MEC在5G中的部署與挑戰(zhàn)

文/于佳 岳勝

云計(jì)算與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性正日益增強(qiáng)。社交網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、內(nèi)容提供商、電商平臺(tái)等都將其內(nèi)容和工具放在云端。此外，用戶也越來(lái)越依賴移動(dòng)設(shè)備來(lái)執(zhí)行計(jì)算和存儲(chǔ)密集型操作，無(wú)論是個(gè)人事務(wù)還是業(yè)務(wù)相關(guān)的操作，都需要將其卸載到云端以實(shí)現(xiàn)更好的性能，同時(shí)節(jié)省終端電量。為了為用戶提供更方便、更經(jīng)濟(jì)的云計(jì)算，3GPP在5G系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中引入移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC，Mobile Edge Computing），將計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源與基站集成，將云計(jì)算下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，縮短其與用戶之間的距離。未來(lái)，使用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的用戶可將計(jì)算密集型和延遲敏感的應(yīng)用程序（如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和圖像處理）托管在網(wǎng)絡(luò)邊緣，如圖1所示。

最早的邊緣計(jì)算概念是基于2009年卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的cloudlet計(jì)算平臺(tái)。2014年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）成立了MEC規(guī)范工作組，正式開啟了MEC相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年，ETSI將移動(dòng)邊緣計(jì)算的概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算（MEC，Multi-access Edge Computing）。MEC提供高度分布式計(jì)算環(huán)境，可用于部署應(yīng)用程序和服務(wù)，也可用于存儲(chǔ)和處理移動(dòng)用戶的內(nèi)容。只要能夠保障 延遲和準(zhǔn)確性，就可以將應(yīng)用程序分成小任務(wù)，并將其中的一部分放在本地或區(qū)域云上執(zhí)行。在邊緣云和其他云之間分發(fā)應(yīng)用程序的子任務(wù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。在分離應(yīng)用程序時(shí)，移動(dòng)邊緣云負(fù)責(zé)低延遲、高帶寬以及本地相關(guān)的工作。

文獻(xiàn)[2]中描述了在4G LTE系統(tǒng)中部署MEC的幾種方式。由于MEC是在4G發(fā)展過(guò)程中根據(jù)應(yīng)用需求附加在系統(tǒng)中的解決方案，因而對(duì)4G的MEC系統(tǒng)和相關(guān)的接口規(guī)范在很大程度上是與4G系統(tǒng)本身相互獨(dú)立的。與4G系統(tǒng)不同，5G系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初便將MEC考慮其中，并將其視為支持延遲敏感型業(yè)務(wù)和未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因而，為了實(shí)現(xiàn)卓越的性能和體驗(yàn)質(zhì)量，5G系統(tǒng)架構(gòu)為MEC提供了高效靈活的支持。在5G系統(tǒng)中部署MEC有利于對(duì)已有應(yīng)用進(jìn)行性能優(yōu)化、提高服務(wù)質(zhì)量。更重要的是，MEC使得5G系統(tǒng)具有開拓新應(yīng)用和新業(yè)務(wù)、為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造更多商業(yè)機(jī)遇的巨大潛力。

1 MEC部署場(chǎng)景

5G系統(tǒng)允許將MEC映射成應(yīng)用功能（AF，Application Function），從而可以基于配置的策略使用其他網(wǎng)絡(luò)功能（NF，Network Function）提供的服務(wù)和信息。此外，5G架構(gòu)中定義了許多用以為MEC的不同部署提供靈活支持的功能，并支持用戶移動(dòng)事件下MEC的連續(xù)性。

在5G的服務(wù)化架構(gòu)中，NF既是服務(wù)的提供者，也是服務(wù)的使用者。任何NF都可以提供一個(gè)或多個(gè)服務(wù)。5G系統(tǒng)架構(gòu)提供了對(duì)服務(wù)的使用者進(jìn)行身份驗(yàn)證和對(duì)服務(wù)請(qǐng)求授權(quán)所必須的功能，并支持高效靈活的公開和使用服務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的服務(wù)或信息請(qǐng)求，可以使用請(qǐng)求-響應(yīng)模型。對(duì)于長(zhǎng)期存在的進(jìn)程，5G架構(gòu)還支持訂閱-通知模型。上述這些原則與MEC定義的API框架一致。MEC中有效使用服務(wù)所需的功能包括注冊(cè)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、可用性通知、取消注冊(cè)以及身份驗(yàn)證和授權(quán)。所有這些功能在5G服務(wù)化架構(gòu)和MEC API（Application programming interface）框架中都是相同的。圖2對(duì)比了5G系統(tǒng)架構(gòu)與MEC系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1：邊緣計(jì)算云

圖2：5G系統(tǒng)架構(gòu)與MEC系統(tǒng)架構(gòu)

圖3：MEC物理部署方式舉例

邏輯上MEC主機(jī)部署在邊緣或中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和UPF的位置由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商確定，并且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以選擇基于技術(shù)和業(yè)務(wù)參數(shù)來(lái)放置物理計(jì)算資源，這些參數(shù)可能包括可用站點(diǎn)設(shè)施、支持的應(yīng)用及其要求、用戶負(fù)載的測(cè)量和估計(jì)等。MEC管理系統(tǒng)編排MEC主機(jī)和應(yīng)用的運(yùn)行，可動(dòng)態(tài)判決MEC應(yīng)用的部署位置。

在MEC主機(jī)的物理部署方面，可根據(jù)各種操作、性能或安全相關(guān)要求進(jìn)行選擇。圖3概述了MEC物理位置的一些可行選項(xiàng)，分別是：

（1）MEC和本地UPF部署在無(wú)線側(cè)，即與基站并置。

（2）MEC與傳輸節(jié)點(diǎn)并置，可能有本地UPF。

（3）MEC和本地UPF與傳輸匯聚節(jié)點(diǎn)并置。

（4）MEC與核心網(wǎng)絡(luò)功能并置（即在同一數(shù)據(jù)中心）。

上述物理部署選項(xiàng)表明MEC可以靈活地部署在從基站附近到中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同位置上。所有部署的共同點(diǎn)在于，UPF被部署并用于引導(dǎo)流量向目標(biāo)MEC應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)。

2 MEC部署的挑戰(zhàn)

MEC為移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇，但與此同時(shí)也為網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)：

2.1 MEC服務(wù)編排和可編程

MEC服務(wù)編排和可編程仍然是個(gè)開放性問(wèn)題，尚未在業(yè)界達(dá)成一致。同時(shí)，為了達(dá)到最優(yōu)的效果，MEC服務(wù)編排應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)資源的可編程相結(jié)合，針對(duì)帶寬和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行聯(lián)合分配。如果MEC服務(wù)跨越多個(gè)管理區(qū)域，MEC服務(wù)編排則會(huì)面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.2 MEC服務(wù)連續(xù)性和移動(dòng)性

部署在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的MEC，必然要為移動(dòng)用戶提供服務(wù)連續(xù)性的保障。為保障連續(xù)性，MEC服務(wù)必須在服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)快速切換，這個(gè)過(guò)程包含了鎖定目標(biāo)服務(wù)器以及計(jì)算任務(wù)在服務(wù)之前的切換等難題。

2.3 MEC安全和隱私

隨著MEC應(yīng)用的發(fā)展，未來(lái)將會(huì)部署大量的MEC服務(wù)器。雖然與大規(guī)模數(shù)據(jù)中心相比，分散部署的MEC服務(wù)器成為攻擊目標(biāo)的可能性更小，但對(duì)服務(wù)器以及其中數(shù)據(jù)的保護(hù)不容忽視。

2.4 MEC服務(wù)貨幣化

對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，提供MEC服務(wù)創(chuàng)造營(yíng)收的模式與之前通過(guò)提供通信服務(wù)創(chuàng)造營(yíng)收的模式有顯著區(qū)別。如果由第三方提供MEC服務(wù)，一方面第三方的營(yíng)收模式有待探討；另一方面MEC服務(wù)與運(yùn)營(yíng)商的通信服務(wù)緊密相關(guān)，雙方甚至多方的合作方式也是新的挑戰(zhàn)。

3 結(jié)論

MEC的引入為5G系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文首先描述了MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；然后介紹了幾種可行的MEC部署方案；最后對(duì)部署MEC面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行討論。