MEC技術與移動網絡重構淺析

【摘要】MEC技術是實現5G網絡“去中心化”的關鍵，因此首先介紹了MEC原理，結合國內運營商正在實施的網絡重構對MEC部署方案進行分析，簡述MEC架構下運營商如何參與互聯(lián)網業(yè)務運營，最后提出MEC尚存問題與挑戰(zhàn)。

【關鍵詞】移動邊緣計算 網絡重構 5G移動通信

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.531 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：吳根生,王學靈. MEC技術與移動網絡重構淺析[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.

Analysis of MEC Technique and Mobile Network Reconstruction

WU Gensheng, WANG Xueling, XING Zhiyu

(Shanghai Posts & Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

[Abstract] MEC technique is the key element to realize the "decentralization" of 5G networks. The principle of MEC was introduced firstly. Then, the MEC deployment solutions were analyzed based on the network reconstruction implemented by operators. The operations for Internet business in MEC framework were described. Finally, problems and challenges of MEC were put forward.

[Key words] mobile edge computing network reconstruction 5G wireless communication

1 引言

與現存移動網絡相比，5G網絡架構最大的特點是“去中心化”，MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）技術是實現5G網絡去中心化的關鍵。ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標準化協(xié)會）對MEC的定義是在移動網邊緣（無線接入和靠近用戶側）提供IT服務環(huán)境和云計算能力，是移動基站的自然演進和IT與CT技術的融合[1]。根據ETSI發(fā)布的標準，MEC主要分為七大應用場景，如表1所示：

表1 ETSI發(fā)布的MEC應用場景[2]

MEC被業(yè)界視為5G的關鍵架構概念與技術之一，主要對大容量、大連接數據做本地化處理，降低時延、節(jié)省網絡帶寬，從而滿足低時延、高帶寬的需求，可支撐以DC（Data Center，數據中心）為中心的運營商網絡重構，本文接下來將結合國內運營商正在實施的網絡重構，對MEC部署方案進行探討。

2 MEC與運營商的網絡重構

美國AT&T公司提出CORD（Center Office Re-architected as Datacenter，網絡機房的DC化重構），想通過軟硬件解耦、控制與轉發(fā)分離等技術，將運營商傳統(tǒng)網絡轉變成類似云服務商的數據中心，達到降低網絡成本、提升網絡效益的目標。CORD初期版本分為相互獨立的平臺，即R-CORD（Residential CORD，家庭寬帶場景）、M-CORD（Mobile CORD，移動通信場景）、E-CORD（Enterprise CORD，企業(yè)專網場景），最新版本將這些平臺的虛擬網絡功能統(tǒng)一起來，打造成統(tǒng)一的通用的平臺。CORD代表著運營商網絡重構的一個重要方向，國內三大運營商均已發(fā)布了自己的網絡重構計劃。

2.1 以DC為中心的網絡重構

網絡DC是承載虛擬化網元和專用硬件設備的新型網絡機房，是運營商網絡重構的基礎，網絡DC目標架構仍繼續(xù)保持四層架構，與現有通信局所的層級設置保持對應關系，未來通用標準化設備高密度集成，單機架高功耗、大體積、大重量趨勢對現有機房承重、電源空調等配套提出了更大的挑戰(zhàn)。以中國電信網絡DC化重構為例，如圖1所示。網絡重構是以NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）和SDN（Software Defined Network，軟件自定義網絡）為前提的。通過虛擬化技術在通用硬件平臺上虛擬化構建計算環(huán)境，可以承載來自于運營商或者第三方的MEC應用，MEC節(jié)點可以與5G的NFV同平臺兼容部署。

為了平衡靠近用戶和提高效率（接入更多的用戶）的矛盾，初期MEC一般部署在城域網邊緣與基站之間，即邊緣DC至基站之間。

1 網絡重構目標架構

MEC改變現有網絡與業(yè)務分離的現狀（運營商網絡被管道化），將業(yè)務下沉到移動網絡邊緣，為移動用戶提供計算和緩存的能力，實現網絡從接入管道向信息化服務使能平臺的關鍵跨躍[3]。業(yè)務層面做到服務的本地化和網絡能力的對外開放，從網絡層面使網絡架構得到進一步優(yōu)化。

2.2 MEC與CORD

網絡重構的本質是“邊緣計算”，并強調面向“多接入邊緣計算”的單一開放平臺，MEC部署也需要根據業(yè)務的不同需求，部署在網絡合適的位置，分為邊緣級、區(qū)域級和地區(qū)級。因此MEC是應對網絡重構的一種實現方式。

（1）MEC架構與網絡重構中“控制與轉發(fā)分離”目標一致。當MEC部署在靠近用戶/接入側時，核心網的網關功能將分布在網絡的邊緣，會造成大量的網絡資源占用。通過將核心網的控制面與用戶面分離，簡化網絡結構的同時，控制面的集中可解決信令迂回和接口過載等對網絡資源占用的問題。

（2）MEC多層云化技術與網絡重構中“網絡功能虛擬化”思路一致。由于MEC的部署位置靠近用戶/接入側，不能充分發(fā)揮核心DC帶來的性能優(yōu)勢，所以需要引入多層云化的構架，將軟件功能按照不同能力屬性分層/解藕部署，在有限的資源下實現高可靠性和靈活性。

（3）MEC帶來的網絡能力開放，使得網絡更加智能，可以充分挖掘網絡的效益，與運營商網絡重構的基本出發(fā)點保持一致。MEC部署節(jié)點能夠進行業(yè)務實時感知，并針對性地進行智能體驗的優(yōu)化，大大提升用戶體驗，從而提升網絡效益。

2.3 MEC與5G關鍵技術

現有網絡架構中，采用扁平化結構依然解決不了傳輸距離帶來的時延限制（光纜傳輸時延極限），不能滿足超低時延業(yè)務需求。一些區(qū)域性業(yè)務不能在本地終結，既占用較大帶寬，也增加了時延。因此，時延和帶寬指標決定了5G業(yè)務不可能全部終結在核心側的云平臺。MEC部署在靠近網絡邊緣側，一方面，邊緣服務在終端/邊緣設備上運行，解決時延的問題；另一方面，MEC將存儲與計算能力下沉，提供智能化的業(yè)務調度機制，將業(yè)務和內容緩存本地化，讓相關區(qū)域性業(yè)務在本地終結而不是在云端終結。

（1）C/U（Control plane/User plane，控制面/用戶面）分離

通過控制面與用戶面的分離，用戶面網關可以獨立下沉至移動邊緣，可以較好解決MEC部署帶來的計費和安全問題。因此，C/U分離技術也是MEC的發(fā)展關鍵技術之一[4]。C/U分離在LTE時代就已經開始，核心側網元MME（Mobility Management Entity，移動性管理實體）和SAE-GW（System Architecture Evolution Gateway，系統(tǒng)架構演進-網關）的架構就已經將控制與轉發(fā)進行了分離。網絡重構網絡中的大多數網元功能虛擬化，即NFV，從而可以采用SDN對網絡資源進行控制。

（2）網絡切片

網絡切片可以讓運營商在一個硬件基礎設施切分出多個虛擬的端到端網絡（邏輯上進行隔離），滿足各種類型服務的不同需求。NFV將網絡功能軟件全部部署在商業(yè)服務器上的虛擬機（VM），而不用單獨部署在專用網絡設備上，因此NFV是進行網絡切片的一個先決條件。虛擬機之間的連接由SDN負責配置。

MEC可以按照網絡切片的劃分支持對時延要求最為苛刻的業(yè)務類型以及本地海量大連接等業(yè)務，從而成為URLLC、eMBB等切片中的關鍵技術，MEC可以進一步按照業(yè)務、服務提供商、用戶等維度對業(yè)務進行精細化區(qū)分。

（3）MEC與CDN（Content Delivery Network，內容分發(fā)網絡）

CDN應用場景的關注點是“分發(fā)加速”，而MEC不僅要“加速”，還擁有開放API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）能力以及本地分析、計算、存儲等能力，讓網絡更加智能化。與CDN相比，MEC可以更靠近無線網邊緣，因此時延更��；CDN未來的演進方向之一是與邊緣計算的融合。MEC與CDN的對比如表2所示：

表2 MEC技術與CDN對比

3 基于MEC的網絡架構介紹

3.1 基于LTE網絡的MEC部署方案

在現有LTE網絡架構下，MEC的部署位置主要有以下3個方案[5]，如圖2所示：

圖2 基于現有網絡的MEC部署方案

（1）邊緣級MEC部署于靠近基站側（基站或者BBU集中放置的機房），此方案時延最小，但是覆蓋的基站數相對較少，適合于本地分流場景。

（2）區(qū)域級MEC部署與接入環(huán)與匯聚環(huán)之間（邊緣DC），此方案時延也較小，覆蓋范圍相對較大，比較適合較大場館場景。

（3）地區(qū)級MEC部署在核心側（核心DC），此方案覆蓋面積最大，時延也最大。因為能夠解決跨地域傳輸覆蓋的問題，可以用于公眾業(yè)務和行業(yè)業(yè)務場景。

以上三種方案適用于不同的業(yè)務需求場景，可以綜合考慮覆蓋面積、當前網絡狀況等因素，滿足條件的情況下，盡量靠近無線側部署。MEC在網絡中的位置如表3所示：

表3 不同部署方案MEC服務器在網絡中位置

3.2 基于5G網絡的MEC部署方案

在5G時代，MEC部署位置有兩種方案，如圖3所示。一種是部署在基站后面，另一種是部署在GW-UP（Gateway-User Plane，用戶面網關）后面。如果部署在基站后面，使得數據業(yè)務離用戶更近，終端發(fā)起的業(yè)務經過基站、MEC服務器1到互聯(lián)網/第三方內容服務。用戶面功能下沉到用戶側（GW-UP），此時部署在GW-UP后面的MEC，與傳統(tǒng)無線網絡方案比較，可以為用戶提供低時延、高帶寬服務。

圖3 基于5G網絡的MEC部署方案

4 目前進展及面臨的挑戰(zhàn)

4.1 進展與案例分析

（1）標準化進展情況

2014年，ETSI成立了相關組織，開始推進移動邊緣計算相關的標準化工作；2016年將MEC概念擴展為多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing），并將其能力從電信的蜂窩網絡延伸到其他無線接入網絡（如Wi-Fi網絡）[2]。包括NGMN（Next Generation Mobile Networks，下一代移動網絡）、3GPP和CCSA（China Communications Standards Association，中國通信標準化協(xié)會）在內的其他標準化組織也在制定相關標準。3GPP在4G時代制定了本地應用和業(yè)務優(yōu)化相關標準，但是無法滿足MEC的完整功能的實現；在R15標準中，5G端到端設計就將MEC本地分流作為需求和特性進行設計，同時無線側提出支撐邊緣計算功能；R16階段將進行跨層優(yōu)化和對網絡能力開放進行規(guī)劃。

2013年諾基亞西門子公司與IBM推出在一款計算平臺上實現MEC，并于2014年支撐中國移動進行了MEC平臺建設；華為是邊緣計算產業(yè)聯(lián)盟發(fā)起者、移動邊緣計算方案提供商，2015年商用“室內全聯(lián)接解決方案”，為商家和用戶提供基于位置的推送、導航等業(yè)務；中興通訊也推出基于室分與5G的MEC解決方案；英特爾2016年發(fā)布了M端到端解決方案白皮書；2017年上半年，華為公司已經在全球承接70多個MEC商用技術案例。

（2）商用方案介紹

MEC商用主要從以下幾個方面入手，虛擬化、邊緣CDN（即CDN下沉）、高精度定位、視頻用戶QoS優(yōu)化、增強現實、比賽直播視頻編排等。中國移動推出了F1賽車比賽直播視頻編排應用，中國電信也開展了移動CDN、商場導航及業(yè)務推送等應用。圖4是一個典型MEC商用網絡，在現有網絡架構下，通過MEC分流本地業(yè)務，同時可以通過接口開放提供靈活服務。典型的MEC應用系統(tǒng)網絡結構如圖4所示：

圖4 目前已應用MEC系統(tǒng)

4.2 面臨的問題與挑戰(zhàn)

（1）計費和安全問題的挑戰(zhàn)

因為MEC技術將服務下沉，對本地分流的業(yè)務無需經過網絡的核心側，因此無法由P-GW提供計費話單并與計費網關連接，在5G的NSA（Non-standalone Architecture，非獨立組網）版本下，同樣存在這樣的問題。核心側下沉可以解決網絡架構變化帶來的計費問題，但是采用什么方式計費也成為需要重點關注的問題。

MEC服務為第三方合作伙伴提供了更加開放靈活的網絡，通過向第三方的開放，為運營商的創(chuàng)新業(yè)務提供了條件。與此同時，無線網絡的封閉性被打破，對網絡安全、信息安全提出了挑戰(zhàn)[6]。同時，MEC靠近用戶側部署，其物理設施的保護也是需要考慮系統(tǒng)性能和硬件保護成本[7]。

（2）產業(yè)鏈與商業(yè)模式的挑戰(zhàn)

目前在MEC產業(yè)鏈尚未成熟、盈利模式不清的情況下，業(yè)務提供者、業(yè)務運營者和業(yè)務使用者均尚處于培育階段，如何才能有效盈利是推動產業(yè)往前發(fā)展的重要動力[8]。根據文獻[9]，中國移動目前提出的主要商用模式為賽事VR直播、區(qū)域視頻監(jiān)控等本地分流業(yè)務，大型商場的室內定位業(yè)務（后向收費），車聯(lián)網業(yè)務以及視頻加速業(yè)務。

5 MEC技術展望

高速率、低延時是5G網絡的基本要求，MEC技術是實現這一要求的必然，MEC給網絡能力帶來的提升將大大推進其規(guī)模商用的腳步。同時，MEC存儲資源、計算能力也不是無限的，如何快速識別熱點內容，如何將過時內容快速釋放，如何快速響應用戶需求變化等智能化要求會成為MEC技術發(fā)展的重點。另外，“去中心化”帶來的計費、安全、資源競爭等也是MEC技術所要考慮的重點問題。

對掌握的無線接入邊緣資源進行挖掘分析，為運營商在移動邊緣入口的服務創(chuàng)新提供了無限可能，有望扭轉運營商被互聯(lián)網企業(yè)OTT（Over The Top，過頂傳球，具體指互聯(lián)網增值業(yè)務依托運營商承載網絡，而運營商僅能收取流量費，網絡被管道化）的現狀。相信MEC規(guī)模部署后，盈利模式、第三方參與的積極性等商務規(guī)則將有很大的變化。

參考文獻：

[1] ETSI White Paper No. 11. Mobile Edge Computing A Key Technology towards 5G[S]. 2015.

[2] ETSI. Mobile Edge Computing (MEC) Service Scenarios[S]. 2015.

[3] 朱浩. MEC助力5G網絡發(fā)展[EB/OL]. (2016-06-17)(2017-12-15). http://zhuanti.cww.net.cn/news/html/2016/6/17/20166171634298730.htm.

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

[5] 李福昌,李一喆,唐雄燕,等. MEC關鍵解決方案與應用思考[J]. 郵電設計技術, 2016(11): 81-86.

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[8] 5G PPP. 5G Empowering Vertical Industries (White Paper)[Z]. 2016.

[9] 中國移動5G聯(lián)合創(chuàng)新中心. 中國移動5G移動邊緣計算白皮書[Z]. 2017.

[10] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[Z]. 2017.

[11] F Shi, C Zhang. Analysis of the reconstruction of the SDN/NFV-based telecommunications network architecture[J]. Telecommunications Technology, 2016(6): 30-32.

[12] L Xu, Y Zhang, W Xiong. Research on the architecture of the open source-based NFV platform[J]. Information and Communications Technologies, 2016,10(50): 22-27. ★

作者簡介

吳根生：工程師，國家注冊咨詢工程師（投資），學士畢業(yè)于北方民族大學通信工程專業(yè)，現任職于上海郵電設計咨詢研究院有限公司，從事光通信、承載網網絡規(guī)劃、咨詢和設計工作。

王學靈：高級工程師，碩士研究生畢業(yè)于同濟大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現任職于上海郵電設計咨詢研究院有限公司，從事無線網絡規(guī)劃與設計工作。

邢志宇：工程師，學士畢業(yè)于沈陽理工大學電子信息工程專業(yè)，現任職于上海郵電設計咨詢研究院有限公司，從事無線網絡規(guī)劃與設計工作。

作者：吳根生 王學靈 邢志宇 來源：《移動通信》2018年1月