案對(duì)于終端與網(wǎng)絡(luò)是透明的，更適合LTE現(xiàn)網(wǎng)本地分流業(yè)務(wù)的部署。然而，基于MEC的本地分流方案現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用還有很多挑戰(zhàn)亟待解決，包括旁路功能、計(jì)費(fèi)問題、安全問題等，這些都是后續(xù)工作需要重點(diǎn)研究解決的問題。

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Mobile edge computing and application in traffic offloading

ZHANG Jianmin,XIE Weiliang,YANG Fengyi,WU Zhouyun,XIE Liang
Technology Innovation Center of China Telecom Co.,Ltd.,Beijing 100031,China

Mobile edge computing （MEC）makes it possible to deploy and provide service locally,which is close to the users,by enabling the IT and cloud computation capacity at the radio access network (RAN).Thus,MEC can improve the quality of experience (QoE)by reducing the latency,and decrease the network operation cost through reducing backhaul capacity requirement.Meanwhile,based on the network context information (location,network traffic load,radio information,etc)exposure to applications and services,MEC can further improve the QoE of user and provide the platform to third-party partners for application and service innovation.Besides the introduction of MEC,the detailed MEC platform was presented.Furthermore,the traffic offloading solution based on MEC was proposed and compared with the solution of local IP access and selected IP traffic offload (LIPA/SIPTO).In addition,the problems and challenges of the MEC were also discussed in detail.

MEC,MEC platform,traffic offloading,LIPA/SIPTO

The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2014AA01A707)

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016165

2016-03-25；

2016-06-07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2014AA01A707）

張 建 敏 （1983-），男 ，博 士 ，中 國(guó) 電 信 股 份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。

謝偉良（1976-），男，博士，中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試。

楊峰義（1965-），男，中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心副主任、教授級(jí)高級(jí)工程師，“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)總體專家組專家，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）5G專家組專家，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)無線技術(shù)委員會(huì)副主席，中國(guó)通信學(xué)會(huì)無線及移動(dòng)通信委員會(huì)委員，長(zhǎng)期工作在移動(dòng)通信領(lǐng)域，數(shù)次獲得國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇，學(xué)術(shù)專著6部，譯著1部。

武洲云（1987-），男，博士，中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。

謝亮（1975-），男，中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。