5GMEC部署研究與實踐

熊國新 吳建辰

摘 ?要：多接入邊緣計算可以解決5G網絡的延遲、擁塞和安全等問題，滿足5G垂直行業業務創新需求。但該技術的引入，也給運營商的5G網絡帶來新的挑戰。針對運營商邊緣機房的條件差，改造難度大，以及多接入邊緣計算部署在邊緣機房存在流量迂回等問題，結合廣州移動的部署實踐，從硬件選型、邊緣云的輕量化部署，以及引入該技術帶來的5G網絡組網改造等方面進行分析探討，給出在5G網絡中多接入邊緣計算的商用部署建議。

關鍵詞：多接入邊緣計算;用戶面;5G;邊緣計算

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0058-03

Abstract：MEC can solve such problems as network latency，congestion and security，and meet the business innovation needs of 5G vertical industry. However，the introduction of MEC will also bring new challenges to operators5G networks. In view of the poor conditions of operatorsedge machine room and the difficulty of reconstruction，as well as the problem of traffic circuitousness in the MEC of edge machine room，combined with the Guangzhou Mobile MEC deployment practice，the MEC deployment is analyzed and discussed from the aspects of MEC hardware selection，edge cloud lightweight deployment，and 5G network introduction of MEC network transformation，and the commercial deployment of 5G MEC is suggested.

Keywords：MEC;UPF;5G;edge computing

0 ?引 ?言

5G時代，為了滿足AR/VR、物聯網、工業自動化、無人駕駛等新業務帶來的高帶寬、低時延業務需求，5G網絡進行邊緣分布式重構成為必然選擇。在5G網絡中，網元將控制面和轉發面分離，進行分層部署。控制面集中部署，用戶面則分散部署、貼近用戶，實現管理成本以及用戶體驗的平衡。同時，為了有效實現業務下沉，縮短業務響應時間，并且將移動網絡能力開放，邊緣計算被引入。

按照歐洲技術標準委員會ETSI的定義，多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）指在包含一種或者多種接入技術的接入網絡中，靠近用戶的網絡邊緣，提供無線網絡能力、IT業務環境和云計算能力的系統[1]。5G網絡特征是去中心化[2]，C/U分離架構與移動邊緣計算技術（Mobile Edge Computing，MEC）方向吻合。MEC將云端分布式應用下沉到電信網絡邊緣，與用戶面（User Plane Function，UPF）結合，在業務第一出口提供算力。所以說，MEC的本質是一場架構革命，為滿足超低時延和超大帶寬的業務需求，應用Server將從Client-Server架構轉向Client-Edge-Server架構[3]。

1 ?5G網絡引入MEC必要性和挑戰分析

5G新業務對帶寬、時延、安全性等方面的需求越來越苛刻，傳統云計算集中部署的方式已經無法滿足業務的需求。MEC正是這樣一個強大的平臺，可以解決未來網絡的延遲、擁塞和安全等問題。通過在網絡邊緣部署MEC平臺，用戶面UPF下沉到網絡邊緣，能夠有效地將云的計算能力從中心延伸到邊緣。然而，MEC的引入，同時也給運營商網絡帶來新的挑戰。

（1）運營商擁有大量靠近用戶的傳統通信機房，但在面積、承重、供電容量、能效等關鍵指標上與標準數據中心有很大差距，并且大部分機房改造難度大。因此，需要能提供多形態的硬件來匹配不同機房;（2）由于受限于邊緣機房的環境，MEC邊緣云的規模通常比較小，服務器數量較少，可提供的硬件資源有限。然而，安裝OpenStack等基礎設施平臺和管理模塊會占用大量資源，造成邊緣云的資源浪費。MEC邊緣云的資源寶貴，提高邊緣機房的單位面積算力成為關鍵;（3）MEC部署在邊緣，UPF也同時下沉到邊緣，與基站接入到分組傳送網絡（Packet Transport Network，PTN）。由于PTN網絡的L3功能在骨干匯聚或更高機房，UPF的路由存在流量迂回，增大業務路徑的時延。同時，5G網絡還要能為下沉到邊緣的UPF提供IP承載網接入和CMNET接入能力。

針對上述挑戰，本文結合廣州移動5G網絡MEC的部署實踐，從MEC硬件選型、邊緣云的輕量化部署，以及引入MEC帶來的5G網絡組網改造等方面，給出MEC的部署建議。

2 ?不同部署位置的MEC硬件選型

MEC可以按照不同業務場景和業務時延的需求進行靈活的部署，通常可部署在接入機房、普通匯聚機房、重要匯聚機房和地市核心機房等位置。

在滿足時延要求的前提下，帶寬需求低的業務，從節省成本考慮，適合部署在地市核心機房;帶寬需求高的業務，適合下沉至重要匯聚機房;時延要求低于10 ms業務，則要求部署在業務匯聚機房及以下級別的機房中。

MEC硬件的選型與MEC的部署位置相關，特別是下沉到普通匯聚機房及以下的MEC，硬件選型受限于邊緣機房的環境。MEC硬件包括以下5種。

（1）通用服務器：在重要匯聚及地市核心機房，機房環境較好，采用通用服務器來部署MEC具有最佳的性價比。遵循網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）三層解耦的云化架構，UPF考慮到網絡轉發性能的要求，需要支持硬件加速;（2）開放電信IT基礎設施（Open Telcom IT Infrastructure，OTII）定制服務器和一體機：在普通匯聚機房，由于受限于機房空間和供電能力，邊緣服務器要求低功耗、小體積。此外，邊緣服務器需更廣的溫度適應性和更強的環境適應性來應對邊緣機房的復雜環境，建議采用OTII定制服務器。在運維能力弱的偏遠地區，建議采用一體機。MEC一體機在出廠前完成預集成，開箱即用，現場輕維護，適合邊緣維護人力不足的場景;（3）OLT硬件：在業務匯聚機房，無線接入設備、有線接入設備和傳輸設備部署在一起，設備多，空間小，供電和空調環境惡劣。在這樣的環境中，通過DC化改造來部署MEC，不僅昂貴，而且工程非常困難。基于OLT內置刀片構建MEC，組網簡單，部署便利，最大限度地降低MEC部署成本和困難[4];（4）基站室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）：在業務匯聚機房，為了滿足5 ms以下超低時延的業務需求，實現“空口一跳直達”，可以采用基于無線基站融合的MEC方案。通過在基站BBU機框插入MEC單板，可以提供計算、存儲和網絡等資源，部署基站級的MEC[4];（5）加速硬件：為了降低時延，MEC還需要引入硬件加速技術。MEC服務器要求支持GPU，FPGA等加速擴展能力，通過加速硬件來提升邊緣機房的單位面積算力，同時滿足低時延、高帶寬業務的極致體驗需求。例如，通過基于FPGA智能網卡加速UPF，在軟件VNF層進行數據報文的首包學習，生成轉發流表，并將流表下發到智能網卡中;同一條流的后續數據報文將由智能網卡接收、解包、處理后直接轉發，降低節點內轉發處理層次，大幅減輕CPU計算、內存讀取、PCIe總線的瓶頸[5]。

3 ?邊緣云的輕量化部署策略

MEC邊緣云的資源寶貴，為了減少邊緣云平臺和管理節點對資源的占用，需要對MEC邊緣云進行精簡，實現輕量化部署，提高邊緣云的資源利用率。主要包括以下幾種舉措。

（1）對OpenStack的組件進行精簡，只保留邊緣必要的組件，去掉多余組件，減少對邊緣資源的占用;（2）接入站點的主機和虛擬機（Virtual Machine，VM）數量較少，可以對OpenStack管理節點的進程數量進行優化配置，如Nova API、Nova Conductor、Cinder API、Neutron API進程數量可以從標準8個減少到2個，大幅降低管理節點對CPU的需求;（3）精簡后的OpenStack管理節點與邊緣云上的計算節點合設，不獨占物理資源，以減少管理節點的資源占用[6]。

為了進一步降低管理資源占用，還可以采用可用區（Availability zones，AZ）拉遠的方案，管理節點無須占用資源。每個接入站點（業務匯聚）作為AZ接入普通匯聚機房的管理節點，AZ計算節點與普通匯聚機房的管理節點之間要求三層網絡互通，網絡帶寬要求1 Gbps以上，時延小于50 ms。

邊緣云還會部署大量的行業應用，形態各異的各種行業應用要求邊緣云平臺能提供虛機，容器，裸機等基本多種形態的IaaS資源。因此，需要將OpenStack與Kubernetes進行融合，包括組件共享、資源共享，以及安裝運維、用戶管理、安全管控、資源管理的融合，從而降低管理開銷，并為基礎設施從云化向云原生平滑演進提供了堅實基礎。

實踐證明，通過邊緣云輕量化部署（如圖1所示），組件數量減少了60%，配置所需的資源減少了75%，不僅大大降低了管理節點對邊緣云的資源需求，還提升了MEC邊緣云的管理效率。

4 ?5G網絡引入MEC的組網改造

在5G網絡引入MEC，由于UPF下沉到網絡邊緣，將帶來MEC傳輸接入、IP承載網接入和CMNET互聯網接入的組網升級改造，即MEC傳輸接入改造

如圖2所示，在面向ToB園區場景，為滿足低時延業務需求，MEC需要部署在業務匯聚機房。然而，采用現有網絡PTN傳送接入方案，由于PTN的L3功能在骨干匯聚或更高機房，UPF用戶面存在流量迂回，UPF下沉無意義。

如圖3所示，將傳輸網絡升級為切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）接入方案，結合彈性以太網（Flexible Ethernet，FlexE）技術，將5G大網絡從邏輯上切分出獨立子網和端口，滿足各類人、物、車以及各種專網的應用需求，減少因物理帶寬共享造成的相互干擾。SPN在端到端時延上，相比IP-RAN、PTN等4G承載網絡，具有更佳表現，單節點轉發時延從10～15 μs降低至1 μs。將SPN網絡的L3功能下沉，避免了用戶面數據迂回繞轉，可以進一步提升轉發性能、降低轉發時延。

本次在廣汽園區的MEC試點采用PTN接入，V2X業務的端到端時延在17 ms;采用SPN接入，端到端時延降低至16 ms。測試證明，MEC采用SPN接入比PTN接入具有更低時延優勢。綜上對比分析和測試，MEC傳輸方案建議優先接入SPN網絡。

5 ?面臨問題與挑戰

5.1 ?MEC技術標準有待完善

MEC的技術標準體系已經初步建立，但仍需進一步完善。需要進一步細化體系架構、應用接口、網絡能力開放、云邊協同和安全標準等技術方案。

5.2 ?MEC帶來應用系統架構的重構

現有的應用系統，大多采用Client-Server架構。引入MEC，大量的應用系統都需要重構為Client-Edge-Server架構，實現云邊協同。應用系統重構將給應用系統的運維、網絡管理、行業深度融合等多個方面帶來新的挑戰。企業組織架構也需要去適應新的技術和新的架構帶來的變化。

5.3 ?MEC與5G網絡的互操作及應用跨層創新

MEC作為應用功能（Application Function，AF）需要能夠從“業務控制面和業務用戶面”感知到上層應用的業務狀態，然后代表應用和5G核心網交互。上層應用能夠通過MEC作為AF，與5G核心網對接，主動觸發5G核心網選擇邊緣UPF，改變分流策略。上層應用要能結合MEC提供的無線網絡開放能力，如100多種無線網絡信息服務（Radio Network Information Services，RNIS）能力，實現無線感知，加速應用的跨層創新[7]。

6 ?結 ?論

綜上所述，結合MEC業務需求、機房設施、MEC硬件選型、邊緣云的輕量化部署以及引入MEC帶來的5G網絡組網改造等方面分析，廣州移動搭建多級MEC，通過MEC部署，探索MEC組網、建設模式、與第三方的合作模式、邊緣基礎設施管理等內容，為5G MEC建設及未來大規模部署積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1] ETSI. Multi-access Edge Computing （MEC）;Framework and Reference Architecture （V2.1.1）：ETSI GS MEC 003—2019 [S].Valbonne：ETSI，2019.

[2] 3GPP.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Services and System Aspects;System architecture for the 5G System （5GS）;Stage 2（Release 16）：（3GPP TS 23.501） [S].Valbonne：3GPP，2019.

[3] GIUST F，VERING，ANTEVSKI K，et al. ETSI White Paper No.24——MEC Deployments in 4G and Evolution Towards 5G [M].Valbonne：ETSI，2018.

[4] 中興通訊.中興通訊MEC+X全場景部署白皮書 [EB/OL].（2020-05-17）.https：//res-www.zte.com.cn/mediares/zte/Files/PDF/white_book/202005161532.pdf.

[5] 陸威，方琰崴，陳亞權.URLLC超低時延解決方案和關鍵技術 [J].移動通信，2020，44（2）：8-14.

[6] 杜鵬，孫志剛.面向5G的MEC邊緣云部署方案[J].中興通訊技術（簡訊），2020（1）：17-21.

[7] 陳云斌，王全，黃強，等.5G MEC UPF選擇及本地分流技術分析 [J].移動通信，2020，44（1）：48-53.

作者簡介：熊國新（1967.01—），男，漢族，江西鷹潭人，高級通信技術工程師，碩士研究生，研究方向：核心網及傳輸規劃;吳建辰（1987.03—），男，漢族，河南商丘人，中級通信技術工程師，碩士研究生，研究方向：核心網及傳輸規劃。