基于5G的移動多接入邊緣計算（MEC）研究與應(yīng)用

朱同先 魏芹 凌威 戴寒怡

1.中國移動通信集團江蘇有限公司宿遷分公司；2.中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

LTE網(wǎng)絡(luò)和云計算的發(fā)展使用戶獲得了更好的應(yīng)用體驗，4K/8K超高清業(yè)務(wù)、虛擬現(xiàn)實（VR）等業(yè)務(wù)對帶寬要求較高，遠程醫(yī)療、增強現(xiàn)實（AR）等業(yè)務(wù)對時延要求極高。5G三大業(yè)務(wù)場景eMMB、URLLC、mMTC對原有的LTE和云計算網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)和要求。標(biāo)準化組織3GPP對5G需求的研究也是從帶寬、時延、接入數(shù)等多方面研究5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，邊緣計算（MEC）通過下沉業(yè)務(wù)、接近用戶處理等技術(shù)，滿足上述帶寬、時延等業(yè)務(wù)需求，成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 MEC技術(shù)簡介

MEC（Multi-access Edge Computing）是ETSI標(biāo)準組織提出的概念，即多接入邊緣計算，一種在相比數(shù)據(jù)中心DC（Data Center）更靠近終端用戶的邊緣位置提供用戶所需服務(wù)和云端計算功能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將應(yīng)用、內(nèi)容和MBB核心網(wǎng)部分業(yè)務(wù)處理和資源調(diào)度的功能一同部署到靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過業(yè)務(wù)靠近用戶處理，以及應(yīng)用、內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，來提供可靠、極致的業(yè)務(wù)體驗。

2 MEC的定義

2.1 MEC組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，MEC的系統(tǒng)架構(gòu)分為移動邊緣主機級別（Mobile edge host level）和移動邊緣系統(tǒng)級別（Mobile edge system level）兩個不同層次的層級。

圖1 ETSI MEC結(jié)構(gòu)

主機級一般分布式部署，比如在BBU機房或者傳輸匯聚機房。

系統(tǒng)級一般集中式部署，比如核心網(wǎng)或者更集中的位置。

第三方App 或者服務(wù)部署在主機級的移動邊緣主機上，但部署在哪個主機上由系統(tǒng)級的移動邊緣協(xié)調(diào)器（Mobile edge Orchestrator）負責(zé)操作。

2.2 MEC應(yīng)用場景

ETSI定義了MEC七大應(yīng)用場景：

視頻優(yōu)化：在邊緣部署無線分析應(yīng)用，輔助TCP擁塞控制和碼率適配。

增強現(xiàn)實：邊緣應(yīng)用快速處理用戶位置和攝像頭圖像，給用戶實時提供輔助信息。

企業(yè)分流：將用戶面流量分流到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

車聯(lián)網(wǎng)：MEC分析車及路側(cè)傳感器的數(shù)據(jù)，將危險等時延敏感信息發(fā)送給周邊車輛。

物聯(lián)網(wǎng)：MEC應(yīng)用聚合、分析設(shè)備產(chǎn)生的消息并及時產(chǎn)生決策。

視頻流分析：在邊緣對視頻分析處理，降低視頻采集設(shè)備的成本、減少發(fā)給核心網(wǎng)的流量。

輔助敏感計算：MEC提供高性能計算，執(zhí)行時延敏感的數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果反饋給端設(shè)備。

2.3 MEC關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 本地流量卸載基于5G用戶面與控制面分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，UPF需要部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣以降低網(wǎng)絡(luò)時延和本地流量回傳。對于區(qū)域性的業(yè)務(wù)，下沉部署的MEC可以將本地業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)直接分流到下移的MEC服務(wù)器（承載部分UPF功能），通過MEC服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的處理，避免了流量在核心網(wǎng)的迂回，減少了業(yè)務(wù)傳輸時延。如在視頻監(jiān)控場景，監(jiān)控的數(shù)據(jù)可以直接上傳到本地服務(wù)器，而不需要上傳至遠端的互聯(lián)網(wǎng)，增強了監(jiān)控的實時性。如圖2所示。

圖2 本地流量卸載

2.3.2 邊緣計費和控制

對邊緣部署的MEC支持與核心網(wǎng)的控制面對接協(xié)同，實現(xiàn)對本地流量的計費和策略控制。如圖3所示。

圖3 安全域示意圖

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)能力開放

邊緣與核心網(wǎng)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)能力開放主要包含如下三方面：

無線網(wǎng)絡(luò)能力開放API：RAN與MEC API GW協(xié)同，將用戶位置信息、Cell/用戶/承載帶寬信息開放給本地APP。

核心網(wǎng)的能力開放：EC API GW向中心NEF（Network Exposure Function）獲取用戶計費、QoS、業(yè)務(wù)控制等策略。用戶策略更新，中心NEF同步下發(fā)到MEC API GW或SMF下發(fā)到UPF。

MEC平臺能力開放：編解碼轉(zhuǎn)換、IPSec、AI等，通過MEP開放Restful API的方式供本地APP調(diào)用。

邊緣MEC平臺集成了防火墻、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等網(wǎng)絡(luò)功能，不需要進行額外的網(wǎng)絡(luò)投資。平臺提供LBS、IoT、DPI、RNIS、Qos等多項服務(wù)，集成的第三方APP能夠利用這些服務(wù)為用戶提供差異化服務(wù)，同時支持APP的運維管理等。如圖4所示。

圖4 MEC開放平臺架構(gòu)

3 MEC商業(yè)部署思考

根據(jù)具體的服務(wù)場景和延遲需求，MEC可以靈活部署。可將MEC資源部署在接入辦公室（AO）、中央辦公室（CO）和區(qū)域辦公室（RO）。通過在邊緣部署一個MEC平臺，將云計算從中心擴展到邊緣，使服務(wù)盡可能接近地快速處理和轉(zhuǎn)發(fā)，以滿足多樣化的5G應(yīng)用場景的需要。

（1）部署在接入辦公室（AO）

MEC部署在企業(yè)內(nèi)部，企業(yè)內(nèi)的流量和業(yè)務(wù)通過本地MEC的處理計算后直接返回企業(yè)網(wǎng)，不經(jīng)過運營商的傳輸網(wǎng)絡(luò)。MEC企業(yè)部署降低了處理時延、降低傳輸網(wǎng)絡(luò)回傳資源壓力。實現(xiàn)流量不出園區(qū)和高可靠低時延的業(yè)務(wù)。同時，可集成企業(yè)第三方應(yīng)用，增強業(yè)務(wù)粘性。

（2）部署在中央辦公室（CO）

MEC部署在中央數(shù)據(jù)中心，如CRAN節(jié)點機房。MEC雖未下沉至企業(yè)園區(qū)，但流量在邏輯上不出園區(qū)，也可實現(xiàn)相對高可靠低時延的業(yè)務(wù)。基本滿足前期試點場景，避免過高投入。

（3）部署在區(qū)域辦公室（RO）

MEC部署在區(qū)域數(shù)據(jù)中心，如地市DC機房。MEC部署在地市核心機房，企業(yè)用戶訪問自身服務(wù)器流量（N3&N6）需要出園區(qū)，存在不符合企業(yè)信息安全需求風(fēng)險。CUPU分離的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可通過安全策略控制業(yè)務(wù)分片，實現(xiàn)邏輯上的業(yè)務(wù)不出企業(yè)園區(qū)。可以實現(xiàn)相對可靠的低時延業(yè)務(wù)。

4 MEC商業(yè)部署實踐

某工廠在進行生產(chǎn)時需要采集生產(chǎn)線設(shè)備姿態(tài)信息，信息由工業(yè)相機采集后通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)傳輸至單獨的服務(wù)器，再集中傳送至解析服務(wù)器進行處理，判斷設(shè)備合格情況，以便進行下一步的操作。在企業(yè)原有方案中，在采集數(shù)據(jù)解析結(jié)果未反饋前，設(shè)備無法獲取下一步動作，暫時處于停機狀態(tài)。現(xiàn)場通過ping包驗證此過程的時間（不包括數(shù)據(jù)處理時間）約為207 ms。

通過部署在接入辦公室（AO）的MEC部署和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)（2B模式，降低空口傳輸時延），解析服務(wù)器直接下沉到MEC內(nèi)部，工業(yè)相機采集的數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過多層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接送至MEC進行處理，系統(tǒng)拓撲如圖5所示。通過對比測試，下沉后處理時延降低至10 ms以內(nèi)，助力客戶提高生產(chǎn)效率。

圖5 企業(yè)內(nèi)MEC部署拓撲

5 結(jié)束語

回顧IT發(fā)展歷史，邊緣計算是計算能力從集中到分布的最好例證。計算能力的本地化、更接近用戶的模式，減少了不必要的傳輸時延，助力5G網(wǎng)絡(luò)的低時延特性。本文首先闡述了MEC這個5G關(guān)鍵技術(shù)的性能特點。其次，根據(jù)MEC部署位置的不同，簡析了MEC數(shù)據(jù)時延、安全和成本情況。最后，通過企業(yè)部署應(yīng)用情況，簡述了MEC助力生產(chǎn)效率的提升。對于運營商而言，根據(jù)商用場景對帶寬、時延、連接數(shù)量的不通需求，靈活地調(diào)整MEC部署位置，既能滿足企業(yè)的數(shù)字化需求，解決生產(chǎn)痛點。同時滿足數(shù)據(jù)安全需求，降低運營成本。