MEC技術(shù)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)淺析

【摘要】MEC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)“去中心化”的關(guān)鍵，因此首先介紹了MEC原理，結(jié)合國內(nèi)運(yùn)營商正在實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對(duì)MEC部署方案進(jìn)行分析，簡述MEC架構(gòu)下運(yùn)營商如何參與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營，最后提出MEC尚存問題與挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)邊緣計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 5G移動(dòng)通信

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

引用格式：吳根生,王學(xué)靈. MEC技術(shù)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)淺析[J]. 移動(dòng)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(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的特點(diǎn)是“去中心化”，MEC（Mobile Edge Computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)去中心化的關(guān)鍵。ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）對(duì)MEC的定義是在移動(dòng)網(wǎng)邊緣（無線接入和靠近用戶側(cè)）提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，是移動(dòng)基站的自然演進(jìn)和IT與CT技術(shù)的融合[1]。根據(jù)ETSI發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，MEC主要分為七大應(yīng)用場景，如表1所示：

表1 ETSI發(fā)布的MEC應(yīng)用場景[2]

MEC被業(yè)界視為5G的關(guān)鍵架構(gòu)概念與技術(shù)之一，主要對(duì)大容量、大連接數(shù)據(jù)做本地化處理，降低時(shí)延、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，從而滿足低時(shí)延、高帶寬的需求，可支撐以DC（Data Center，數(shù)據(jù)中心）為中心的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，本文接下來將結(jié)合國內(nèi)運(yùn)營商正在實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，對(duì)MEC部署方案進(jìn)行探討。

2 MEC與運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

美國AT&T公司提出CORD（Center Office Re-architected as Datacenter，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的DC化重構(gòu)），想通過軟硬件解耦、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離等技術(shù)，將運(yùn)營商傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成類似云服務(wù)商的數(shù)據(jù)中心，達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)成本、提升網(wǎng)絡(luò)效益的目標(biāo)。CORD初期版本分為相互獨(dú)立的平臺(tái)，即R-CORD（Residential CORD，家庭寬帶場景）、M-CORD（Mobile CORD，移動(dòng)通信場景）、E-CORD（Enterprise CORD，企業(yè)專網(wǎng)場景），最新版本將這些平臺(tái)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能統(tǒng)一起來，打造成統(tǒng)一的通用的平臺(tái)。CORD代表著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的一個(gè)重要方向，國內(nèi)三大運(yùn)營商均已發(fā)布了自己的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)計(jì)劃。

2.1 以DC為中心的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)DC是承載虛擬化網(wǎng)元和專用硬件設(shè)備的新型網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)DC目標(biāo)架構(gòu)仍繼續(xù)保持四層架構(gòu)，與現(xiàn)有通信局所的層級(jí)設(shè)置保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，未來通用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備高密度集成，單機(jī)架高功耗、大體積、大重量趨勢對(duì)現(xiàn)有機(jī)房承重、電源空調(diào)等配套提出了更大的挑戰(zhàn)。以中國電信網(wǎng)絡(luò)DC化重構(gòu)為例，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是以NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（Software Defined Network，軟件自定義網(wǎng)絡(luò)）為前提的。通過虛擬化技術(shù)在通用硬件平臺(tái)上虛擬化構(gòu)建計(jì)算環(huán)境，可以承載來自于運(yùn)營商或者第三方的MEC應(yīng)用，MEC節(jié)點(diǎn)可以與5G的NFV同平臺(tái)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(wǎng)邊緣與基站之間，即邊緣DC至基站之間。

1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)目標(biāo)架構(gòu)

MEC改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)分離的現(xiàn)狀（運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)被管道化），將業(yè)務(wù)下沉到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣，為移動(dòng)用戶提供計(jì)算和緩存的能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從接入管道向信息化服務(wù)使能平臺(tái)的關(guān)鍵跨躍[3]。業(yè)務(wù)層面做到服務(wù)的本地化和網(wǎng)絡(luò)能力的對(duì)外開放，從網(wǎng)絡(luò)層面使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 MEC與CORD

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的本質(zhì)是“邊緣計(jì)算”，并強(qiáng)調(diào)面向“多接入邊緣計(jì)算”的單一開放平臺(tái)，MEC部署也需要根據(jù)業(yè)務(wù)的不同需求，部署在網(wǎng)絡(luò)合適的位置，分為邊緣級(jí)、區(qū)域級(jí)和地區(qū)級(jí)。因此MEC是應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的一種實(shí)現(xiàn)方式。

（1）MEC架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中“控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離”目標(biāo)一致。當(dāng)MEC部署在靠近用戶/接入側(cè)時(shí)，核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)功能將分布在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，會(huì)造成大量的網(wǎng)絡(luò)資源占用。通過將核心網(wǎng)的控制面與用戶面分離，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，控制面的集中可解決信令迂回和接口過載等對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源占用的問題。

（2）MEC多層云化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中“網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化”思路一致。由于MEC的部署位置靠近用戶/接入側(cè)，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(gòu)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(shí)現(xiàn)高可靠性和靈活性。

（3）MEC帶來的網(wǎng)絡(luò)能力開放，使得網(wǎng)絡(luò)更加智能，可以充分挖掘網(wǎng)絡(luò)的效益，與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)保持一致。MEC部署節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)感知，并針對(duì)性地進(jìn)行智能體驗(yàn)的優(yōu)化，大大提升用戶體驗(yàn)，從而提升網(wǎng)絡(luò)效益。

2.3 MEC與5G關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，采用扁平化結(jié)構(gòu)依然解決不了傳輸距離帶來的時(shí)延限制（光纜傳輸時(shí)延極限），不能滿足超低時(shí)延業(yè)務(wù)需求。一些區(qū)域性業(yè)務(wù)不能在本地終結(jié)，既占用較大帶寬，也增加了時(shí)延。因此，時(shí)延和帶寬指標(biāo)決定了5G業(yè)務(wù)不可能全部終結(jié)在核心側(cè)的云平臺(tái)。MEC部署在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，一方面，邊緣服務(wù)在終端/邊緣設(shè)備上運(yùn)行，解決時(shí)延的問題；另一方面，MEC將存儲(chǔ)與計(jì)算能力下沉，提供智能化的業(yè)務(wù)調(diào)度機(jī)制，將業(yè)務(wù)和內(nèi)容緩存本地化，讓相關(guān)區(qū)域性業(yè)務(wù)在本地終結(jié)而不是在云端終結(jié)。

（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(wǎng)關(guān)可以獨(dú)立下沉至移動(dòng)邊緣，可以較好解決MEC部署帶來的計(jì)費(fèi)和安全問題。因此，C/U分離技術(shù)也是MEC的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。C/U分離在LTE時(shí)代就已經(jīng)開始，核心側(cè)網(wǎng)元MME（Mobility Management Entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）和SAE-GW（System Architecture Evolution Gateway，系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)-網(wǎng)關(guān)）的架構(gòu)就已經(jīng)將控制與轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行了分離。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)網(wǎng)元功能虛擬化，即NFV，從而可以采用SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片可以讓運(yùn)營商在一個(gè)硬件基礎(chǔ)設(shè)施切分出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)（邏輯上進(jìn)行隔離），滿足各種類型服務(wù)的不同需求。NFV將網(wǎng)絡(luò)功能軟件全部部署在商業(yè)服務(wù)器上的虛擬機(jī)（VM），而不用單獨(dú)部署在專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，因此NFV是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片的一個(gè)先決條件。虛擬機(jī)之間的連接由SDN負(fù)責(zé)配置。

MEC可以按照網(wǎng)絡(luò)切片的劃分支持對(duì)時(shí)延要求最為苛刻的業(yè)務(wù)類型以及本地海量大連接等業(yè)務(wù)，從而成為URLLC、eMBB等切片中的關(guān)鍵技術(shù)，MEC可以進(jìn)一步按照業(yè)務(wù)、服務(wù)提供商、用戶等維度對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行精細(xì)化區(qū)分。

（3）MEC與CDN（Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）

CDN應(yīng)用場景的關(guān)注點(diǎn)是“分發(fā)加速”，而MEC不僅要“加速”，還擁有開放API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）能力以及本地分析、計(jì)算、存儲(chǔ)等能力，讓網(wǎng)絡(luò)更加智能化。與CDN相比，MEC可以更靠近無線網(wǎng)邊緣，因此時(shí)延更��；CDN未來的演進(jìn)方向之一是與邊緣計(jì)算的融合。MEC與CDN的對(duì)比如表2所示：

表2 MEC技術(shù)與CDN對(duì)比

3 基于MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

3.1 基于LTE網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案

在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，MEC的部署位置主要有以下3個(gè)方案[5]，如圖2所示：

圖2 基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案

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

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

（3）地區(qū)級(jí)MEC部署在核心側(cè)（核心DC），此方案覆蓋面積最大，時(shí)延也最大。因?yàn)槟軌蚪鉀Q跨地域傳輸覆蓋的問題，可以用于公眾業(yè)務(wù)和行業(yè)業(yè)務(wù)場景。

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

表3 不同部署方案MEC服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中位置

3.2 基于5G網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案

在5G時(shí)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(wǎng)關(guān)）后面。如果部署在基站后面，使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)離用戶更近，終端發(fā)起的業(yè)務(wù)經(jīng)過基站、MEC服務(wù)器1到互聯(lián)網(wǎng)/第三方內(nèi)容服務(wù)。用戶面功能下沉到用戶側(cè)（GW-UP），此時(shí)部署在GW-UP后面的MEC，與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)方案比較，可以為用戶提供低時(shí)延、高帶寬服務(wù)。

圖3 基于5G網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案

4 目前進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)

4.1 進(jìn)展與案例分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況

2014年，ETSI成立了相關(guān)組織，開始推進(jìn)移動(dòng)邊緣計(jì)算相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作；2016年將MEC概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算（Multi-access Edge Computing），并將其能力從電信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)延伸到其他無線接入網(wǎng)絡(luò)（如Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)）[2]。包括NGMN（Next Generation Mobile Networks，下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）、3GPP和CCSA（China Communications Standards Association，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）在內(nèi)的其他標(biāo)準(zhǔn)化組織也在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3GPP在4G時(shí)代制定了本地應(yīng)用和業(yè)務(wù)優(yōu)化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是無法滿足MEC的完整功能的實(shí)現(xiàn)；在R15標(biāo)準(zhǔn)中，5G端到端設(shè)計(jì)就將MEC本地分流作為需求和特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)無線側(cè)提出支撐邊緣計(jì)算功能；R16階段將進(jìn)行跨層優(yōu)化和對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力開放進(jìn)行規(guī)劃。

2013年諾基亞西門子公司與IBM推出在一款計(jì)算平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)MEC，并于2014年支撐中國移動(dòng)進(jìn)行了MEC平臺(tái)建設(shè)；華為是邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)起者、移動(dòng)邊緣計(jì)算方案提供商，2015年商用“室內(nèi)全聯(lián)接解決方案”，為商家和用戶提供基于位置的推送、導(dǎo)航等業(yè)務(wù)；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(jīng)在全球承接70多個(gè)MEC商用技術(shù)案例。

（2）商用方案介紹

MEC商用主要從以下幾個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)、比賽直播視頻編排等。中國移動(dòng)推出了F1賽車比賽直播視頻編排應(yīng)用，中國電信也開展了移動(dòng)CDN、商場導(dǎo)航及業(yè)務(wù)推送等應(yīng)用。圖4是一個(gè)典型MEC商用網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，通過MEC分流本地業(yè)務(wù)，同時(shí)可以通過接口開放提供靈活服務(wù)。典型的MEC應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 目前已應(yīng)用MEC系統(tǒng)

4.2 面臨的問題與挑戰(zhàn)

（1）計(jì)費(fèi)和安全問題的挑戰(zhàn)

因?yàn)镸EC技術(shù)將服務(wù)下沉，對(duì)本地分流的業(yè)務(wù)無需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的核心側(cè)，因此無法由P-GW提供計(jì)費(fèi)話單并與計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)連接，在5G的NSA（Non-standalone Architecture，非獨(dú)立組網(wǎng)）版本下，同樣存在這樣的問題。核心側(cè)下沉可以解決網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化帶來的計(jì)費(fèi)問題，但是采用什么方式計(jì)費(fèi)也成為需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

MEC服務(wù)為第三方合作伙伴提供了更加開放靈活的網(wǎng)絡(luò)，通過向第三方的開放，為運(yùn)營商的創(chuàng)新業(yè)務(wù)提供了條件。與此同時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)的封閉性被打破，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全提出了挑戰(zhàn)[6]。同時(shí)，MEC靠近用戶側(cè)部署，其物理設(shè)施的保護(hù)也是需要考慮系統(tǒng)性能和硬件保護(hù)成本[7]。

（2）產(chǎn)業(yè)鏈與商業(yè)模式的挑戰(zhàn)

目前在MEC產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟、盈利模式不清的情況下，業(yè)務(wù)提供者、業(yè)務(wù)運(yùn)營者和業(yè)務(wù)使用者均尚處于培育階段，如何才能有效盈利是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)往前發(fā)展的重要?jiǎng)恿�[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，中國移動(dòng)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(wù)，大型商場的室內(nèi)定位業(yè)務(wù)（后向收費(fèi)），車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及視頻加速業(yè)務(wù)。

5 MEC技術(shù)展望

高速率、低延時(shí)是5G網(wǎng)絡(luò)的基本要求，MEC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一要求的必然，MEC給網(wǎng)絡(luò)能力帶來的提升將大大推進(jìn)其規(guī)模商用的腳步。同時(shí)，MEC存儲(chǔ)資源、計(jì)算能力也不是無限的，如何快速識(shí)別熱點(diǎn)內(nèi)容，如何將過時(shí)內(nèi)容快速釋放，如何快速響應(yīng)用戶需求變化等智能化要求會(huì)成為MEC技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。另外，“去中心化”帶來的計(jì)費(fèi)、安全、資源競爭等也是MEC技術(shù)所要考慮的重點(diǎn)問題。

對(duì)掌握的無線接入邊緣資源進(jìn)行挖掘分析，為運(yùn)營商在移動(dòng)邊緣入口的服務(wù)創(chuàng)新提供了無限可能，有望扭轉(zhuǎn)運(yùn)營商被互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)OTT（Over The Top，過頂傳球，具體指互聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務(wù)依托運(yùn)營商承載網(wǎng)絡(luò)，而運(yùn)營商僅能收取流量費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)被管道化）的現(xiàn)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(wù)規(guī)則將有很大的變化。

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[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(cè)咨詢工程師（投資），學(xué)士畢業(yè)于北方民族大學(xué)通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，從事光通信、承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、咨詢和設(shè)計(jì)工作。

王學(xué)靈：高級(jí)工程師，碩士研究生畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)任職于上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作。

邢志宇：工程師，學(xué)士畢業(yè)于沈陽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)任職于上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作。

作者：吳根生 王學(xué)靈 邢志宇 來源：《移動(dòng)通信》2018年1月