MEC邊緣云能力開放研究與實踐

袁 健，徐 舒，龍 湛，潘桂新，林作志（.中國聯(lián)通廣東分公司，廣東 廣州 50630；.中國聯(lián)通韶關分公司，廣東韶關 5000）

0 引言

隨著5G MEC 邊緣云在全國推廣，邊緣云已成功應用于工業(yè)制造、電力、礦產、港口、交通、醫(yī)療等20多個重要行業(yè)，并打造出多個商用標桿。在AGV 設備協(xié)同、AR/VR 視覺、高清視頻、AI 安防等場景中，邊緣云有效提升了企業(yè)生產效率，顯著降低了生產成本［1］。隨著行業(yè)數(shù)字化轉型的深入推進，5G應用逐步嵌入核心生產場景，越來越多企業(yè)客戶對邊緣云CT 與IT 融合運營、網絡能力開放調用和場景化一體能力整合等方面提出共性訴求，邊緣云能力亟待開放［2］。

1 MEC邊緣云技術特點

MEC 邊緣云是5G 時代的關鍵技術之一，通過在用戶邊緣側設立邊緣分流與算力節(jié)點，為客戶提供ICT 融合服務，滿足車聯(lián)網、云AR/VR、云游戲、無人機、高清直播、工業(yè)控制等5G新場景對網絡低時延、確定性需求［3］。5G MEC 邊緣云概念如圖1 所示。MEC邊緣云具有以下核心特性。

圖1 5G MEC邊緣云概念

a）高效率：通過UPF 和算力下沉，實現(xiàn)數(shù)據本地卸載，降低傳輸時延，提高計算效率。

b）易管理：結合邊緣云平臺和自服務控制臺，輕松實現(xiàn)對網絡開放能力以及邊緣云資源的管理，提高客戶管理效率。

c）全生態(tài)：結合中國聯(lián)通自研產品，聯(lián)合合作伙伴構建開放生態(tài)，創(chuàng)造性地賦能垂直行業(yè)，提供豐富的行業(yè)應用［4］。

2 邊緣云開放架構設計方案

2.1 邊緣云開放架構設計

從運營商的角度來看，MEC 邊緣云是CT 與IT 融合的服務節(jié)點，其能力開放既包含了分流網元功能的定制和基于邊緣云平臺的增值能力集成開放，也包含了面向場景的一體化融合封裝和開放調用［5］。為此，我們設計了一個三層能力開放構架，并在工業(yè)互聯(lián)網、智能建造、智慧醫(yī)療、智慧教育、車聯(lián)網、智慧港口、智慧電力、智慧物流等各行各業(yè)進行大規(guī)模推廣使用。如圖2所示，該架構包括基礎層、增值層和服務層。

圖2 MEC邊緣云能力開放構架

a）基礎層：依托關鍵網元自研，實現(xiàn)無線接入、網絡承載、網絡分流能力定制，疊加ICT-IaaS 和GPU 等，按需組合提供基礎能力。

b）增值層：基于邊緣云平臺，圍繞能力集成和運營服務，實現(xiàn)專網自服務、主動態(tài)勢感知、5G LAN、5G定位等增值能力的開放。

c）服務層：打造統(tǒng)一的邊緣能力開放入口，實現(xiàn)面向客戶自服務、創(chuàng)新應用調度分發(fā)、5G 創(chuàng)新實驗室測試、增值能力集成開發(fā)等多場景的一體化整合和標準調用。

2.2 基礎網元功能定制與開放

在5G 技術中，與邊緣云相關的網元包括：數(shù)據轉發(fā)面網元UPF 和信令面核心網元AMF、SMF、UDM等［6］。如表1 所示，運營商結合網元對轉發(fā)性能、存儲等方面需求特性進行自主研發(fā)，通過定向強化相關核心性能進行軟硬件配置和裁減，降低不必要的資源開銷，實現(xiàn)成本和能耗效益的優(yōu)化，同時還可按需支持客戶場景定制、國產信創(chuàng)適配和信令面新特性開放等需求。

表1 自研網元邊緣云與普通邊緣云對比

2.3 增值能力集成開放

在5G 技術中，MEC 邊緣云以ICT 融合底座為基礎，從2 個維度實現(xiàn)能力開放：一是從連接出發(fā)，融合5G LAN、融合定位、超大上行等創(chuàng)新技術，開放能力，為5G 智慧工廠、園區(qū)安防、智能倉儲等多樣化場景賦能；一是從運營出發(fā)，針對客戶端到端運營難點，開放一體化融合運營能力，從端到端融通、可視到開放管理能力，再到主動態(tài)勢感知服務，層層遞進幫助客戶實現(xiàn)智慧運營［7-8］。

具體說來，如圖3所示。在創(chuàng)新集成方面，開放了5G 核心網新性能。通過5G LAN 的末端層二組網，提升網絡服務效率；通過邊緣云平臺與定位引擎的融合設計，實現(xiàn)了精準至米級的5G 融合定位；通過無線載波聚合和時隙配比優(yōu)化實現(xiàn)超大上行傳送能力，基于邊緣云集成配置和管理能力。在運營賦能方面：

圖3 MEC邊緣云增值能力集成開放示意

a）實現(xiàn)網絡、云、終端端到端可視?；诙说蕉司W絡數(shù)據融通，展示園區(qū)內的終端、基站、機房、UPF、傳輸、MEC 等資源及告警等信息，為客戶提供一屏可視和集中監(jiān)控能力。

b）實現(xiàn)資源管理能力開放。打造網絡資源、云資源、號卡管理等功能開放：基于Mp2 接口實現(xiàn)邊緣網絡服務能力開放，包括網絡分流管理、會話級帶寬管理、DNS 重定向等；基于訪問控制功能開放構架，面向客戶自助提供各類云資源的開關起停、權限管理及安全備份服務；基于終端解耦集成，提供終端信息查詢，開放終端重啟等授權操作并支持定制開發(fā)。

c）提供主動態(tài)勢感知服務。依托端網聯(lián)動的主動探測感知和基于大數(shù)據的智能建模，從客戶專網向內部局域網延伸，實現(xiàn)質量分析評價和自動化響應，助力客戶邁向網絡自智。

2.4 統(tǒng)一服務封裝和調用

MEC 邊緣云能力開放平臺是面向行業(yè)客戶提供的云網融合統(tǒng)一能力開放的服務門戶，為客戶提供邊緣云開放構架中的各類自監(jiān)控、自運營、自管理能力，并與行業(yè)應用、行業(yè)終端、安全服務集成融合。通過智能化、融合化服務能力，該平臺可滿足企業(yè)數(shù)字化轉型需求，有效幫助客戶提升數(shù)字化能力，降低運營成本［9］。能力開放平臺構架如圖4所示。

圖4 能力開放平臺構架

邊緣云能力開放平臺具有以下核心能力：

a）統(tǒng)一服務門戶?；诮y(tǒng)一服務門戶，提供基礎網元定制開放和增值能力集成開放能力，以標準化接口封裝原子能力，對外提供按需調用；同時整合面向產品全生命周期的運營管理能力，面向客戶開放服務。

b）集成與測試。集成專業(yè)化沙箱測試環(huán)境，實現(xiàn)對邊緣云的網元、平臺、增值能力、應用的一體化集成測試和驗證。

c）應用管理?；贛EC 邊緣云“中心+邊緣”節(jié)點構架，實現(xiàn)邊緣云應用編排、開戶、計費、產品上架、下單、運維、告警等功能的應用管理，從而快速實現(xiàn)“一點部署，全網復制”。

3 邊緣云能力開放實踐案例

3.1 打造工業(yè)互聯(lián)網5G專網，形成產業(yè)示范基地

某省聯(lián)通與某企業(yè)聯(lián)合打造5G+工業(yè)互聯(lián)網智慧園區(qū)標桿項目，旨在解決園區(qū)面向工業(yè)OT/IT 兩張網煙囪式系統(tǒng)建設難管理以及以太網線、光纖、Wi-Fi 為主的組網方式難以滿足柔性制造需求等痛點［10］。該項目提出了“5個一”5G創(chuàng)新升級體系，即一張5G工業(yè)內網、一朵企業(yè)專屬邊緣云、一套端到端工業(yè)切片、一組5G工業(yè)創(chuàng)新應用、一個5G行業(yè)賦能平臺。

如圖5 所示，該項目構建了一套雙MEC 獨立下沉的5G行業(yè)虛擬專網，以滿足工業(yè)生產對網絡的安全隔離、即用即有、自主可控等需求?；讵毩⑾鲁罬EC，關鍵設備數(shù)據采集管理平臺直接部署在MEC 平臺上，實現(xiàn)了就近接入和多點協(xié)同。項目的整體結構如圖6所示，共分為終端層、網絡層、平臺層和應用層等4層。該項目采用5G+TSN、5G LAN、5G 專網自服務管理平臺等創(chuàng)新技術，實現(xiàn)了廠區(qū)5G專網從建網、組網、管網到用網的一站式共維共管。同時，該項目支撐了應用層質量檢測、故障診斷、預測性維護、遠程控制、智能巡檢、輔助裝配、倉儲物流、安全監(jiān)控等8 類場景的高效運行。

圖5 某企業(yè)5G專網組網示意

圖6 某企業(yè)5G專網項目整體架構

在建網方面，超高可靠核心網確保當運營商網絡出現(xiàn)故障時，廠區(qū)內5G 業(yè)務正常運行，5G 切片為廠區(qū)不同場景提供不同網絡特性的保障服務，確保關鍵業(yè)務不受網絡負荷的影響。在組網方面，5G 2B 一朵云實現(xiàn)了行業(yè)專網互聯(lián)網化運營，為廠區(qū)提供敏捷高效的專網服務。MEC 跨域協(xié)同實現(xiàn)了廠區(qū)業(yè)務核心數(shù)據的上報需求。在管網方面，網絡、終端、應用管理服務平臺為廠區(qū)提供5G 產品自監(jiān)控、自運營、自管理的服務能力，最終達到可視、可管、可控、可用、可維的目標。一體化維護和遠程監(jiān)控體系提供無間斷7×24 h監(jiān)控，實現(xiàn)了維護服務能力開放。在用網方面，工業(yè)內網探測終端進一步確保網絡的高可用能力，5G LAN支持工業(yè)設備通過廠區(qū)5G虛擬專網實現(xiàn)二層互聯(lián)，超大上行對上行速率敏感的應用場景進行了靈活適配，邊緣網絡能力開放為廠區(qū)提供了基于邊緣UPF 的IP分流、DNS 分流、帶寬管理、流量控制和訪問控制功能調用，可滿足自主靈活調配網絡的剛需，有效降低網絡運營難度，提高生產效率。

在方案應用后，大幅縮短了制造產線的改造周期，時延低至9 ms，強化了網絡端到端可管可控能力，流程數(shù)據共享水平全面提升，真正實現(xiàn)了面向柔性生產和精益管理的應用賦能。同時，某省聯(lián)通依托邊緣云平臺，面向工業(yè)場景開放端到端數(shù)據運營能力，并集成了AR/AI 等創(chuàng)新應用，提出了基于5G MEC 邊緣云的工業(yè)互聯(lián)網標準解決方案，打造了產業(yè)示范基地。

3.2 打造5G教育專網，提供極致校內外網訪問體驗

針對傳統(tǒng)VPN 操作復雜、無法同時訪問互聯(lián)網和校園內網、上網速率低和安全性差，以及網絡功能相對單一等問題，某省聯(lián)通開放了上行分流器（UpLink Classifier，ULCL）技術和網絡頭增強能力，并基于MEC平臺集成了一系列增值應用能力［11］。為了滿足高校師生隨時隨地訪問教務系統(tǒng)、電子圖書館、知網應用或遠程上網課等需求，某省聯(lián)通聯(lián)合某大學打造了5G教育專網，提供輕便快捷的網絡服務，實現(xiàn)了在移動場景下全省一張網的高速安全、不換卡不換號無感訪問校內網資源和互聯(lián)網內容［12］。

該項目研究基于教科網的5G 綠色校園專網及其在智慧校園中的應用，主要包括5G綠色校園專網構建以及5G 智慧校園應用2 個方面。項目將建成華南地區(qū)首個基于教科網的共享型5G教育行業(yè)虛擬專網，并探索基于該5G專網的智慧校園應用。

首先，項目研究了基于教科網的5G綠色校園專網組網方式，依托教科網華南地區(qū)網絡中心現(xiàn)有的網絡基礎，通過在華南地區(qū)網絡中心下沉部署一套教育行業(yè)共享的5G 專網設備，利用ULCL 技術，為接入教科網的各學校提供一種低成本、簡單、快速、安全的5G專網構建方法。

其次，項目基于5G 專網，結合MEC、AR/VR、人工智能、物聯(lián)網、5G 消息等技術，探索5G 智慧校園管理平臺、5G 智慧消息平臺、5G 互動直播教學、5G 節(jié)能管控系統(tǒng)、5G 同聲傳譯、5G 智能化考場等智慧校園應用，促進了5G在教育行業(yè)的規(guī)模部署。通過在省教科網核心機房內下沉部署MEC 邊緣云，建設教育大數(shù)據平臺、公共服務平臺、AR/VR 云平臺、智慧學習中心，實現(xiàn)了區(qū)域教育資源共享與流量本地卸載［13］。

基于某省教科網以及聯(lián)通5G網絡基礎，構建了一張“端-網-安-邊-云-應用”融合協(xié)同的平臺，整體框架如圖7 所示，主要包含一張5G 教育專網、一朵5G 教育區(qū)域云，以及N個5G+智慧教育特色應用。

圖7 基于教科網的5G教育專網及其應用項目整體框架

3.3 推進智慧海洋牧場建設，高標準建設需求倒逼5G賦能

在政策方面，根據《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》，國家與廣東省全方位進行政策規(guī)劃和部署，以拓寬海洋牧場的市場容量［14］。在需求方面，漁業(yè)養(yǎng)殖人工成本高、養(yǎng)殖風險大；漁船海上信號弱、基數(shù)大、監(jiān)管難；進出漁港監(jiān)管難度大、交易數(shù)據不清晰等問題，亟需5G賦能海洋牧場建設，突破海上無網絡或傳統(tǒng)網絡傳輸弱勢問題，助力海洋牧場發(fā)展再上新臺階［15］。同時，推進可視化、信息化、智能化高標準海洋牧場的建設要求也在倒逼5G賦能。

如圖8 和圖9 所示，在某海洋牧場項目中，某省聯(lián)通建設海洋牧場5G 基站，打造5G 專網，結合物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算、區(qū)塊鏈、AI 人工智能等技術，構建實用性高、示范性強的“1+3”智慧海洋牧場服務體系——1 個平臺（海洋牧場綜合管理平臺）和3 個產業(yè)服務工程（數(shù)字漁業(yè)服務工程、數(shù)字漁船服務工程和數(shù)字漁港服務工程）。通過在MEC 平臺上部署數(shù)字漁業(yè)服務、數(shù)字漁船服務和數(shù)字漁港服務等應用平臺，對內部系統(tǒng)進行統(tǒng)一編排，使所有數(shù)據和服務都能夠在邊緣計算節(jié)點上得到快速處理和響應，從而提高了平臺應用的訪問效率與穩(wěn)定性。此外，MEC 平臺還提供了與外部第三方平臺的無縫集成能力，使得智慧海洋牧場服務體系能夠與其他系統(tǒng)進行數(shù)據共享和業(yè)務協(xié)同。

圖8 某5G智慧海洋牧場服務體系架構

圖9 某5G智慧海洋牧場專網建設方案

整個海洋牧場體系方案的目標是實現(xiàn)“產得好、管得好、賣得好、服務好”，通過建設5G 智慧海洋示范產業(yè)區(qū)域，實現(xiàn)了漁業(yè)、漁船、漁港的創(chuàng)、精、智、專的生產與管理，為智慧漁業(yè)提供了有力保障，更好地服務于漁船船主、養(yǎng)殖企業(yè)和農業(yè)農村管理部門。

4 結語

本文從新形勢下MEC 邊緣云能力開放的共性需求出發(fā)，結合某省聯(lián)通邊緣云的實踐創(chuàng)新，提出了一套三層能力開放構架。通過基礎網元功能定制與開放、增值能力集成開放以及統(tǒng)一服務封裝和調用，提供云網融合能力開放服務，以滿足客戶的各種場景需求。此外，本文以工業(yè)制造、教育行業(yè)和海洋牧場的3個案例為輔助說明，為MEC 邊緣云持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供借鑒和參考。