UPF 與MEC 合設部署及組網研究

張建華

（廣西通信規劃設計咨詢有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引 言

5G 作為新一代的移動網技術，不僅能夠滿足個人用戶對個人用戶（Customer to Customer，C2C）的語音業務和數據業務，而且能夠滿足企業用戶對企業用戶（Business to Business，B2B）的多樣化業務場景需求。例如，5G 技術契合了傳統制造企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求，能夠滿足工業環境下設備互聯和遠程交互的應用需求[1]。工業自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環控制系統。5G 技術可以提供極低時延、高可靠以及海量連接的網絡服務，使得閉環控制應用通過無線網絡連接成為可能。多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）作為更靠近客戶側的云網融合邊緣節點，可同時為固定網絡用戶和移動網絡用戶提供就近業務服務，能夠滿足5G 低時延、大帶寬以及高計算復雜度業務的需求。目前，推動5G、MEC、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等技術與工業互聯網融合創新，驅動工業網絡化、數字化及智能化發展，實現工業互聯，是我國制造行業發展的主流方向[2,3]。

1 MEC 與UPF 合設/分設部署及可行性分析

1.1 5G 核心網和MEC 均基于NFV 架構部署

網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術是一種新型網絡技術，能夠增強網絡彈性，提升業務部署速率。將信息化技術（InformationTechnology，IT）領域的虛擬化技術引入通信技術（Communications Technology，CT）領域，利用標準化的通用設備，能夠實現各種網絡設備功能。

將先進的NFV 技術引入5G 核心網，靈活搭建各種網元，采用通用服務器部署基礎設施，并采用虛擬化和云化部技術部署網元。

1.2 5G 與MEC 技術的有關規定

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）不定義MEC，但5G 標準將對邊緣計算的支持作為5G 網絡的一項重要特征，在網絡架構中實現核心網轉發和控制分離，用戶平面功能（User Plane Function，UPF）可按需下沉，并在5G 用戶面選擇/重選、本地分流、網絡能力開放、服務質量（Quality of Service，QoS）以及計費等方面引入了一系列支持邊緣計算的關鍵技術。目前，3GPP 對邊緣計算的支持還處于不斷完善的過程。

1.3 UPF 相當于MEC 的數據平面

MEC 的虛擬化基礎設施不僅能夠為MEC 應用提供計算、存儲和網絡資源，還提供數據平面轉發。根據從MEC 平臺接收的流量路由規則，在應用、服務、3GPP 網絡、其他接入網、本地網絡以及外部網絡之間轉發數據路由。

MEC 業務系統作為5G 系統的邊緣網絡，部署在N6 接口點，由UPF 負責將邊緣網絡流量轉發到MEC。對MEC 而言，UPF 是分布式的和可配置的數據平面，在5G 網絡部署MEC 的過程能夠起到關鍵作用。

在5G 網絡部署MEC 時，由UPF 擔任數據平面的角色，MEC 通過5G 核心網影響UPF，實現流量牽引[4]。

1.4 產品成熟度

目前，中興通訊股份有限公司已有一體化UPF+MEP 產品（即UPF 與MEC 中的MEP 平臺合設），運營商集團也正在研發和測試一體化設備。

2 MEC 與UPF 合設/分設方式分析

除去編排、管理以及運營支撐模塊，NFV 架構可以簡單分成硬件設備層、虛擬化層、應用層3 層架構，基于這3 層架構分析MEC 與UPF 的合設方式。

MEC 和UPF 均可以看成是NFV 應用層部署的軟件，其中MEC 又可以拆分為MEC 平臺（Mobile Edge computing Platform，MEP）和MEC 應用（Mobile Edge Computing Application，MEC App），MEP 屬于CT 類網元，能夠為MEC App 的發現、發布、使用以及服務提供環境；MEC App 屬于IT 類應用，能夠為應用系統（通常是第三方應用系統）提供服務。UPF 屬于CT 類網元，能夠處理協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話的用戶平面路徑，支持用戶終端（User Equipment，UE）業務數據的轉發。

雖然邏輯上UPF 與MEC 業務系統分離和松耦合，但在實際建設時，根據MEC 與UPF 是否合設和共享基礎設施類型，存在以下3 種方案。

2.1 MEC 與UPF 合設且共用基礎設施

MEC 系統將UPF 包括在內，MEP 與UPF 由同一個廠商建設，如提供UPF 核心網功能的廠商。MEC與UPF 共享NFV 運營商邊緣云基礎設施，進行統一管理，有利于充分利用資源，可節約部分投資。MEC與UPF 合設如圖1 所示。

圖1 MEC 與UPF 合設

2.2 MEC 與UPF 部分合設

MEC 業務系統分為CT 類虛擬化網絡功能Virtualised Network Function，VNF）與IT 類應用2 個業務服務。其中，CT 類VNF（即MEP）與UPF 共享NFV 邊緣云，IT 類應用獨立建設IT 邊緣云，滿足IT類邊緣業務部署的靈活性需求。但是，該方案增加了邊緣業務統一管理的復雜度。

2.3 MEC 與UPF 分設且不共用基礎設施

MEC與UPF分離部署，支持分別由不同廠商建設，并且UPF 作為5G 核心網網元，與承載自有及第三方業務應用的MEC 業務系統物理隔離也有利于保障5G網絡的安全。

2.4 3 種方式對比分析

3 種方式對比如表1 所示。

表1 3 種方式對比

3 UPF 與MEC 協同部署方案探討

網絡能力開放是5G 網絡的一個重要特性，在很多情況下，5G 網絡的服務和能力能夠對外開放，如監控、配置、策略以及計費等情況。

3GPP 規定MEC 應遵循5G 整體架構，并滿足本地路由、話務分流、會話和業務連續性、用戶面選擇和重選、網絡能力開放、QoS 和計費等功能，使MEC可以作為一個外部實體，與5G 網絡進行交互，并可通過公開應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）的方式，給在MEC 平臺上運行的第三方應用提供無線網絡信息、位置信息、業務使能控制等多種服務[5]。

UPF 和MEC 下沉部署可以滿足低時延、大帶寬、本地分流或數據不出園區的客戶業務需求。若客戶的業務終端使用5G 接入，要求實現低時延、業務數據本地分流或不出園區，則需要下沉部署UPF，根據客戶要求并結合成本和運維條件等因素，選取地市共享UPF 或獨享UPF。若將客戶低時延和本地化需求的業務應用系統部署在客戶私有的內網平臺，則無須部署MEC；若客戶計劃使用運營商提供的邊緣云部署應用系統，則部署MEC；若客戶應用系統計劃使用5G 網絡的開放功能，獲取監控和配置等能力，則建議部署MEC。雖然5G 和MEC 的能力開放技術尚未成熟，但是可以提前部署MEC，從而減少業務需求出現時升級改造的難度。目前，相當一部分客戶只使用5G專網，即只部署UPF，未部署MEC，因此運營商可以將應用系統部署在客戶內部私有云平臺，以此引導客戶部署MEC，發展邊緣云業務，制造新的業務和收入的機會。

UPF 和MEC 的部署模式可分為2 種，分別是獨享型UPF 和獨享型MEC 組網方案、共享型UPF 和獨享型MEC 組網方案，具體如下。

3.1 獨享型UPF 和獨享型MEC 組網方案

該方案適用于對數據隔離要求嚴苛、業務量較大、價格不敏感以及投資可回收的本地分流客戶，如大型企業園區和智慧工廠等。綜合考慮業務時延和客戶要求等因素，選擇部署位置。優先建議部署在運營商機房，如邊緣機房或綜合業務目標局機房等，若客戶強烈要求數據不出園區，則選擇部署在客戶機房。根據地圖距離測算，并結合現網測試數據，估算廣西壯族自治區數據中心（Data Center，DC）網絡覆蓋邊界平均距離，空口時延波動較大，選擇時延為8 ms，傳輸時延為200 km/ms，路由按每跳1 m 計算，時延數據估算如下：邊緣DC 為50 km 時延約為18 ms，綜合業務目標局為5 km 時延約為13 ms。

建議使用MEC 與UPF 部分合設的方式進行部署，即UPF與MEP共用服務器，MEC App獨立使用服務器。與全部合設方案相比，該方案的應用App 與服務器在物理方面是隔離狀態，可以提高5G 網絡的安全性。同時，服務器需要盡量部署在同一個機房，共用交換機和防火墻。UPF+MEP 按照10 Gb/s、20 Gb/s 以及50 Gb/s 流量模型，對應部署3 臺、4 臺以及5 臺服務器。根據MEC App 根據業務應用系統需求，部署若干臺計算服務器、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）服務器（AI 識別和機器視覺場景需要）、存儲服務器（視頻存儲需要）等，部署1 套交換機（業務交換機和管理交換機）和相應的防火墻等安全設備。根據業務需求，防火墻也可使用串接方式與企業內網互通。此外，若MEC App和UPF+MEP部署于不同局所，則需增設交換機。

3.2 共享型UPF 和獨享型MEC 組網方案

該方案適用于對應用系統隔離度要求高且業務量大的客戶，如工業制造行業的客戶。UPF 與MEC平臺之間采用專線對接。客戶共享UPF，獨享MEC平臺資源，可以按照相關需求，將應用和數據存儲部署在客戶本地。根據客戶業務需求、客戶分布以及UPF 至MEC、MEC 至客戶之間的傳輸資源綜合評估情況，將MEC 平臺部署在地市機房、邊緣機房、綜合業務目標局或客戶側機房。根據UPF 部署的位置，估算時延數據如下：區域DC 為500 km 時延約為33 ms，地市DC 為150 km 時延約為23 ms，邊緣DC為50 km 時延為19 ms。

建議采用MEC 與UPF 分設的方式進行部署，即UPF 與MEC 分別部署服務器和交換機。由于MEC 和UPF可能來自不同廠商，采用分設的方式進行部署時，實施和維護的界面會更加清晰，有利于后期的運維保障。此外，共享型UPF 涉及多個客戶，將客戶獨享的MEC 進行物理隔離，有利于保障5G 網絡的安全。

4 結 論

通過分析MEC 與UPF 合設的可行性，梳理MEC 與UPF 合設、部分合設、分設的部署方式，并在此基礎上探討獨享型UPF 和獨享型MEC 組網方案、共享型UPF 和獨享型MEC 組網方案、共享型UPF 和共享型MEC 組網方案以及UPF 與MEC 的合設/分設方式等，形成具有一定參考意義的部署方案，為今后UPF 和MEC 的建設提供一定的參考。