邊緣計算中的網絡建設需求分析

李昳

摘? ?要：文章系統介紹了移動邊緣計算關鍵技術，詳細分析了MEC網絡平臺架構及功能，對于典型與應用場景中的數據分流業務進行了論述和介紹。在5G網絡應用中，MEC技術通過為移動網邊緣，無線接入網提供IT服務，同時提供強大的云計算能力，滿足了本地化業務、近距離部署的功能要求，極大地提高了用戶體驗。

關鍵詞：5G網絡;移動邊緣計算;關鍵技術;典型場景;數據分流

隨著2019年5G元年的開啟，智能生活、學習、娛樂終端、智能物聯網終端、云計算、海量數據中心業務應用（在線娛樂、在線教育）、內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）、軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）等新業務快速增長的巨大業務需求下，如何有效解決低時延、高負荷、高帶寬位置感知、信息感知等業務需求，成為5G時代移動互聯解決問題關鍵的方向。2014年9月，歐洲電信標準化協會首次提出了移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）概念并組建了研究小組，針對MEC框架、技術服務要求和場景、參考架構、MEC平臺功能構件（無線網絡狀態信息管理、數據分流、終端用戶位置定位）等進行了研究和規范。MEC技術通過為移動網邊緣，無線接入網提供IT服務，同時提供強大的云計算能力，滿足了本地化業務、近距離部署的功能要求，極大地提高了用戶體驗。因此，MEC也成為5G網絡關鍵技術之一[1]?；谠?LTE 網絡模式條件下，對邊緣終端計算能力的要求越來越高，尤其是對虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術、4K/8K超高清監控視頻、游戲應用視頻等帶寬要求較高且內容難以承載的應用，還有對時延要求極小的車聯網、增強現實（Augmented Reality，AR）等應用場景，都需要利用邊緣終端計算來逐一實現。

1? ? 5G網絡中的MEC關鍵技術

1.1? MEC內容感知技術

基于LTE技術的移動網絡商業模式以及資費相對單一，屬于“啞管道”模式，缺乏業務及用戶感知能力的把控。5G網絡有效地解決了內容感知的問題，MEC充分利用本地網絡資源，可以很好地對網絡流量進行細化，實時分析其內容，有機地整合了網絡業務、用戶與數據間的關系。MEC通過對移動邊緣的用戶與業務識別，提供差異化用戶服務體驗，極大地提高了網絡服務質量。MEC無線側感知技術通過核心網或終端深度包解析（Deep Packet Inspection，DPI）用來應用層信息傳遞、關鍵字段匹配統一資源定位符（Uniform Resource Locator，URL）信息、超文本傳輸安全協議（Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer，HTTPS）數據加密等，實施本地化、分布化、近逼用戶服務等策略，進一步優化了時延需求。

1.2? 跨層優化與開放性網絡服務

MEC靠近無線側，對于底層無線物理信息和高層應用服務信息的獲取更加便捷，對于傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）優化、視頻優化等跨層優化業務更加具有優勢，也是優化網絡資源和提升網絡性能的重要技術手段。由于海量視頻數據應用與傳輸，數據帶寬和數據流的處理要求更加流暢和快捷，利用無線側MEC服務器，對無線信道帶寬進行盲測，動態選擇視頻分辨率，引導視頻傳播質量的吞吐率，極大地提升了視頻數據傳播的穩定性和可靠性。另外，MEC技術對無線底層信息進行優化處理，及時跟蹤、選擇合理傳輸信道，很好地對TCP數據進行優化，很好地解決鏈路資源及丟包等問題，MEC還可以對RAN調度進行優化，滿足不同用戶對無線資源申請應用的問題。另外，5G網絡更加深度融合第三方網絡，實現無界性連接，對網絡監控、網絡基礎服務、網絡切片編排管理、反向能力、服務質量（Quality of Service，QoS）控制、網絡信息處理和應用進行了更為有效的開放。同時不斷引入云計算、海量數據中心業務應用，CDN，SDN，AR等新技術，網絡服務能力更加開放。歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）定義的MEC設備南向接口以及用于應用層的北向接口等標準化接口技術，是5G開放功能的有力支撐和有機組成部分[2]。

1.3? C/U分離和網絡切片技術

5G及MEC另一個關鍵技術是解決如何進行流量計費和安全支付問題。通過實施C/U分離技術，很好地分離用戶面和控制面，造成了用戶面網關可以獨立沉入移動邊緣，對用戶需求實施流量計費，確保了系統的安全性能。5G網絡切片可以在物理網絡基礎設施上區分業務類型，從而形成端到端的邏輯子網絡。MEC業務感知功能與5G網絡切片技術相似度較大，但是兩者區分流量目的、精細度和方式上有差別，如表1所示。

MEC對時延要求極為嚴格的業務類型提供支持，極大豐富了網絡切片技術應用。

2? ? MEC網絡平臺架構與場景應用

2.1? MEC網絡平臺架構

MEC網絡平臺主要包括MEC平臺基礎設置層、MEC應用平臺層、MEC應用層等3層結構。MEC技術通過對3G，4G等無線網絡進行優化，增加了網元等結構，其業務本地化和近距離部署能力明顯增強。在實際應用場景中，MEC平臺可以概括為室內微基站場景和室外宏基站場景?？紤]到MEC可以嵌入到宏基站以及微基站的覆蓋范圍以及服務w用戶數，MEC應用平臺需要以本地匯聚網關模式布置多業務應用，實現基站覆蓋區域內多種業務的運營。

微基站具有一定的覆蓋范圍和服務用戶數的功能要求， MEC網絡平臺主要為本地匯聚網關應用模式。多個業務應用可以同時部署在MEC網絡平臺上，支持基站覆蓋區域內網關匯聚、用戶本地網關、用戶和網絡大數據分析、開放第三方應用等多種業務運營。在室外宏基站場景應用中，考慮到基站的計算與數據儲存需求，MEC平臺功能可以直接嵌入宏基站中，用來滿足網絡時延、網絡利用率、無線網絡上下文信息獲取和垂直業務應用的建設需求。

MEC網絡平臺基礎設施層采用網絡功能虛擬化技術，主要包括多種類型的服務器，為底層各種硬件設施提供計算、數據存儲、數據傳輸支持。MEC應用平臺層通過MEC應用平臺管理系統，實施的虛擬化管理和應用平臺開發基礎設施是MEC虛擬化管理服務主要對象，滿足應用層獨立運行的環境要求。MEC網絡應用平臺層主要實現大數據分析、服務注冊、數據分流、網絡自組織（Self-Organized Network，SON）、無線網絡信息管理、網絡加速等功能，MEC 應用平臺層廣泛采用開放式應用程序接口（Application Program Interface，API）向MEC應用層進行接口服務。MEC網絡應用層采用虛擬化虛擬機（Virtual Machine，VM）網絡架構，將MEC應用平臺層的各種應用進行虛擬化封裝，實現網絡業務優化、本地分流、用戶定位、AR、無線緩存等應用需求。同時根據ETSI定義的MEC標準接口為軟件開發商、第三方業務應用方提供開放的服務能力，從而滿足客戶對無線網絡的低時延、高帶寬傳輸的建設需求[3]。

2.2? MEC網絡應用場景案例

MEC網絡平臺架構及主要應用功能中，基于MEC本地流量爆發主要應用為在長期演進（Long Term Evolution，LTE）基站與核心網進行串接MEC平臺，按照IP分流規則進行系統設定，主要應用有本地超低時延與超高帶寬業務需求。其工作原理為用戶體驗（User Experience，UE）接入網應用與某項業務時，從核心網獲取IP地址并提出初始化IP請求，并識別出IP數據包的端口、地址、UE、ID等信息，隨后同本地數據服務器建立鏈接關系，實現本地分流[4]。

MEC平臺可以通過域名系統（Domain Name System，DNS）查詢IP指定地址實現數據分流功能。通過本地分流規則、DNS查詢規則以及公網IP分流規則實現終端與本地網絡、核心網之間的互聯互通;同時可以實現特定IP業務/用戶從本地代理服務器接入到分組域網絡，實現選擇性IP數據分流在公網業務中的公開透明化應用。對于終端用戶控制面數據（S1-C），MEC平臺可以允許公網和本地業務直接傳遞到核心網，實現傳統LTE網絡應用終端鑒權、注冊、業務發起、切換等工作業務流程。MEC網絡對于公網業務中的上行用戶面數據可直接傳輸到核心網服務網關（Serving GateWay，SGW）設備上進行處理，而把適用與分流規則的本地上行數據進行分組，可通過路由轉發到本地網絡。對于下行用戶面數據同樣是對于本地數據流進行分組，封裝成GTP-U數據包發送給目的基站，公網數據則直接轉發給基站處理。

3? ? 結語

移動邊緣計算中的網絡建設，有效地解決了低時延、高負荷、高帶寬位置感知、信息感知等業務需求過程存在的技術難題，MEC通過對移動邊緣的用戶與業務識別，提供差異化用戶服務體驗，極大地提高了網絡服務質量。對用戶需求實施流量計費，也確保了系統的安全性能。MEC網絡關鍵技術的應用更是滿足了不同典型應用特征需要，具備更加廣闊的應用空間。

[參考文獻]

[1]張卓筠，賀曉博，高功應，等.5G網絡能力開放需求和解決方案研究[J].郵電設計技術，2016（7）：9-11.

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