1 引言
與現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比,5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的特點(diǎn)是“去中心化”,MEC(Mobile Edge Computing,移動(dòng)邊緣計(jì)算)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)去中心化的關(guān)鍵。ETSI(European Telecommunications Standards Institute,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會)對MEC的定義是在移動(dòng)網(wǎng)邊緣(無線接入和靠近用戶側(cè))提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力,是移動(dòng)基站的自然演進(jìn)和IT與CT技術(shù)的融合[1]。根據(jù)ETSI發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),MEC主要分為七大應(yīng)用場景,如表1所示:
表1 ETSI發(fā)布的MEC應(yīng)用場景[2]
MEC被業(yè)界視為5G的關(guān)鍵架構(gòu)概念與技術(shù)之一,主要對大容量、大連接數(shù)據(jù)做本地化處理,降低時(shí)延、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,從而滿足低時(shí)延、高帶寬的需求,可支撐以DC(Data Center,數(shù)據(jù)中心)為中心的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),本文接下來將結(jié)合國內(nèi)運(yùn)營商正在實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),對MEC部署方案進(jìn)行探討。
2 MEC與運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)
美國AT&T公司提出CORD(Center Office Re-architected as Datacenter,網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的DC化重構(gòu)),想通過軟硬件解耦、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離等技術(shù),將運(yùn)營商傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成類似云服務(wù)商的數(shù)據(jù)中心,達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)成本、提升網(wǎng)絡(luò)效益的目標(biāo)。CORD初期版本分為相互獨(dú)立的平臺,即R-CORD(Residential CORD,家庭寬帶場景)、M-CORD(Mobile CORD,移動(dòng)通信場景)、E-CORD(Enterprise CORD,企業(yè)專網(wǎng)場景),最新版本將這些平臺的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能統(tǒng)一起來,打造成統(tǒng)一的通用的平臺。CORD代表著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的一個(gè)重要方向,國內(nèi)三大運(yùn)營商均已發(fā)布了自己的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)計(jì)劃。
2.1 以DC為中心的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)DC是承載虛擬化網(wǎng)元和專用硬件設(shè)備的新型網(wǎng)絡(luò)機(jī)房,是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的基礎(chǔ),網(wǎng)絡(luò)DC目標(biāo)架構(gòu)仍繼續(xù)保持四層架構(gòu),與現(xiàn)有通信局所的層級設(shè)置保持對應(yīng)關(guān)系,未來通用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備高密度集成,單機(jī)架高功耗、大體積、大重量趨勢對現(xiàn)有機(jī)房承重、電源空調(diào)等配套提出了更大的挑戰(zhàn)。以中國電信網(wǎng)絡(luò)DC化重構(gòu)為例,如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是以NFV(Network Function Virtualization,網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)和SDN(Software Defined Network,軟件自定義網(wǎng)絡(luò))為前提的。通過虛擬化技術(shù)在通用硬件平臺上虛擬化構(gòu)建計(jì)算環(huán)境,可以承載來自于運(yùn)營商或者第三方的MEC應(yīng)用,MEC節(jié)點(diǎn)可以與5G的NFV同平臺兼容部署。
為了平衡靠近用戶和提高效率(接入更多的用戶)的矛盾,初期MEC一般部署在城域網(wǎng)邊緣與基站之間,即邊緣DC至基站之間。
1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)目標(biāo)架構(gòu)
MEC改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)分離的現(xiàn)狀(運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)被管道化),將業(yè)務(wù)下沉到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣,為移動(dòng)用戶提供計(jì)算和緩存的能力,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從接入管道向信息化服務(wù)使能平臺的關(guān)鍵跨躍[3]。業(yè)務(wù)層面做到服務(wù)的本地化和網(wǎng)絡(luò)能力的對外開放,從網(wǎng)絡(luò)層面使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。
2.2 MEC與CORD
網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的本質(zhì)是“邊緣計(jì)算”,并強(qiáng)調(diào)面向“多接入邊緣計(jì)算”的單一開放平臺,MEC部署也需要根據(jù)業(yè)務(wù)的不同需求,部署在網(wǎng)絡(luò)合適的位置,分為邊緣級、區(qū)域級和地區(qū)級。因此MEC是應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的一種實(shí)現(xiàn)方式。
(1)MEC架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中“控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離”目標(biāo)一致。當(dāng)MEC部署在靠近用戶/接入側(cè)時(shí),核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)功能將分布在網(wǎng)絡(luò)的邊緣,會造成大量的網(wǎng)絡(luò)資源占用。通過將核心網(wǎng)的控制面與用戶面分離,簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí),控制面的集中可解決信令迂回和接口過載等對網(wǎng)絡(luò)資源占用的問題。
(2)MEC多層云化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中“網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化”思路一致。由于MEC的部署位置靠近用戶/接入側(cè),不能充分發(fā)揮核心DC帶來的性能優(yōu)勢,所以需要引入多層云化的構(gòu)架,將軟件功能按照不同能力屬性分層/解藕部署,在有限的資源下實(shí)現(xiàn)高可靠性和靈活性。
(3)MEC帶來的網(wǎng)絡(luò)能力開放,使得網(wǎng)絡(luò)更加智能,可以充分挖掘網(wǎng)絡(luò)的效益,與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)保持一致。MEC部署節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)感知,并針對性地進(jìn)行智能體驗(yàn)的優(yōu)化,大大提升用戶體驗(yàn),從而提升網(wǎng)絡(luò)效益。
2.3 MEC與5G關(guān)鍵技術(shù)
現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,采用扁平化結(jié)構(gòu)依然解決不了傳輸距離帶來的時(shí)延限制(光纜傳輸時(shí)延極限),不能滿足超低時(shí)延業(yè)務(wù)需求。一些區(qū)域性業(yè)務(wù)不能在本地終結(jié),既占用較大帶寬,也增加了時(shí)延。因此,時(shí)延和帶寬指標(biāo)決定了5G業(yè)務(wù)不可能全部終結(jié)在核心側(cè)的云平臺。MEC部署在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè),一方面,邊緣服務(wù)在終端/邊緣設(shè)備上運(yùn)行,解決時(shí)延的問題;另一方面,MEC將存儲與計(jì)算能力下沉,提供智能化的業(yè)務(wù)調(diào)度機(jī)制,將業(yè)務(wù)和內(nèi)容緩存本地化,讓相關(guān)區(qū)域性業(yè)務(wù)在本地終結(jié)而不是在云端終結(jié)。
(1)C/U(Control plane/User plane,控制面/用戶面)分離
通過控制面與用戶面的分離,用戶面網(wǎng)關(guān)可以獨(dú)立下沉至移動(dòng)邊緣,可以較好解決MEC部署帶來的計(jì)費(fèi)和安全問題。因此,C/U分離技術(shù)也是MEC的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。C/U分離在LTE時(shí)代就已經(jīng)開始,核心側(cè)網(wǎng)元MME(Mobility Management Entity,移動(dòng)性管理實(shí)體)和SAE-GW(System Architecture Evolution Gateway,系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)-網(wǎng)關(guān))的架構(gòu)就已經(jīng)將控制與轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行了分離。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)網(wǎng)元功能虛擬化,即NFV,從而可以采用SDN對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行控制。
(2)網(wǎng)絡(luò)切片
網(wǎng)絡(luò)切片可以讓運(yùn)營商在一個(gè)硬件基礎(chǔ)設(shè)施切分出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)(邏輯上進(jìn)行隔離),滿足各種類型服務(wù)的不同需求。NFV將網(wǎng)絡(luò)功能軟件全部部署在商業(yè)服務(wù)器上的虛擬機(jī)(VM),而不用單獨(dú)部署在專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上,因此NFV是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片的一個(gè)先決條件。虛擬機(jī)之間的連接由SDN負(fù)責(zé)配置。
MEC可以按照網(wǎng)絡(luò)切片的劃分支持對時(shí)延要求最為苛刻的業(yè)務(wù)類型以及本地海量大連接等業(yè)務(wù),從而成為URLLC、eMBB等切片中的關(guān)鍵技術(shù),MEC可以進(jìn)一步按照業(yè)務(wù)、服務(wù)提供商、用戶等維度對業(yè)務(wù)進(jìn)行精細(xì)化區(qū)分。
(3)MEC與CDN(Content Delivery Network,內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))
CDN應(yīng)用場景的關(guān)注點(diǎn)是“分發(fā)加速”,而MEC不僅要“加速”,還擁有開放API(Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口)能力以及本地分析、計(jì)算、存儲等能力,讓網(wǎng)絡(luò)更加智能化。與CDN相比,MEC可以更靠近無線網(wǎng)邊緣,因此時(shí)延更小;CDN未來的演進(jìn)方向之一是與邊緣計(jì)算的融合。MEC與CDN的對比如表2所示:
表2 MEC技術(shù)與CDN對比
3 基于MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹
3.1 基于LTE網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案
在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,MEC的部署位置主要有以下3個(gè)方案[5],如圖2所示:
圖2 基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案
(1)邊緣級MEC部署于靠近基站側(cè)(基站或者BBU集中放置的機(jī)房),此方案時(shí)延最小,但是覆蓋的基站數(shù)相對較少,適合于本地分流場景。
(2)區(qū)域級MEC部署與接入環(huán)與匯聚環(huán)之間(邊緣DC),此方案時(shí)延也較小,覆蓋范圍相對較大,比較適合較大場館場景。
(3)地區(qū)級MEC部署在核心側(cè)(核心DC),此方案覆蓋面積最大,時(shí)延也最大。因?yàn)槟軌蚪鉀Q跨地域傳輸覆蓋的問題,可以用于公眾業(yè)務(wù)和行業(yè)業(yè)務(wù)場景。
以上三種方案適用于不同的業(yè)務(wù)需求場景,可以綜合考慮覆蓋面積、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況等因素,滿足條件的情況下,盡量靠近無線側(cè)部署。MEC在網(wǎng)絡(luò)中的位置如表3所示:
表3 不同部署方案MEC服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中位置
3.2 基于5G網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案
在5G時(shí)代,MEC部署位置有兩種方案,如圖3所示。一種是部署在基站后面,另一種是部署在GW-UP(Gateway-User Plane,用戶面網(wǎng)關(guān))后面。如果部署在基站后面,使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)離用戶更近,終端發(fā)起的業(yè)務(wù)經(jīng)過基站、MEC服務(wù)器1到互聯(lián)網(wǎng)/第三方內(nèi)容服務(wù)。用戶面功能下沉到用戶側(cè)(GW-UP),此時(shí)部署在GW-UP后面的MEC,與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)方案比較,可以為用戶提供低時(shí)延、高帶寬服務(wù)。
圖3 基于5G網(wǎng)絡(luò)的MEC部署方案
4 目前進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)
4.1 進(jìn)展與案例分析
(1)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況
2014年,ETSI成立了相關(guān)組織,開始推進(jìn)移動(dòng)邊緣計(jì)算相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作;2016年將MEC概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing),并將其能力從電信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)延伸到其他無線接入網(wǎng)絡(luò)(如Wi-Fi網(wǎng)絡(luò))[2]。包括NGMN(Next Generation Mobile Networks,下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))、3GPP和CCSA(China Communications Standards Association,中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會)在內(nèi)的其他標(biāo)準(zhǔn)化組織也在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3GPP在4G時(shí)代制定了本地應(yīng)用和業(yè)務(wù)優(yōu)化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但是無法滿足MEC的完整功能的實(shí)現(xiàn);在R15標(biāo)準(zhǔn)中,5G端到端設(shè)計(jì)就將MEC本地分流作為需求和特性進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)無線側(cè)提出支撐邊緣計(jì)算功能;R16階段將進(jìn)行跨層優(yōu)化和對網(wǎng)絡(luò)能力開放進(jìn)行規(guī)劃。
2013年諾基亞西門子公司與IBM推出在一款計(jì)算平臺上實(shí)現(xiàn)MEC,并于2014年支撐中國移動(dòng)進(jìn)行了MEC平臺建設(shè);華為是邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)起者、移動(dòng)邊緣計(jì)算方案提供商,2015年商用“室內(nèi)全聯(lián)接解決方案”,為商家和用戶提供基于位置的推送、導(dǎo)航等業(yè)務(wù);中興通訊也推出基于室分與5G的MEC解決方案;英特爾2016年發(fā)布了M端到端解決方案白皮書;2017年上半年,華為公司已經(jīng)在全球承接70多個(gè)MEC商用技術(shù)案例。
(2)商用方案介紹
MEC商用主要從以下幾個(gè)方面入手,虛擬化、邊緣CDN(即CDN下沉)、高精度定位、視頻用戶QoS優(yōu)化、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、比賽直播視頻編排等。中國移動(dòng)推出了F1賽車比賽直播視頻編排應(yīng)用,中國電信也開展了移動(dòng)CDN、商場導(dǎo)航及業(yè)務(wù)推送等應(yīng)用。圖4是一個(gè)典型MEC商用網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,通過MEC分流本地業(yè)務(wù),同時(shí)可以通過接口開放提供靈活服務(wù)。典型的MEC應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示:
圖4 目前已應(yīng)用MEC系統(tǒng)
4.2 面臨的問題與挑戰(zhàn)
(1)計(jì)費(fèi)和安全問題的挑戰(zhàn)
因?yàn)镸EC技術(shù)將服務(wù)下沉,對本地分流的業(yè)務(wù)無需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的核心側(cè),因此無法由P-GW提供計(jì)費(fèi)話單并與計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)連接,在5G的NSA(Non-standalone Architecture,非獨(dú)立組網(wǎng))版本下,同樣存在這樣的問題。核心側(cè)下沉可以解決網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化帶來的計(jì)費(fèi)問題,但是采用什么方式計(jì)費(fèi)也成為需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。
MEC服務(wù)為第三方合作伙伴提供了更加開放靈活的網(wǎng)絡(luò),通過向第三方的開放,為運(yùn)營商的創(chuàng)新業(yè)務(wù)提供了條件。與此同時(shí),無線網(wǎng)絡(luò)的封閉性被打破,對網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全提出了挑戰(zhàn)[6]。同時(shí),MEC靠近用戶側(cè)部署,其物理設(shè)施的保護(hù)也是需要考慮系統(tǒng)性能和硬件保護(hù)成本[7]。
(2)產(chǎn)業(yè)鏈與商業(yè)模式的挑戰(zhàn)
目前在MEC產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟、盈利模式不清的情況下,業(yè)務(wù)提供者、業(yè)務(wù)運(yùn)營者和業(yè)務(wù)使用者均尚處于培育階段,如何才能有效盈利是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)往前發(fā)展的重要?jiǎng)恿8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9],中國移動(dòng)目前提出的主要商用模式為賽事VR直播、區(qū)域視頻監(jiān)控等本地分流業(yè)務(wù),大型商場的室內(nèi)定位業(yè)務(wù)(后向收費(fèi)),車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及視頻加速業(yè)務(wù)。
5 MEC技術(shù)展望
高速率、低延時(shí)是5G網(wǎng)絡(luò)的基本要求,MEC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一要求的必然,MEC給網(wǎng)絡(luò)能力帶來的提升將大大推進(jìn)其規(guī)模商用的腳步。同時(shí),MEC存儲資源、計(jì)算能力也不是無限的,如何快速識別熱點(diǎn)內(nèi)容,如何將過時(shí)內(nèi)容快速釋放,如何快速響應(yīng)用戶需求變化等智能化要求會成為MEC技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。另外,“去中心化”帶來的計(jì)費(fèi)、安全、資源競爭等也是MEC技術(shù)所要考慮的重點(diǎn)問題。
對掌握的無線接入邊緣資源進(jìn)行挖掘分析,為運(yùn)營商在移動(dòng)邊緣入口的服務(wù)創(chuàng)新提供了無限可能,有望扭轉(zhuǎn)運(yùn)營商被互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)OTT(Over The Top,過頂傳球,具體指互聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務(wù)依托運(yùn)營商承載網(wǎng)絡(luò),而運(yùn)營商僅能收取流量費(fèi),網(wǎng)絡(luò)被管道化)的現(xiàn)狀。相信MEC規(guī)模部署后,盈利模式、第三方參與的積極性等商務(wù)規(guī)則將有很大的變化。
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