面向5G 網(wǎng)絡(luò)的MEC 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)分析

陳 強(qiáng)

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200122）

0 引言

5G 的出現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)提供新的方向：基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）進(jìn)行虛擬化，進(jìn)行扁平化擴(kuò)展與增強(qiáng)，核心網(wǎng)用戶面功能下沉到基站。移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）旨在通過將移動(dòng)網(wǎng)服務(wù)環(huán)境與云計(jì)算在邊緣節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，改善組網(wǎng)環(huán)境，是向5G 過渡的關(guān)鍵技術(shù)[1][2]。MEC 將云數(shù)據(jù)中心的服務(wù)和功能轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和通信資源。MEC 以“云網(wǎng)融合，云網(wǎng)協(xié)同”為目標(biāo)，將網(wǎng)絡(luò)邊緣的虛擬（云）化資源與核心網(wǎng)絡(luò)的資源相結(jié)合，提供公有云、私有云及混合云三位一體的服務(wù)[3]。MEC 技術(shù)通過為移動(dòng)網(wǎng)邊緣提供強(qiáng)大的云計(jì)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(yàn)。同時(shí)，通過MEC 技術(shù)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以將更多的網(wǎng)絡(luò)信息和網(wǎng)絡(luò)擁塞控制功能開放給第三方開發(fā)者，并允許其提供給用戶更多的應(yīng)用和服務(wù)[4]。

1 MEC 驅(qū)動(dòng)力

1.1 業(yè)務(wù)體驗(yàn)提升

運(yùn)營商運(yùn)用各種技術(shù)是為了不斷提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。高質(zhì)量流媒體帶來高流量，不僅增加運(yùn)營廠商的運(yùn)營成本，也給運(yùn)營商骨干網(wǎng)帶來巨大壓力[5]。從網(wǎng)絡(luò)側(cè)來看，用戶訪問所需時(shí)間越少則業(yè)務(wù)體驗(yàn)也越好。例如，中國區(qū)某局點(diǎn)實(shí)測結(jié)果顯示，視頻業(yè)務(wù)的時(shí)延減少10ms～15ms，對應(yīng)的vMOS 值可以提升0.1～0.2。減少業(yè)務(wù)時(shí)延的最簡單的方法便是將平臺服務(wù)器部署到靠近終端的位置。距離變短，相應(yīng)地就可以縮短用戶訪問業(yè)務(wù)的時(shí)延，從而提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

當(dāng)前主流內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）廠商的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)大量下移，部署位置在發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)下移到地市，比核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的部署位置更低。如果要讓移動(dòng)用戶也能夠就近訪問本地的CDN 業(yè)務(wù)服務(wù)器，則要求網(wǎng)關(guān)用戶面的部署也要下移部署，或者支持用戶面的本地分流能力。這樣便可以降低用戶的訪問掩飾，提示用戶體驗(yàn)。

1.2 業(yè)務(wù)本地閉環(huán)

在企業(yè)園區(qū)、工廠、港口、場館，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景，通常都在本地部署了業(yè)務(wù)服務(wù)器，為本地單位的專用設(shè)備、員工提供服務(wù)。這些業(yè)務(wù)有一個(gè)特點(diǎn)，就是業(yè)務(wù)的提供方和消費(fèi)方都在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，相關(guān)業(yè)務(wù)流包括工業(yè)生產(chǎn)、企業(yè)運(yùn)營等敏感數(shù)據(jù)，希望能夠就近本地訪問，本地閉環(huán)，提升訪問效率的同時(shí)還可以保證安全可信。

在沒有MEC 解決方案的情況下，這類場景的業(yè)務(wù)，企業(yè)通常都是通過有線網(wǎng)絡(luò)或者自建Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，但是Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)固有的不足，如覆蓋范圍小、不可靠傳輸、移動(dòng)性差、安全性較差等，都導(dǎo)致企業(yè)不愿意選擇Wi-Fi 技術(shù)建網(wǎng)，甚至已經(jīng)選擇Wi-Fi 建網(wǎng)的企業(yè)，也在尋求切換到4G/5G 接入的方案。

1.3 園區(qū)專網(wǎng)

園區(qū)業(yè)務(wù)場景，對本地閉環(huán)的數(shù)據(jù)安全性要求更高，如政企、黨政軍、電力、港口等，要求數(shù)據(jù)不出園區(qū)的。這樣如果采用公網(wǎng)接入的方式，無法滿足其對數(shù)據(jù)安全可信的嚴(yán)格要求的，這時(shí)就需要采用園區(qū)專網(wǎng)的建網(wǎng)方案。

園區(qū)專網(wǎng)建網(wǎng)時(shí)，新建專用核心網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)頻譜可以新建獨(dú)享，也可以與大網(wǎng)共享。MEC 在業(yè)務(wù)園區(qū)單獨(dú)部署網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MEC在業(yè)務(wù)園區(qū)單獨(dú)部署網(wǎng)絡(luò)示意圖

場景一：園區(qū)與公網(wǎng)之間。頻譜獨(dú)享方案為：園區(qū)網(wǎng)頻譜獨(dú)立于公網(wǎng)，小區(qū)和TA 相互獨(dú)立；頻譜共享方案為：園區(qū)PLMN 獨(dú)立，基站基于PLMN 配置園區(qū)和公網(wǎng)的資源占比。

場景二：園區(qū)之間。頻譜獨(dú)享方案為：每個(gè)園區(qū)獨(dú)立頻譜，小區(qū)和TA 相互獨(dú)立；頻譜共享方案為：各園區(qū)基站獨(dú)立，但可與公網(wǎng)基站共站或園區(qū)間共享基站，要求不同園區(qū)的PLMN 獨(dú)立。

園區(qū)專網(wǎng)通過專用的無線網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)，以及核心網(wǎng)就近部署，支持業(yè)務(wù)本地分流和數(shù)據(jù)不出園區(qū)，實(shí)現(xiàn)安全、可信、高效的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)。

2 建設(shè)性解決方案概述

2.1 ULCL 本地分流

3GPP 針對于5G 用戶面的數(shù)據(jù)分流定義了ULCL（Uplink Classifier）功能，即上行分流器。ULCL 是對上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流，并對分流后的下行數(shù)據(jù)聚合的一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)[6]。

UPF 有兩種形態(tài)，一種是UPF PDU Session Anchor后續(xù)簡稱為UPF PSA，另一種是UPF Uplink Classifier后續(xù)簡稱為UPF ULCL。

ULCL 分流方案通過動(dòng)態(tài)分流策略實(shí)現(xiàn)，以URL/UE 位置/目的IP 端口為分流維度實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分流[7]。一個(gè)典型的ULCL 會話框圖如圖2所示。

圖2 ULCL會話框圖

UPF ULCL 作為分流器，針對（R）AN 通過N3 接口上送的上行GTP 隧道里的IP 報(bào)文，做L34（IP 地址+端口號）的規(guī)則匹配，或針對DNS 報(bào)文進(jìn)行L7（DNS域名）規(guī)則匹配。對于規(guī)則匹配成功的業(yè)務(wù)流，將通過N9 接口傳遞到UPF PSA2（UPF ULCL 和PSA2 可以分設(shè)或合設(shè)），再通過N6接口訪問到本地DN（N6接口上通常需要NAT 處理，下同）。

對于未匹配規(guī)則的業(yè)務(wù)流，則通過N9接口傳遞到UPF PSA1主錨點(diǎn)，之后經(jīng)過主錨點(diǎn)的N6接口訪問到中心DN（一般情況下是互聯(lián)網(wǎng)）。

2.2 專網(wǎng)隔離

典型的企業(yè)網(wǎng)隔離框圖如圖3所示。

圖3 企業(yè)網(wǎng)隔離示意圖

（1）無線網(wǎng)絡(luò)隔離：在園區(qū)業(yè)務(wù)部署初期，各園區(qū)和公網(wǎng)資源在無線側(cè)完全共享，不隔離。隨著園區(qū)業(yè)務(wù)的發(fā)展，為避免公網(wǎng)業(yè)務(wù)以及園區(qū)間業(yè)務(wù)的相互影響，很多大型企業(yè)要求自身的無線資源獨(dú)占。這要求無線頻譜獨(dú)享或者共享頻譜下的無線處理資源獨(dú)占。共享頻譜的場景下，基站可以通過PLMN、切片來配置不同園區(qū)的資源占比，實(shí)現(xiàn)無線資源獨(dú)占。

對于PLMN 申請受限但有多余頻譜的運(yùn)營商，為保證園區(qū)無線資源獨(dú)占，在PLMN 共享的前提下，園區(qū)的頻譜/TAI/Cell 獨(dú)立于公網(wǎng)。頻譜共享：對于無多余頻譜的運(yùn)營商，園區(qū)和公網(wǎng)頻譜資源共享，對于園區(qū)大網(wǎng)規(guī)劃一個(gè)統(tǒng)一的園區(qū)PLMN。對于同時(shí)服務(wù)于公網(wǎng)和園區(qū)的基站，支持基于PLMN 靈活配置園區(qū)和專網(wǎng)不同資源占比，實(shí)現(xiàn)園區(qū)資源獨(dú)立于公網(wǎng)資源?；局С指鶕?jù)園區(qū)切片配置不同切片的無線資源占比，實(shí)現(xiàn)園區(qū)的無線資源獨(dú)占。

（2）核心網(wǎng)絡(luò)隔離：園區(qū)和公網(wǎng)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模式不同，建議園區(qū)網(wǎng)單獨(dú)建設(shè)UDM/PCF；不同園區(qū)的SMF&UPF 可以根據(jù)隔離性要求按需共享部署，不同園區(qū)可以根據(jù)切片隔離。但為了避免海量無線對接，園區(qū)與公網(wǎng)的AMF 建議統(tǒng)一建設(shè)，有利于未來既有園區(qū)屬性又有公網(wǎng)屬性用戶的接入管理。除非在某些高隔離性且成本不敏感的場景，才做AMF 獨(dú)立建設(shè)。

2.3 三方APP 集成部署

在ETSI MEC01002 規(guī)范中，對各個(gè)管理接口以及APP生命周期管理的流程做了清晰定義包含應(yīng)用包上傳、應(yīng)用實(shí)例化和應(yīng)用終結(jié)。一個(gè)典型的MEC 參考架構(gòu)如圖4所示。

圖4 MEC參考架構(gòu)

在應(yīng)用實(shí)例化前，應(yīng)用包需要上線到MEAO，使用Mm1 接口，流程如下：①OSS 系統(tǒng)向MEAO 發(fā)送應(yīng)用包上傳請求，MEAO 對應(yīng)用包的合法性做檢查；②MEAO 響應(yīng)請求消息，并將應(yīng)用包存放在軟件倉庫中，確認(rèn)應(yīng)用包在邊緣側(cè)上線可用；MEAO 支持對應(yīng)用包的管理，支持應(yīng)用包信息查詢，注銷應(yīng)用包，激活應(yīng)用包，刪除應(yīng)用包。

應(yīng)用包可用后，應(yīng)用的實(shí)例化流程如下：①OSS 系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)用請求到MEAO（Mm1接口）；②MEAO 檢查應(yīng)用實(shí)例配置信息并授權(quán)，MEAO 將實(shí)例化請求下發(fā)給ME PM（Mm3 接口）；③MEPM 發(fā)送資源（CPU、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源）請求到VIM；④VIM 分配相應(yīng)資源，如果當(dāng)前應(yīng)用鏡像可用，則會拉起應(yīng)用。并給MEAO 回復(fù)響應(yīng)消息；⑤MEPM 下發(fā)應(yīng)用的業(yè)務(wù)配置到MEP 平臺（Mm5 接口），包含：流量規(guī)則、DNS 規(guī)則以及應(yīng)用所需的其他可選服務(wù)；⑥MEP 將流量規(guī)則、DNS 規(guī)則等配置到應(yīng)用實(shí)例上，待實(shí)例正常運(yùn)行后激活流量規(guī)則和DNS 規(guī)則（Mp1 接口）；⑦M(jìn)EP 平臺回復(fù)響應(yīng)消息給MEPM；⑧MEPM 回復(fù)響應(yīng)消息給MEAO，并反饋應(yīng)用實(shí)例相關(guān)信息；⑨MEAO 回復(fù)OSS 應(yīng)用實(shí)例化響應(yīng)消息給OSS。

應(yīng)用的終結(jié)流程如下：①OSS 向MEAO 發(fā)送應(yīng)用實(shí)例終結(jié)請求，消息中包含具體應(yīng)用信息；②MEAO授權(quán)請求，并確認(rèn)請求實(shí)例存在，并將實(shí)例終結(jié)請求發(fā)送給MEPM；③MEPM 發(fā)送實(shí)例終結(jié)請求給MEP；④MEP 終結(jié)應(yīng)用實(shí)例；⑤MEP 回復(fù)應(yīng)用實(shí)例終結(jié)響應(yīng)消息給MEPM；⑥MEPM 向VIM 請求資源釋放；⑦VIM 釋放資源；⑧MEPM 回復(fù)響應(yīng)消息給MEAO；⑨MEAO 回復(fù)響應(yīng)消息給OSS。

2.4 典型應(yīng)用場景

（1）視頻優(yōu)化：在邊緣部署無線分析應(yīng)用，輔助TCP 擁塞控制和碼率適配，提升視頻業(yè)務(wù)的傳輸效率。

（2）視頻流分析：在邊緣部署視頻分析應(yīng)用，識別視頻中的人、物、事件等，業(yè)務(wù)本地閉環(huán)，減少發(fā)往核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)量。

（3）企業(yè)分流：通過部署支持邊緣分流的網(wǎng)關(guān)，對企業(yè)本地業(yè)務(wù)流精準(zhǔn)分流，同時(shí)支持Internet 業(yè)務(wù)訪問的能力。

（4）車聯(lián)網(wǎng)：V2X 服務(wù)器部署到邊緣，通過收集車輛和路側(cè)傳感器的數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給周邊車輛。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)以是典型的低時(shí)延應(yīng)用，對低時(shí)延的要求非常高。

（5）物聯(lián)網(wǎng)：及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理各種設(shè)備產(chǎn)生的信息。

（6）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：邊緣應(yīng)用快速處理用戶位置和攝像頭圖像，給用戶提供實(shí)時(shí)的輔助信息。

（7）輔助敏感計(jì)算：輔助時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)計(jì)算，提供穩(wěn)定、高性能的計(jì)算。[8]

2.5 MEC 獨(dú)特價(jià)值

在使用七大場景，滿足更多業(yè)務(wù)訴求，MEC 解決方案有如下的獨(dú)特價(jià)值[9]：

（1）提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)：內(nèi)容源下移部署，就近訪問，時(shí)延更短，業(yè)務(wù)體驗(yàn)更好。

（2）數(shù)據(jù)本地閉環(huán)：用戶面支持本地分流特性，本地?cái)?shù)據(jù)邊緣閉環(huán)，同時(shí)兼顧Internet 數(shù)據(jù)訪問。

（3）專網(wǎng)專用：支持專用無線網(wǎng)絡(luò)和專用核心網(wǎng)，提供更高的安全、可信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

（4）三方APP 集成：支持第三方APP 快速集成上車，豐富本地業(yè)務(wù)，縮短TTM。

（5）構(gòu)建本地生態(tài)：支持服務(wù)治理和API 開放能力，在本地構(gòu)建生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié)束語

MEC 作為5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過將業(yè)務(wù)平臺部署到網(wǎng)絡(luò)的邊緣，為用戶提供更低延時(shí)、更高帶寬的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)[10]。本文主要對MEC 系統(tǒng)從業(yè)務(wù)體驗(yàn)提升、本地業(yè)務(wù)閉環(huán)、園區(qū)專網(wǎng)三個(gè)層面進(jìn)行闡述。隨后，介紹幾個(gè)MEC 技術(shù)的解決方案及應(yīng)用場景體現(xiàn)MEC 的獨(dú)特價(jià)值。相信MEC 技術(shù)將會5G 發(fā)展中的熱點(diǎn)問題。