邊緣計算中的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求分析

李昳

摘? ?要：文章系統(tǒng)介紹了移動邊緣計算關(guān)鍵技術(shù)，詳細分析了MEC網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)及功能，對于典型與應(yīng)用場景中的數(shù)據(jù)分流業(yè)務(wù)進行了論述和介紹。在5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，MEC技術(shù)通過為移動網(wǎng)邊緣，無線接入網(wǎng)提供IT服務(wù)，同時提供強大的云計算能力，滿足了本地化業(yè)務(wù)、近距離部署的功能要求，極大地提高了用戶體驗。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò);移動邊緣計算;關(guān)鍵技術(shù);典型場景;數(shù)據(jù)分流

隨著2019年5G元年的開啟，智能生活、學(xué)習(xí)、娛樂終端、智能物聯(lián)網(wǎng)終端、云計算、海量數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)應(yīng)用（在線娛樂、在線教育）、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）等新業(yè)務(wù)快速增長的巨大業(yè)務(wù)需求下，如何有效解決低時延、高負荷、高帶寬位置感知、信息感知等業(yè)務(wù)需求，成為5G時代移動互聯(lián)解決問題關(guān)鍵的方向。2014年9月，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會首次提出了移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）概念并組建了研究小組，針對MEC框架、技術(shù)服務(wù)要求和場景、參考架構(gòu)、MEC平臺功能構(gòu)件（無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息管理、數(shù)據(jù)分流、終端用戶位置定位）等進行了研究和規(guī)范。MEC技術(shù)通過為移動網(wǎng)邊緣，無線接入網(wǎng)提供IT服務(wù)，同時提供強大的云計算能力，滿足了本地化業(yè)務(wù)、近距離部署的功能要求，極大地提高了用戶體驗。因此，MEC也成為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。基于在 LTE 網(wǎng)絡(luò)模式條件下，對邊緣終端計算能力的要求越來越高，尤其是對虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)、4K/8K超高清監(jiān)控視頻、游戲應(yīng)用視頻等帶寬要求較高且內(nèi)容難以承載的應(yīng)用，還有對時延要求極小的車聯(lián)網(wǎng)、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等應(yīng)用場景，都需要利用邊緣終端計算來逐一實現(xiàn)。

1? ? 5G網(wǎng)絡(luò)中的MEC關(guān)鍵技術(shù)

1.1? MEC內(nèi)容感知技術(shù)

基于LTE技術(shù)的移動網(wǎng)絡(luò)商業(yè)模式以及資費相對單一，屬于“啞管道”模式，缺乏業(yè)務(wù)及用戶感知能力的把控。5G網(wǎng)絡(luò)有效地解決了內(nèi)容感知的問題，MEC充分利用本地網(wǎng)絡(luò)資源，可以很好地對網(wǎng)絡(luò)流量進行細化，實時分析其內(nèi)容，有機地整合了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、用戶與數(shù)據(jù)間的關(guān)系。MEC通過對移動邊緣的用戶與業(yè)務(wù)識別，提供差異化用戶服務(wù)體驗，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。MEC無線側(cè)感知技術(shù)通過核心網(wǎng)或終端深度包解析（Deep Packet Inspection，DPI）用來應(yīng)用層信息傳遞、關(guān)鍵字段匹配統(tǒng)一資源定位符（Uniform Resource Locator，URL）信息、超文本傳輸安全協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer，HTTPS）數(shù)據(jù)加密等，實施本地化、分布化、近逼用戶服務(wù)等策略，進一步優(yōu)化了時延需求。

1.2? 跨層優(yōu)化與開放性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

MEC靠近無線側(cè)，對于底層無線物理信息和高層應(yīng)用服務(wù)信息的獲取更加便捷，對于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）優(yōu)化、視頻優(yōu)化等跨層優(yōu)化業(yè)務(wù)更加具有優(yōu)勢，也是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源和提升網(wǎng)絡(luò)性能的重要技術(shù)手段。由于海量視頻數(shù)據(jù)應(yīng)用與傳輸，數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)流的處理要求更加流暢和快捷，利用無線側(cè)MEC服務(wù)器，對無線信道帶寬進行盲測，動態(tài)選擇視頻分辨率，引導(dǎo)視頻傳播質(zhì)量的吞吐率，極大地提升了視頻數(shù)據(jù)傳播的穩(wěn)定性和可靠性。另外，MEC技術(shù)對無線底層信息進行優(yōu)化處理，及時跟蹤、選擇合理傳輸信道，很好地對TCP數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，很好地解決鏈路資源及丟包等問題，MEC還可以對RAN調(diào)度進行優(yōu)化，滿足不同用戶對無線資源申請應(yīng)用的問題。另外，5G網(wǎng)絡(luò)更加深度融合第三方網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無界性連接，對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片編排管理、反向能力、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）控制、網(wǎng)絡(luò)信息處理和應(yīng)用進行了更為有效的開放。同時不斷引入云計算、海量數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)應(yīng)用，CDN，SDN，AR等新技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力更加開放。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）定義的MEC設(shè)備南向接口以及用于應(yīng)用層的北向接口等標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)，是5G開放功能的有力支撐和有機組成部分[2]。

1.3? C/U分離和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G及MEC另一個關(guān)鍵技術(shù)是解決如何進行流量計費和安全支付問題。通過實施C/U分離技術(shù)，很好地分離用戶面和控制面，造成了用戶面網(wǎng)關(guān)可以獨立沉入移動邊緣，對用戶需求實施流量計費，確保了系統(tǒng)的安全性能。5G網(wǎng)絡(luò)切片可以在物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上區(qū)分業(yè)務(wù)類型，從而形成端到端的邏輯子網(wǎng)絡(luò)。MEC業(yè)務(wù)感知功能與5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)相似度較大，但是兩者區(qū)分流量目的、精細度和方式上有差別，如表1所示。

MEC對時延要求極為嚴(yán)格的業(yè)務(wù)類型提供支持，極大豐富了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用。

2? ? MEC網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)與場景應(yīng)用

2.1? MEC網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

MEC網(wǎng)絡(luò)平臺主要包括MEC平臺基礎(chǔ)設(shè)置層、MEC應(yīng)用平臺層、MEC應(yīng)用層等3層結(jié)構(gòu)。MEC技術(shù)通過對3G，4G等無線網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，增加了網(wǎng)元等結(jié)構(gòu)，其業(yè)務(wù)本地化和近距離部署能力明顯增強。在實際應(yīng)用場景中，MEC平臺可以概括為室內(nèi)微基站場景和室外宏基站場景。考慮到MEC可以嵌入到宏基站以及微基站的覆蓋范圍以及服務(wù)w用戶數(shù)，MEC應(yīng)用平臺需要以本地匯聚網(wǎng)關(guān)模式布置多業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)基站覆蓋區(qū)域內(nèi)多種業(yè)務(wù)的運營。

微基站具有一定的覆蓋范圍和服務(wù)用戶數(shù)的功能要求， MEC網(wǎng)絡(luò)平臺主要為本地匯聚網(wǎng)關(guān)應(yīng)用模式。多個業(yè)務(wù)應(yīng)用可以同時部署在MEC網(wǎng)絡(luò)平臺上，支持基站覆蓋區(qū)域內(nèi)網(wǎng)關(guān)匯聚、用戶本地網(wǎng)關(guān)、用戶和網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析、開放第三方應(yīng)用等多種業(yè)務(wù)運營。在室外宏基站場景應(yīng)用中，考慮到基站的計算與數(shù)據(jù)儲存需求，MEC平臺功能可以直接嵌入宏基站中，用來滿足網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)利用率、無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息獲取和垂直業(yè)務(wù)應(yīng)用的建設(shè)需求。

MEC網(wǎng)絡(luò)平臺基礎(chǔ)設(shè)施層采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，主要包括多種類型的服務(wù)器，為底層各種硬件設(shè)施提供計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸支持。MEC應(yīng)用平臺層通過MEC應(yīng)用平臺管理系統(tǒng)，實施的虛擬化管理和應(yīng)用平臺開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施是MEC虛擬化管理服務(wù)主要對象，滿足應(yīng)用層獨立運行的環(huán)境要求。MEC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺層主要實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析、服務(wù)注冊、數(shù)據(jù)分流、網(wǎng)絡(luò)自組織（Self-Organized Network，SON）、無線網(wǎng)絡(luò)信息管理、網(wǎng)絡(luò)加速等功能，MEC 應(yīng)用平臺層廣泛采用開放式應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）向MEC應(yīng)用層進行接口服務(wù)。MEC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層采用虛擬化虛擬機（Virtual Machine，VM）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將MEC應(yīng)用平臺層的各種應(yīng)用進行虛擬化封裝，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)優(yōu)化、本地分流、用戶定位、AR、無線緩存等應(yīng)用需求。同時根據(jù)ETSI定義的MEC標(biāo)準(zhǔn)接口為軟件開發(fā)商、第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用方提供開放的服務(wù)能力，從而滿足客戶對無線網(wǎng)絡(luò)的低時延、高帶寬傳輸?shù)慕ㄔO(shè)需求[3]。

2.2? MEC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景案例

MEC網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)及主要應(yīng)用功能中，基于MEC本地流量爆發(fā)主要應(yīng)用為在長期演進（Long Term Evolution，LTE）基站與核心網(wǎng)進行串接MEC平臺，按照IP分流規(guī)則進行系統(tǒng)設(shè)定，主要應(yīng)用有本地超低時延與超高帶寬業(yè)務(wù)需求。其工作原理為用戶體驗（User Experience，UE）接入網(wǎng)應(yīng)用與某項業(yè)務(wù)時，從核心網(wǎng)獲取IP地址并提出初始化IP請求，并識別出IP數(shù)據(jù)包的端口、地址、UE、ID等信息，隨后同本地數(shù)據(jù)服務(wù)器建立鏈接關(guān)系，實現(xiàn)本地分流[4]。

MEC平臺可以通過域名系統(tǒng)（Domain Name System，DNS）查詢IP指定地址實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流功能。通過本地分流規(guī)則、DNS查詢規(guī)則以及公網(wǎng)IP分流規(guī)則實現(xiàn)終端與本地網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)之間的互聯(lián)互通;同時可以實現(xiàn)特定IP業(yè)務(wù)/用戶從本地代理服務(wù)器接入到分組域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)選擇性IP數(shù)據(jù)分流在公網(wǎng)業(yè)務(wù)中的公開透明化應(yīng)用。對于終端用戶控制面數(shù)據(jù)（S1-C），MEC平臺可以允許公網(wǎng)和本地業(yè)務(wù)直接傳遞到核心網(wǎng)，實現(xiàn)傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用終端鑒權(quán)、注冊、業(yè)務(wù)發(fā)起、切換等工作業(yè)務(wù)流程。MEC網(wǎng)絡(luò)對于公網(wǎng)業(yè)務(wù)中的上行用戶面數(shù)據(jù)可直接傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，SGW）設(shè)備上進行處理，而把適用與分流規(guī)則的本地上行數(shù)據(jù)進行分組，可通過路由轉(zhuǎn)發(fā)到本地網(wǎng)絡(luò)。對于下行用戶面數(shù)據(jù)同樣是對于本地數(shù)據(jù)流進行分組，封裝成GTP-U數(shù)據(jù)包發(fā)送給目的基站，公網(wǎng)數(shù)據(jù)則直接轉(zhuǎn)發(fā)給基站處理。

3? ? 結(jié)語

移動邊緣計算中的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，有效地解決了低時延、高負荷、高帶寬位置感知、信息感知等業(yè)務(wù)需求過程存在的技術(shù)難題，MEC通過對移動邊緣的用戶與業(yè)務(wù)識別，提供差異化用戶服務(wù)體驗，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。對用戶需求實施流量計費，也確保了系統(tǒng)的安全性能。MEC網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用更是滿足了不同典型應(yīng)用特征需要，具備更加廣闊的應(yīng)用空間。

[參考文獻]

[1]張卓筠，賀曉博，高功應(yīng)，等.5G網(wǎng)絡(luò)能力開放需求和解決方案研究[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2016（7）：9-11.

[2]戴晶，陳丹，范斌.移動邊緣計算促進5G發(fā)展的分析[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2016（7）：4-8.