MEC在移動網(wǎng)中的部署及應(yīng)用

孔令義，武俊芹（中國聯(lián)通河南省分公司，河南鄭州 450008）

1 概述

1.1 MEC的概念

邊緣計算是在靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用等構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和開放平臺，使得數(shù)據(jù)在源頭就能夠得到及時有效的處理，從而不需將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)端的云計算中心分析處理，這樣大大減少了系統(tǒng)延遲，節(jié)省傳輸帶寬，并提高業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量及可靠性。相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢及廣闊的應(yīng)用前景，邊緣計算受到了各大標(biāo)準(zhǔn)組織的關(guān)注。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）在2015 年發(fā)表移動邊緣計算（MEC）的白皮書，所定義的MEC 系統(tǒng)支持將計算任務(wù)卸載到移動網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點。隨著研究的推進(jìn)，2017 年3 月ETSI 拓展了MEC 的含義，將mobile edge computing 演進(jìn)為multi-access edge computing，以支持Wi-Fi、有線網(wǎng)絡(luò)等非3GPP 的接入，突出了移動和固定網(wǎng)絡(luò)的融合。本文的討論主要集中在移動網(wǎng)絡(luò)的接入場景。

3GPP 也將MEC 加入5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為5G 的一項關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步推動了MEC的發(fā)展。

1.2 運營商部署MEC的意義

MEC 的部署對于電信運營商來說有很重要的戰(zhàn)略意義，可以幫助電信運營商提高網(wǎng)絡(luò)效率，深度介入內(nèi)容，提高服務(wù)質(zhì)量等。具體分析如下：

首先，MEC 的部署可以使得移動業(yè)務(wù)不必全部回傳到核心網(wǎng)處理，節(jié)省帶寬，降低業(yè)務(wù)時延，減少內(nèi)容重復(fù)傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)效率。

其次，電信運營商并未從互聯(lián)網(wǎng)及云計算的大發(fā)展中獲得很大收益，甚至面臨著“管道化”以及利益“邊緣化”的威脅，而MEC 的出現(xiàn)會使這種局面得到改觀。電信運營商豐富的機房資源為其部署MEC 提供了天然優(yōu)勢，可以將MEC 部署在更貼近用戶的位置。并通過推進(jìn)云網(wǎng)融合，打造開放、開源的邊緣業(yè)務(wù)PaaS 平臺，為應(yīng)用開發(fā)者提供豐富的業(yè)務(wù)平臺能力和統(tǒng)一的API，拓寬行業(yè)應(yīng)用，加快產(chǎn)業(yè)落地。把應(yīng)用內(nèi)容下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，幫助內(nèi)容提供商降低網(wǎng)絡(luò)成本。這將促進(jìn)電信運營商和OTT、垂直行業(yè)深度合作，實現(xiàn)多方共贏。

再次，MEC 是5G 提升服務(wù)應(yīng)用能力的重要手段，是優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗的最后一公里。未來MEC 的部署將同無線覆蓋同樣重要，通過MEC 可以識別用戶和具體的業(yè)務(wù)，合理利用鏈路以及調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，針對不同的用戶及業(yè)務(wù)實現(xiàn)差異化服務(wù)，為豐富多樣的應(yīng)用（如4K/8K 超高清視頻、VR/AR、V2X 等）提供良好體驗質(zhì)量（QoE）。實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的智能化，促進(jìn)運營商由啞管道向智能管道轉(zhuǎn)型。

2 MEC在4G網(wǎng)絡(luò)的部署及應(yīng)用

在4G 網(wǎng)絡(luò)中，MEC 可部署在基站和核心網(wǎng)之間，MEC 通過解析基站和核心網(wǎng)之間的S1 接口信息來實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。對于控制面數(shù)據(jù)，MEC 將其透傳至核心網(wǎng)，和傳統(tǒng)4G 網(wǎng)絡(luò)沒有區(qū)別。對于用戶面數(shù)據(jù)，MEC解析數(shù)據(jù)IP 信息（IP 五元組）并根據(jù)配置的分流規(guī)則進(jìn)行處理：若業(yè)務(wù)已在MEC 緩存，則由MEC 實現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地處理，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行GTP-U 封裝后下發(fā)至對應(yīng)的基站和用戶；若無法在MEC 處理，依然回傳至核心網(wǎng)處理，MEC則相當(dāng)于一個透明的傳輸通道。

根據(jù)應(yīng)用場景的需求不同，MEC 可部署在基站和回傳網(wǎng)絡(luò)之間、接入環(huán)和匯聚環(huán)之間、匯聚層和核心網(wǎng)之間。不同部署方式的時延、覆蓋范圍等有所不同，在滿足覆蓋需求的前提下，盡量靠近無線側(cè)部署。目前在ETSI 以及3GPP 等標(biāo)準(zhǔn)中均未給出4G 網(wǎng)絡(luò)中部署MEC的計費方案。

3GPP 的R14 版本中制定了CUPS 標(biāo)準(zhǔn)，在此標(biāo)準(zhǔn)中，用戶面和控制面分離，SGW 被拆分為SGW-C、SGW-U，PGW 被拆分為PGW-C、PGW-U，重新組合為GW-C、GW-U，其他網(wǎng)元（MME、PCRF 等）沒有變化。GW-C、GW-U 和其他網(wǎng)元的接口同傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的接口是一樣的，因此CUPS 的引入對現(xiàn)網(wǎng)的改動很小。實施CUPS 后，用戶面可下沉到更貼近用戶的位置，縮短業(yè)務(wù)訪問路徑，提升用戶業(yè)務(wù)體驗。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了5G 網(wǎng)絡(luò)特性，MEC 可和GW-U 合設(shè)，由GW-U 承擔(dān)計費、監(jiān)聽、鑒權(quán)等功能，但GW-U 和MEC 之間為私有接口，需要采用同一廠家設(shè)備。

目前MEC 在4G 網(wǎng)絡(luò)中已有一些應(yīng)用，主要集中在智能安防、智慧農(nóng)業(yè)、CDN下沉等等。

2.1 基于MEC的CDN下沉

目前移動網(wǎng)絡(luò)中50%的流量為視頻，且在進(jìn)一步增長之中，有研究表明，2020 年視頻流量將占移動網(wǎng)絡(luò)總流量的75%。而CDN 往往部署在省級IDC 機房，離用戶較遠(yuǎn)，這使得大量視頻內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)傳輸并且占用大量骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬。MEC 的引入則為CDN下沉至移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部提供了方案，部署網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 基于MEC的CDN下沉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

通過在移動邊緣計算平臺上部署CDN 服務(wù)器，將應(yīng)用內(nèi)容下沉至更貼近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣。內(nèi)容提供商在自有DNS將服務(wù)指向本地CDN節(jié)點，MEC建立分流機制，將已緩存至本地的應(yīng)用分流至本地CDN。目前，MEC 平臺已實驗性地部署在大學(xué)城這類視頻、游戲等應(yīng)用較集中的場所，有效降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提升了游戲、視頻等業(yè)務(wù)的體驗。

2.2 智能安防

近年來隨著各地智慧城市，雪亮工程的大規(guī)模建設(shè)，對智能安防的需求與日俱增。

4G+MEC 則為實現(xiàn)智能安防提供了良好的解決方案。攝像頭通過4G 接入網(wǎng)絡(luò)，充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源，使得管線不必接入每個監(jiān)控點，降低成本和建設(shè)周期。MEC 則對攝像頭采集到的流量進(jìn)行本地分流，降低對4G 回傳網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。云計算中心負(fù)責(zé)搭建基于AI的視頻分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對視頻中各種異常場景的識別，并將判決規(guī)則下發(fā)至MEC，MEC 執(zhí)行具體的判決，這樣，MEC 僅需將判決后的異常場景回傳至視頻監(jiān)控中心，減少無效視頻回傳，大大提高了效率。

但需要注意的是，MEC 在4G 中沒有標(biāo)準(zhǔn)定義，無法實現(xiàn)端到端的解決方案，4G 網(wǎng)絡(luò)中部署MEC 后，MEC 將對所有經(jīng)過MEC 的業(yè)務(wù)進(jìn)行解析以決定如何分流，這在某種程度上加大了其他業(yè)務(wù)的時延。同時，MEC 不具備計費功能，往往需簡化計費或采用廠商私有方案計費。這些因素使得MEC 在4G 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用存在一定的限制。隨著3GPP 將MEC 寫入5G 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，MEC在5G網(wǎng)絡(luò)中將有著更為廣闊的應(yīng)用。

3 MEC在5G網(wǎng)絡(luò)的部署及應(yīng)用

5G 可以提供10 倍于4G 的峰值速率及用戶體驗速率，每平方千米百萬的連接數(shù)以及超低的空口時延，呈現(xiàn)出了令人振奮的網(wǎng)絡(luò)能力，必將在垂直行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，為垂直行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來重大機遇。MEC 則是5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，實現(xiàn)應(yīng)用的本地化，提高5G 的eMBB、mMTC、uRLLC 三大應(yīng)用場景各類應(yīng)用的業(yè)務(wù)體驗，有效支撐垂直行業(yè)應(yīng)用。

面向服務(wù)的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和MEC 具有很高的契合度，3GPP 增加了NEF 以支持MEC 在5G 網(wǎng)絡(luò)中的部署，UPF和MEC集成部署，來解決計費、QoS控制、合法監(jiān)聽以及業(yè)務(wù)連續(xù)性等問題。ETSI 所給出的MEC 在5G 網(wǎng)絡(luò)中的融合部署示意如圖2 所示，在此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，MEC 的編排器作為AF 和NEF 應(yīng)用、UE 等信息的交互以影響5G 核心網(wǎng)的選路，若所訪問應(yīng)用在MEC內(nèi)部部署，則通過N6 接口實現(xiàn)應(yīng)用訪問，實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。

5G 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將以數(shù)據(jù)中心（DC）為基礎(chǔ)設(shè)施。MEC 與生俱來的NFV 屬性可以使其靈活部署在5G 網(wǎng)絡(luò)的各級通信云平臺上，為取得良好服務(wù)體驗，根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同，MEC 盡可能部署在更貼近用戶的地方。MEC在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用舉例如下。

3.1 VR/AR應(yīng)用

VR/AR 是近眼顯示、感知交互、渲染處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸和內(nèi)容制作等新一代信息技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，在游戲社交、教育科普、工業(yè)智造等大眾和行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。目前，市場上VR 游戲或視頻體驗過程中普遍存在著眩暈問題，產(chǎn)生這種問題的因素有多種，圖像、聲音等不同步，分辨率不足，VR/AR 硬件性能限制是主要的3 個因素，解決好這3 個問題將是取得良好體驗的關(guān)鍵。

當(dāng)延遲小于10 ms 時，人類將無法察覺畫面聲音等的延遲，這將有效緩解眩暈。VR/AR 業(yè)務(wù)的理想分辨率為4K，可避免因紗窗效應(yīng)而產(chǎn)生的眩暈，達(dá)到4K分辨率所需帶寬需達(dá)到100 Mbit/s。在5G 的eMBB 場景下，可實現(xiàn)8 ms 的空口雙向時延，100 Mbit/s 的用戶體驗速率和20 Gbit/s 的峰值速率，這很好地滿足了VR/AR 業(yè)務(wù)需要。但同時，5G 的空口時延為8 ms，距離10 ms 的最大時延僅有2 ms 時延余量，如果VR/AR應(yīng)用距離用戶太遠(yuǎn)，依然不能取得良好體驗，因此，MEC 的部署就很有必要。MEC 可部署在無線接入局點，實現(xiàn)區(qū)域性覆蓋，盡可能降低時延，將VR/AR 所產(chǎn)生的大流量疏導(dǎo)在網(wǎng)絡(luò)邊緣，減小骨干網(wǎng)壓力。而且，在超低時延下，終端可以將渲染、計算功能卸載至MEC，實現(xiàn)云端渲染，解決VR/AR 渲染能力不足，互動體驗不強等痛點，極大降低對VR/AR 硬件性能需求，促進(jìn)應(yīng)用推廣。

圖2 MEC在5G網(wǎng)絡(luò)中融合部署結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)是5G非常重要的應(yīng)用場景之一，也是新型智能交通體系的重要組成部分?；?G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車、路、人之間的通信技術(shù)C-V2X（Cellular Vehicle to X）是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)。按照5G網(wǎng)絡(luò)特性，車聯(lián)網(wǎng)可以覆蓋大帶寬類（eMBB）、大連接類（mMTC）、超低時延高可靠類（uRLLC）3 種業(yè)務(wù)類型，實現(xiàn)車載高清視頻、車輛監(jiān)控、自動駕駛、編隊形式等一系列場景應(yīng)用。

基于服務(wù)化架構(gòu)以及按需切片的5G 網(wǎng)絡(luò)可以滿足車聯(lián)網(wǎng)豐富應(yīng)用場景的不同需求，面向車聯(lián)網(wǎng)的云平臺則需要邊緣云和區(qū)域云2層架構(gòu)組成。區(qū)域云平臺負(fù)責(zé)全局算法，實現(xiàn)路徑動態(tài)規(guī)劃等，邊緣云平臺負(fù)責(zé)車輛的信息采集、處理超低時延業(yè)務(wù)等，并將處理后的有用信息回傳至區(qū)域云平臺統(tǒng)一管理。車聯(lián)網(wǎng)云平臺部署架構(gòu)示意如圖3所示。通過區(qū)域云和邊緣云對不同業(yè)務(wù)的分工協(xié)作，提供豐富的應(yīng)用，構(gòu)建高效的智能交通系統(tǒng)。

圖3 車聯(lián)網(wǎng)下MEC部署示意圖

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的MEC 部署則應(yīng)盡量靠近基站。以自動駕駛為例，自動駕駛屬于超低時延業(yè)務(wù)，1 ms是其理想時延，而uRLLC 場景下的單向空口時延為0.5 ms，此時給業(yè)務(wù)回傳幾乎沒有留下時間。為取得理想時延，MEC 需在站點機房和CU 或者CU/DU 一體化的基站融合部署，消除傳輸時延。當(dāng)然，在自動駕駛應(yīng)用場景中，MEC 可獨立工作，不必由區(qū)域云平臺提供服務(wù)。

總體來看，MEC 將是5G 各垂直行業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)邊緣部署的重要手段，將廣泛應(yīng)用于5G 中諸如智慧電力、聯(lián)網(wǎng)無人機、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能港口、智慧城市等等一系列垂直行業(yè)，將是運營商實現(xiàn)業(yè)務(wù)多元化的重要幫手。

4 結(jié)束語

目前，3GPP 和ETSI 等標(biāo)準(zhǔn)組織加快了對MEC 的研究，三大運營商爭相發(fā)布移動邊緣計算行業(yè)產(chǎn)品，包括行業(yè)客戶對MEC 的重要性已達(dá)成共識。本文對MEC 在4G、5G 網(wǎng)絡(luò)中的部署和應(yīng)用做了研究和探討，以期對MEC的建設(shè)提供參考。同時，MEC的分布式和異構(gòu)性等特點為運營商對其統(tǒng)一管理帶來了難度，存在一系列的應(yīng)用安全、信息安全、系統(tǒng)安全等問題，需要進(jìn)一步的關(guān)注和研究。