MEC在5G中的部署與挑戰

文/于佳 岳勝

云計算與移動網絡的相關性正日益增強。社交網絡服務、內容提供商、電商平臺等都將其內容和工具放在云端。此外，用戶也越來越依賴移動設備來執行計算和存儲密集型操作，無論是個人事務還是業務相關的操作，都需要將其卸載到云端以實現更好的性能，同時節省終端電量。為了為用戶提供更方便、更經濟的云計算，3GPP在5G系統架構設計中引入移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing），將計算、存儲和網絡資源與基站集成，將云計算下沉到網絡邊緣，縮短其與用戶之間的距離。未來，使用5G移動通信系統的用戶可將計算密集型和延遲敏感的應用程序（如增強現實和圖像處理）托管在網絡邊緣，如圖1所示。

最早的邊緣計算概念是基于2009年卡內基梅隆大學研發的cloudlet計算平臺。2014年，歐洲電信標準協會（ETSI）成立了MEC規范工作組，正式開啟了MEC相關的標準化工作。2016年，ETSI將移動邊緣計算的概念擴展為多接入邊緣計算（MEC，Multi-access Edge Computing）。MEC提供高度分布式計算環境，可用于部署應用程序和服務，也可用于存儲和處理移動用戶的內容。只要能夠保障 延遲和準確性，就可以將應用程序分成小任務，并將其中的一部分放在本地或區域云上執行。在邊緣云和其他云之間分發應用程序的子任務時會出現許多具有挑戰性的問題。在分離應用程序時，移動邊緣云負責低延遲、高帶寬以及本地相關的工作。

文獻[2]中描述了在4G LTE系統中部署MEC的幾種方式。由于MEC是在4G發展過程中根據應用需求附加在系統中的解決方案，因而對4G的MEC系統和相關的接口規范在很大程度上是與4G系統本身相互獨立的。與4G系統不同，5G系統在設計之初便將MEC考慮其中，并將其視為支持延遲敏感型業務和未來物聯網服務的關鍵技術之一。因而，為了實現卓越的性能和體驗質量，5G系統架構為MEC提供了高效靈活的支持。在5G系統中部署MEC有利于對已有應用進行性能優化、提高服務質量。更重要的是，MEC使得5G系統具有開拓新應用和新業務、為移動運營商創造更多商業機遇的巨大潛力。

1 MEC部署場景

5G系統允許將MEC映射成應用功能（AF，Application Function），從而可以基于配置的策略使用其他網絡功能（NF，Network Function）提供的服務和信息。此外，5G架構中定義了許多用以為MEC的不同部署提供靈活支持的功能，并支持用戶移動事件下MEC的連續性。

在5G的服務化架構中，NF既是服務的提供者，也是服務的使用者。任何NF都可以提供一個或多個服務。5G系統架構提供了對服務的使用者進行身份驗證和對服務請求授權所必須的功能，并支持高效靈活的公開和使用服務。對于簡單的服務或信息請求，可以使用請求-響應模型。對于長期存在的進程，5G架構還支持訂閱-通知模型。上述這些原則與MEC定義的API框架一致。MEC中有效使用服務所需的功能包括注冊、服務發現、可用性通知、取消注冊以及身份驗證和授權。所有這些功能在5G服務化架構和MEC API（Application programming interface）框架中都是相同的。圖2對比了5G系統架構與MEC系統架構。

圖1：邊緣計算云

圖2：5G系統架構與MEC系統架構

圖3：MEC物理部署方式舉例

邏輯上MEC主機部署在邊緣或中心數據網絡中。數據網絡和UPF的位置由網絡運營商確定，并且網絡運營商可以選擇基于技術和業務參數來放置物理計算資源，這些參數可能包括可用站點設施、支持的應用及其要求、用戶負載的測量和估計等。MEC管理系統編排MEC主機和應用的運行，可動態判決MEC應用的部署位置。

在MEC主機的物理部署方面，可根據各種操作、性能或安全相關要求進行選擇。圖3概述了MEC物理位置的一些可行選項，分別是：

（1）MEC和本地UPF部署在無線側，即與基站并置。

（2）MEC與傳輸節點并置，可能有本地UPF。

（3）MEC和本地UPF與傳輸匯聚節點并置。

（4）MEC與核心網絡功能并置（即在同一數據中心）。

上述物理部署選項表明MEC可以靈活地部署在從基站附近到中心數據網絡的不同位置上。所有部署的共同點在于，UPF被部署并用于引導流量向目標MEC應用程序和網絡。

2 MEC部署的挑戰

MEC為移動通信系統帶來了新的機遇，但與此同時也為網絡部署帶來了許多新的挑戰：

2.1 MEC服務編排和可編程

MEC服務編排和可編程仍然是個開放性問題，尚未在業界達成一致。同時，為了達到最優的效果，MEC服務編排應該與網絡資源的可編程相結合，針對帶寬和虛擬網絡功能進行聯合分配。如果MEC服務跨越多個管理區域，MEC服務編排則會面臨更嚴峻的挑戰。

2.2 MEC服務連續性和移動性

部署在移動網絡中的MEC，必然要為移動用戶提供服務連續性的保障。為保障連續性，MEC服務必須在服務器之間實現快速切換，這個過程包含了鎖定目標服務器以及計算任務在服務之前的切換等難題。

2.3 MEC安全和隱私

隨著MEC應用的發展，未來將會部署大量的MEC服務器。雖然與大規模數據中心相比，分散部署的MEC服務器成為攻擊目標的可能性更小，但對服務器以及其中數據的保護不容忽視。

2.4 MEC服務貨幣化

對于移動運營商來說，提供MEC服務創造營收的模式與之前通過提供通信服務創造營收的模式有顯著區別。如果由第三方提供MEC服務，一方面第三方的營收模式有待探討；另一方面MEC服務與運營商的通信服務緊密相關，雙方甚至多方的合作方式也是新的挑戰。

3 結論

MEC的引入為5G系統帶來了新的機遇與挑戰。本文首先描述了MEC的網絡架構；然后介紹了幾種可行的MEC部署方案；最后對部署MEC面臨的挑戰進行討論。