5G MEC融合架構及部署策略

張建敏，謝偉良，楊峰義，武洲云

（中國電信股份有限公司技術創新中心，北京 100031）

1 引言

移動互聯網和物聯網的快速發展以及各種新型業務的不斷涌現，促使移動通信在過去的10年間經歷了爆炸式增長。預計到2020年，各類新型業務和應用不斷涌現，將帶來1 000倍的數據流量增長以及超過500億量級的終端設備連接[1,2]。為了有效解決其快速發展帶來的高網絡負荷、高帶寬以及低時延等要求，MEC概念得以提出并得到了廣泛關注[3-8]。

歐洲電信標準化協會（ETSI）于2014年9月成立了MEC（mobile/multi-access edge computing，移動/多接入邊緣計算）工作組，針對 MEC技術的服務場景、技術要求、框架以及參考架構等開展深入研究[3]。根據ETSI的定義，MEC技術主要是指通過在無線接入側部署通用服務器，從而為無線接入網提供IT和云計算的能力。即MEC技術使得傳統無線接入網具備了業務本地化、近距離部署的條件，無線接入網由此具備了低時延、高帶寬的傳輸能力，有效緩解了未來移動網絡對于傳輸帶寬以及時延的要求。除此之外，由于MEC靠近無線網絡及用戶本身，更易于實現對網絡上下文信息（位置、網絡負荷、無線資源利用率等）的感知和利用，并通過開放給第三方業務提供商，從而可以有效提升用戶的業務體驗，促進網絡和業務的深度融合。目前，MEC概念已經從立項初期針對3GPP移動網絡為目標，擴展至對非3GPP網絡（Wi-Fi、有線網絡等）的支持，其名稱也從移動邊緣計算修改為多接入邊緣計算。

除此之外，IMT-2020（5G）推進組、3GPP、CCSA等國內外研究及標準推進組織也開展了MEC的研究推進工作。其中，3GPP已經完成的下一代網絡架構研究項目（TR23.799）以及正在制定中的 5G系統架構標準（TS23.501）均將MEC作為5G網絡架構的主要目標予以支持[9,10]。同時，CCSA也于2017年8月開始了“5G邊緣計算核心網關鍵技術研究”以及“5G邊緣計算平臺能力開放技術研究”課題的立項研究。

由于ETSI MEC工作組重點關注MEC平臺、基于MEC平臺的網絡能力開放以及基于MEC平臺的業務應用運營部署等方面，并希望MEC的引入不給具體的網絡接入制式帶來影響。而 3GPP 5G網絡架構標準研究與制定則主要從5G網絡業務需求以及網絡架構的演進趨勢出發，通過支持用戶面分布式下沉部署、靈活路由等功能，實現支持MEC的目標，并未考慮基于MEC的網絡能力開放。因此，如何將MEC平臺的網絡能力開放與具體的網絡架構及網絡功能相結合，真正實現網絡和業務的深度融合及落地應用，成為運營商重點關注的問題。

綜上所述，本文將首先根據5G三大典型應用場景，分析MEC對于5G的價值。其次，基于ETSI和3GPP的研究進展，本文將給出5G MEC融合架構，并討論分析其總體部署策略。更進一步，針對MEC技術在網絡應用中可能存在的問題與挑戰進行了討論，為后續研究發展提供參考。

2 MEC價值分析

根據ETSI定義，MEC通過為無線接入網提供IT和云計算的能力，從而使得MEC具備如下技術特征：

· 業務應用本地化、緩存加速；

· 本地分流、靈活路由；

· 網絡信息感知與開放；

· 邊緣計算、存儲能力；

· 基于IT通用平臺。

下面將從 5G的三大典型應用場景（eMBB、uRLLC、mMTC）出發，討論分析 MEC對于 5G網絡的潛在價值與意義。

2.1 增強移動寬帶（eMBB）

為了滿足未來5G網絡1 000倍的流量增長以及100倍的用戶體驗速率，現有物理層和網絡層技術的后續演進以及全新的技術需要同時考慮，如大規模天線（massive MIMO）、毫米波（mmWave）、超密集組網（ultra dense network，UDN）等。此類技術的主要目標是通過拓寬頻譜帶寬以及提高頻譜利用率等方式提升無線接入網系統容量。然而，未來5G網絡數據流量密度和用戶體驗速率的急劇增長，除了對無線接入網帶來極大挑戰，核心網同樣也經受著更大數據流量的沖擊。傳統LTE網絡中，數據面功能主要集中在LTE網絡與互聯網邊界的PGW（PDN gataway）上，并且要求所有數據流必須經過PGW。即使是同一小區用戶間的數據流也必須經過PGW，從而給網絡內部新內容應用服務的部署帶來困難。同時數據面功能的過度集中也對 PGW 的性能提出了更高的要求，且易導致PGW成為網絡吞吐量的瓶頸。

因此，MEC技術通過業務本地化、緩存加速以及本地分流、靈活路由等技術可以有效降低網絡回傳帶寬需求，緩解核心網的數據傳輸壓力，從而進一步避免了核心網傳輸資源的進一步投資。換句話說，業務應用本地化、緩存加速和本地分流、靈活路由是實現未來5G網絡業務應用近距離部署/訪問、用戶面靈活高效分布式按需部署的有效手段，可為用戶提供低時延高帶寬的傳輸能力，打造虛擬的RAN（radio access network，無線接入網）。值得注意的是，5G控制面的主要功能依然采用集中控制的方式。

以企業/學校為例，通過業務應用本地化以及本地分流技術可以實現企業/學校內部高效辦公、本地資源訪問、內部通信等，從而為用戶提供免費/低資費、高體驗的本地連接以及本地業務訪問能力。也就是說，通過MEC技術可以為企業/校園等熱點高容量場景提供一個虛擬的本地RAN，實現了MEC本地業務本地解決的主要思想。

2.2 低時延高可靠（uRLLC）

低時延高可靠場景主要是指對時延極其敏感并且對可靠性要求嚴格的場景，例如遠程醫療、車聯網、工業控制等。其中，低時延高可靠場景中對空口時延的要求甚至為1 ms量級。對于5G網絡的低時延要求，需要從物理層技術（廣義頻分復用技術等）以及網絡層技術（業務應用本地化、緩存等）兩個角度出發，進行網絡架構的設計與系統開發。

基于MEC提供的邊緣云計算服務，可以將傳統的部署在 Internet或者遠端云計算中心的業務應用，遷移至無線網絡邊緣部署。此時，特定業務或者將非常受歡迎的內容可以部署或者緩存在靠近無線接入網以及終端用戶的位置，從而可以有效降低網絡端到端時延，提升用戶的 QoE（quality of service，服務質量）。

因此，基于 MEC的業務應用本地化、緩存加速等功能可以有效降低或者消除回傳帶來的時延影響，一定程度上滿足5G網絡對于網絡時延的要求。

2.3 大規模MTC終端連接（mMTC）

為了解決移動終端（尤其是低成本 MTC終端）有限的計算、存儲能力以及功耗問題，需要將高復雜度、高能耗計算任務遷移至云計算數據中心的服務器端完成，從而降低低成本終端的能耗，延長其待機時間。然而傳統的通過將高耗能任務卸載到遠程云端的方法，在降低終端能耗、延長待機時間的同時，卻帶來了傳輸時延的增加。

此時，基于MEC的邊緣計算與存儲能力，通過將高能耗計算任務卸載/遷移至 MEC服務器，可有效解決計算任務遷移到遠端云計算中心帶來的時延問題。同時，MEC服務器可以作為 MTC終端的匯聚節點，完成信令以及數據的本地匯聚、存儲與處理等任務，降低MTC終端存儲資源的需求以及網絡負荷。

2.4 QoE優化

顯而易見，業務應用本地化使得業務應用更加靠近無線接入網以及終端用戶本身，此時實時的無線網絡上下文信息（小區ID、網絡負載、無線資源利用率等）可以被業務應用有效感知并加以充分利用，從而為終端用戶提供更加差異化的服務和業務體驗，提升用戶的 QoE（quality of experience，體驗質量）。

更進一步，網絡運營商也可以將部分/全部無線網絡的能力向第三方內容提供商/軟件開發商等開放，實現網絡與業務的深度融合，從而加速創新型業務的開發和部署。

綜上所述，MEC通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移，使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署，從而在一定程度解決了5G網絡eMBB、uRLLC、mMTC等技術場景的業務需求。同時MEC通過充分挖掘移動網絡數據和信息，實現移動網絡上下文信息的感知和分析并開放給第三方業務應用，有效提升了移動網絡的智能化水平，促進網絡和業務的深度融合。

3 5G MEC融合架構及部署策略

3.1 5G MEC融合架構

如前所述，目前 3GPP 僅通過支持用戶面分布式下沉部署、靈活路由等功能，實現支持MEC的目標。然而，除了用戶面分布式下沉部署、靈活路由外，為了能夠更好地支持5G業務應用的本地化部署、緩存加速、網絡邊緣信息的感知與開放以及邊緣計算/存儲能力，緩解 5G移動增強寬帶業務以及超低時延高可靠場景的時延要求、大規模 MTC終端連接信令/數據匯聚處理要求以及通過網絡邊緣信息感知并開放給第三方業務服務商實現網絡與業務深度融合的需求，本文給出了5G MEC融合架構，如圖1所示。

圖1 5G MEC融合架構

其中，5G MEC平臺根據其平臺應用相關信息（應用標識、IP地址+port（端口）等、數據流規律規則等）通過5G 控制面應用功能（AF）直接或者間接地傳遞給策略控制功能單元（PCF），從而影響會話管理功能單元（SMF）進行用戶面功能單元（UPF）的選擇/重選以及數據分組（PDU）會話的建立，如圖 2所示。具體包括根據用戶/應用所在位置、本地接入網絡標識（LADN）等信息選擇邊緣的 UPF以及在一個PDU會話的場景下選擇合適的邊緣UPF并根據預先配置的分流策略進行數據分流（包括上行流量分類UL-CL以及IPv6多歸屬分流方案等），從而滿足UPF分布式下沉部署、靈活路由的需求，將業務數據流根據需求轉發至本地網絡或者 MEC主機。同時，MEC平臺也可以作為本地AF，在一定規則約束下將本地數據流過濾規則直接下發至UPF，進行UPF數據流轉發以及數據流過濾規則的配置。

除此之外，MEC平臺可以通過Mp1接口實現MEC平臺服務對運營商/第三方MEC應用的開放，加強網絡與業務的深度融合。在MEC資源管理編排方面則主要由MEC編排器、MEC平臺管理以及 VIM 管理等負責，滿足 MEC平臺以及MEC應用資源編排、生命周期等管理。

可以看出，上述5G MEC融合架構可以同時兼容ETSI MEC以及3GPP 5G網絡架構，其中MEC的數據流靈活路由等功能需求主要由3GPP 5G網絡靈活地支持UPF選擇/重選滿足，MEC的提供業務應用本地化、本地計算/存儲能力以及網絡邊緣信息的感知與開放則主要由MEC平臺、平臺管理單元以及MEC開放接口等實現。

需要注意的是，MEC本地數據流的計費、內容合法監控等功能主要通過5G UPF負責支持，可以有效解決4G MEC因為透明部署需求而面臨的計費以及合法監控等問題[8]。

圖2 應用功能（AF）影響數據路由流程

3.2 5G MEC總體部署策略

為了更好地闡述5G MEC部署策略，首先需要給出5G網絡的總體部署策略，其次從MEC時延節省的角度以及未來 5G網絡對于業務時延的要求來詳細分析5G MEC總體部署策略，為未來5G MEC的落地部署提供參考。

3.2.1 5G網絡總體部署策略

未來 5G網絡的基礎設施平臺將主要由采用通用架構的數據中心（data center，DC）組成，主要包括中心級、匯聚級、邊緣級和接入級，如圖3所示，其各自的功能劃分大致如下。

（1）中心級

主要包含IT系統和業務云，其中IT系統以控制、管理、調度職能為核心，例如網絡功能管理編排、廣域數據中心互聯和BOSS等，實現網絡總體的監控和維護。除此之外，運營商自有的云業務、增值服務、CDN、集團類政企業務等均部署在中心級DC的業務云平臺。

（2）匯聚級

主要包括5G網絡的控制面功能，例如接入管理、移動性管理、會話管理、策略控制等，主要部署在省級DC。同時原有4G網絡的虛擬化核心網、固網的IPTV業務平臺以及能力開放平臺等可以共DC部署。除此之外，考慮到CDN下沉以及省級公司特有政企業務的需求，省級業務云也可以同時部署在該數據中心。

（3）邊緣級

部署在地市級，主要負責數據面網關功能（包括5G用戶面功能以及4G vEPC的下沉PGW用戶面功能PGW-D）。除此之外，MEC、5G部分控制面功能以及固網vBRAS也可以部署在本地DC。更進一步，為了提升寬帶用戶的業務體驗，固網部分CDN資源也可以部署在本地DC的業務云里。

（4）接入級

對于本地接入級DC，則重點面向接入網絡，主要包括5G接入CU、4G 虛擬化BBU（池）、MEC以及固網vOLT等功能。其中5G接入CU也可以與其分布式單元（DU）合設，直接以一體化基站的形式出現，針對超低時延的業務需求將MEC功能部署在CU甚至CU/DU一體化基站上。

可以看出，基于網絡功能軟件化、模塊化的思路以及NFV的云計算平臺，使得網絡功能可以根據運營商的網絡規劃、業務需求、流量優化、業務體驗以及傳輸成本等綜合考慮，實現網絡功能的按需靈活部署。其中業務云側重在中心DC，便于實現業務應用的全網覆蓋，網絡云則側重在邊緣DC。

因此，為了滿足5G增強移動寬帶、超低時延高可靠等業務場景對極低時延的需求，需要在網絡邊緣通過 MEC實現業務應用的本地化部署以及數據面分布式下沉靈活路由。除此之外，基于MEC的網絡的信息感知與開放以及基于MEC的固移融合，可以有效實現網絡與業務的深度融合以及移動網絡、固定網絡等多個網絡的資源高效使用與管理?？紤]到影響MEC部署位置最主要的是業務要求時延，下面針對5G MEC典型業務場景的時延要求給出MEC總體部署策略。

圖3 5G網絡組網及MEC部署策略

3.2.2 5G MEC部署總體策略

考慮到5G網絡架構還在標準化制定過程中，還未真正部署，因此下面以4G網絡拓撲作為參考進行分析。圖4給出了4G網絡的拓撲圖與典型傳輸時延（單向），其中業務應用一般部署在4G網關PGW后面的中心DC。此時，業務訪問時延主要來自回傳鏈路（基站至PGW）引入的傳輸時延以及因業務應用部署位置引入的 PGW 至業務部署位置的傳輸時延。其中，基站至PGW的傳輸時延為6～16 ms，PGW至業務部署位置的時延則主要由業務部署位置決定，變化范圍較大（約30 ms）。此時，由于MEC實現業務應用本地化帶來的時延減少部分不僅包括MEC至PGW的傳輸時延，最主要的部分是 PGW 到原有業務應用部署位置的傳輸時延。

圖4 4G網絡拓撲及典型傳輸時延（單向）

根據3GPP對5G接入場景及需求的研究[11]，5G eMBB場景下空口的單向時延要求為4 ms，相比于LTE網絡空口單向要求5 ms而言，性能要求提升不是很嚴苛。對于uRLLC場景，則要求無線空口單向時延要求為0.5 ms。除此之外，5G網絡針對eMBB業務和uRLLC業務分別提出了10 ms及1 ms的端到端極低時延要求。

此時，根據網絡傳輸鏈路的典型時延值估算，對于eMBB場景，MEC的部署位置不應高于地市級?？紤]到5G網絡用戶面功能UPF極有可能下沉至地市級（控制面依然在省級），此時MEC可以和5G下沉的UPF合設，滿足5G增強移動寬帶場景對于業務10 ms級的時延要求。然而對于超低時延高可靠場景1 ms的極低時延要求，由于空口傳輸已經消耗0.5 ms，此時已經沒有給回傳留下任何時間?？梢岳斫鉃椋槍? ms的極端低時延要求，直接將MEC功能部署在5G接入CU或者CU/DU一體化的基站上，將傳統的多跳的網絡轉化為一跳網絡，完全消除傳輸引入的時延。同時，考慮到業務應用的處理時延，1 ms的極端時延要求對應的應該是終端用戶和 MEC業務應用間的單向業務，見表1。

上述僅僅是從時延的角度進行初步分析，當MEC應用在企業園區、校園等場景時，考慮到其業務應用服務的覆蓋范圍以及業務應用數據本地化的需求（出于數據安全性考慮），此時MEC則可根據需求部署在該覆蓋范圍基站的匯聚點，以匯聚網關的形式出現。

因此，5G MEC總的部署策略是應根據業務應用的時延、服務覆蓋范圍等要求，同時結合網絡設施的DC化改造趨勢，將所需的MEC業務應用以及服務部署在相應層級的數據中心。

表1 5G網絡典型場景的時延要求

4 問題及挑戰

綜上所述，5G MEC融合架構可有效地將ETSI MEC平臺和3GPP 5G網絡架構結合，通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移，使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署，從而一定程度解決了 5G網絡eMBB、uRLLC、mMTC等技術場景的業務需求。然而，為了解決MEC在未來網絡的實際應用，除了上述架構和部署策略外，還有很多問題與挑戰亟待研究解決。

（1）基于MEC的本地分流

本地分流是實現5G網絡業務應用本地化、近距離部署等目標的先決條件，也是MEC最基本的功能特性之一。如何根據 MEC典型業務場景需求，制定高效的數據流識別方法、本地業務分流規則等成為基于 MEC本地分流首先要解決的技術問題。其次，在MEC本地分流場景下，如何實現本地數據流/內容的計費、合法監控以及差異化策略控制是基于 MEC的本地分流方案能夠落地部署必須要解決的問題。

（2）基于MEC的緩存與加速

不同于基于 MEC的業務應用本地化直接將用戶所需內容部署在本地，基于MEC的緩存和加速則是根據業務需求以及用戶習慣等提前將用戶所需內容緩存在本地供用戶訪問，從而完成有效提升移動互聯網用戶體驗、節省運營商的網絡資源、緩解回傳壓力等目標。此時，有如下幾個問題需要解決，包括緩存模式、緩存效率、緩存通道選擇以及緩存內容再生等。

（3）基于MEC的網絡能力開放

MEC在網絡邊緣的部署，為無線網絡信息的實時感知獲取提供了便利條件，如何通過開放接口將其開放給第三方業務應用，成為優化業務應用、提升用戶體驗、實現網絡和業務深度融合的重要手段之一。因此需要根據業務需求，感知獲取網絡上下文信息，并通過分析處理形成MEC平臺具備的網絡能力，同時通過開放接口的研究及標準化，加速創新型業務應用的開發及上線，打造良好的MEC產業生態鏈。

（4）基于MEC的固移融合

考慮到未來 5G將會是一個 4G、5G、Wi-Fi以及固定接入等多個網絡融合的架構，如何針對不同運營商在移動網絡或者固定寬帶網絡的優勢，通過MEC靈活路由的特性采用移動回傳鏈路承載固定寬帶接入業務，或者采用固定寬帶鏈路分擔 5G高吞吐量要求對于移動網絡回傳帶寬要求的壓力成為一個重點關注的內容。除此之外，為了能夠充分利用各個網絡中的業務/內容資源，MEC可以根據用戶的業務/內容訪問請求，根據其所部署的位置、業務帶寬、速率等需求選擇合適的回傳鏈路，從而實現基于MEC的多網絡協同管理，實現接入網絡與回傳網絡的解耦，提高用戶的業務體驗以及網絡資源利用率。更進一步，基于多接入邊緣計算平臺的業務應用部署，可以同時服務不同網絡下的用戶，并且可保證同一用戶在不同網絡制式下的一致性體驗。

（5）MEC場景下的移動性管理

MEC場景下的移動性主要包括終端移動導致終端的數據到應用的路徑變化、負載平衡或性能不滿足等導致應用遷移以及終端在MEC覆蓋區域非MEC覆蓋區間移動時，MEC系統與其他系統的交互。如何針對上述移動性場景，保證用戶會話以及業務的連續性，是保障用戶體驗的關鍵。

（6）基于MEC的計算任務卸載

為了實現MEC的計算任務卸載，需要考慮將計算所需數據上傳至MEC以及MEC計算結果的反饋。此時上傳數據量的大小、傳輸的時延、MEC計算時間、計算結果反饋的數據量大小、反饋數據的傳輸時延、MTC終端的計算時間、MTC終端計算所需能耗等因素均對是否進行計算任務卸載以及哪些計算任務進行卸載等問題產生極大影響。因此，針對整個計算任務的完成所需時間以及終端能耗這兩個潛在目標，需要進一步深入研究其計算任務卸載方案。

5 結束語

本文在分析MEC技術對于5G網絡的價值與意義的基礎上，結合ETSI和3GPP的研究進展，給出了5G MEC融合架構、總體部署以及后續應用中可能存在的問題與挑戰。其中，5G MEC融合架構將有效地與3GPP 5G網絡架構結合為5G網絡構建邊緣網絡及業務應用能力，促進低時延、高帶寬、高計算復雜度等業務應用的發展。

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