边缘计算中的网络建设需求分析

李昳

摘   要：文章系统介绍了移动边缘计算关键技术，详细分析了MEC网络平台架构及功能，对于典型与应用场景中的数据分流业务进行了论述和介绍。在5G网络应用中，MEC技术通过为移动网边缘，无线接入网提供IT服务，同时提供强大的云计算能力，满足了本地化业务、近距离部署的功能要求，极大地提高了用户体验。

关键词：5G网络;移动边缘计算;关键技术;典型场景;数据分流

随着2019年5G元年的开启，智能生活、学习、娱乐终端、智能物联网终端、云计算、海量数据中心业务应用（在线娱乐、在线教育）、内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）、软件定义网络（Software Defined Network，SDN）等新业务快速增长的巨大业务需求下，如何有效解决低时延、高负荷、高带宽位置感知、信息感知等业务需求，成为5G时代移动互联解决问题关键的方向。2014年9月，欧洲电信标准化协会首次提出了移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）概念并组建了研究小组，针对MEC框架、技术服务要求和场景、参考架构、MEC平台功能构件（无线网络状态信息管理、数据分流、终端用户位置定位）等进行了研究和规范。MEC技术通过为移动网边缘，无线接入网提供IT服务，同时提供强大的云计算能力，满足了本地化业务、近距离部署的功能要求，极大地提高了用户体验。因此，MEC也成为5G网络关键技术之一[1]。基于在 LTE 网络模式条件下，对边缘终端计算能力的要求越来越高，尤其是对虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术、4K/8K超高清监控视频、游戏应用视频等带宽要求较高且内容难以承载的应用，还有对时延要求极小的车联网、增强现实（Augmented Reality，AR）等应用场景，都需要利用边缘终端计算来逐一实现。

1    5G网络中的MEC关键技术

1.1  MEC内容感知技术

基于LTE技术的移动网络商业模式以及资费相对单一，属于“哑管道”模式，缺乏业务及用户感知能力的把控。5G网络有效地解决了内容感知的问题，MEC充分利用本地网络资源，可以很好地对网络流量进行细化，实时分析其内容，有机地整合了网络业务、用户与数据间的关系。MEC通过对移动边缘的用户与业务识别，提供差异化用户服务体验，极大地提高了网络服务质量。MEC无线侧感知技术通过核心网或终端深度包解析（Deep Packet Inspection，DPI）用来应用层信息传递、关键字段匹配统一资源定位符（Uniform Resource Locator，URL）信息、超文本传输安全协议（Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer，HTTPS）数据加密等，实施本地化、分布化、近逼用户服务等策略，进一步优化了时延需求。

1.2  跨层优化与开放性网络服务

MEC靠近无线侧，对于底层无线物理信息和高层应用服务信息的获取更加便捷，对于传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）优化、视频优化等跨层优化业务更加具有优势，也是优化网络资源和提升网络性能的重要技术手段。由于海量视频数据应用与传输，数据带宽和数据流的处理要求更加流畅和快捷，利用无线侧MEC服务器，对无线信道带宽进行盲测，动態选择视频分辨率，引导视频传播质量的吞吐率，极大地提升了视频数据传播的稳定性和可靠性。另外，MEC技术对无线底层信息进行优化处理，及时跟踪、选择合理传输信道，很好地对TCP数据进行优化，很好地解决链路资源及丢包等问题，MEC还可以对RAN调度进行优化，满足不同用户对无线资源申请应用的问题。另外，5G网络更加深度融合第三方网络，实现无界性连接，对网络监控、网络基础服务、网络切片编排管理、反向能力、服务质量（Quality of Service，QoS）控制、网络信息处理和应用进行了更为有效的开放。同时不断引入云计算、海量数据中心业务应用，CDN，SDN，AR等新技术，网络服务能力更加开放。欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）定义的MEC设备南向接口以及用于应用层的北向接口等标准化接口技术，是5G开放功能的有力支撑和有机组成部分[2]。

1.3  C/U分离和网络切片技术

5G及MEC另一个关键技术是解决如何进行流量计费和安全支付问题。通过实施C/U分离技术，很好地分离用户面和控制面，造成了用户面网关可以独立沉入移动边缘，对用户需求实施流量计费，确保了系统的安全性能。5G网络切片可以在物理网络基础设施上区分业务类型，从而形成端到端的逻辑子网络。MEC业务感知功能与5G网络切片技术相似度较大，但是两者区分流量目的、精细度和方式上有差别，如表1所示。

MEC对时延要求极为严格的业务类型提供支持，极大丰富了网络切片技术应用。

2    MEC网络平台架构与场景应用

2.1  MEC网络平台架构

MEC网络平台主要包括MEC平台基础设置层、MEC应用平台层、MEC应用层等3层结构。MEC技术通过对3G，4G等无线网络进行优化，增加了网元等结构，其业务本地化和近距离部署能力明显增强。在实际应用场景中，MEC平台可以概括为室内微基站场景和室外宏基站场景。考虑到MEC可以嵌入到宏基站以及微基站的覆盖范围以及服务w用户数，MEC应用平台需要以本地汇聚网关模式布置多业务应用，实现基站覆盖区域内多种业务的运营。

微基站具有一定的覆盖范围和服务用户数的功能要求， MEC网络平台主要为本地汇聚网关应用模式。多个业务应用可以同时部署在MEC网络平台上，支持基站覆盖区域内网关汇聚、用户本地网关、用户和网络大数据分析、开放第三方应用等多种业务运营。在室外宏基站场景应用中，考虑到基站的计算与数据储存需求，MEC平台功能可以直接嵌入宏基站中，用来满足网络时延、网络利用率、无线网络上下文信息获取和垂直业务应用的建设需求。

MEC网络平台基础设施层采用网络功能虚拟化技术，主要包括多种类型的服务器，为底层各种硬件设施提供计算、数据存储、数据传输支持。MEC应用平台层通过MEC应用平台管理系统，实施的虚拟化管理和应用平台开发基础设施是MEC虚拟化管理服务主要对象，满足应用层独立运行的环境要求。MEC网络应用平台层主要实现大数据分析、服务注册、数据分流、网络自组织（Self-Organized Network，SON）、无线网络信息管理、网络加速等功能，MEC 应用平台层广泛采用开放式应用程序接口（Application Program Interface，API）向MEC应用层进行接口服务。MEC網络应用层采用虚拟化虚拟机（Virtual Machine，VM）网络架构，将MEC应用平台层的各种应用进行虚拟化封装，实现网络业务优化、本地分流、用户定位、AR、无线缓存等应用需求。同时根据ETSI定义的MEC标准接口为软件开发商、第三方业务应用方提供开放的服务能力，从而满足客户对无线网络的低时延、高带宽传输的建设需求[3]。

2.2  MEC网络应用场景案例

MEC网络平台架构及主要应用功能中，基于MEC本地流量爆发主要应用为在长期演进（Long Term Evolution，LTE）基站与核心网进行串接MEC平台，按照IP分流规则进行系统设定，主要应用有本地超低时延与超高带宽业务需求。其工作原理为用户体验（User Experience，UE）接入网应用与某项业务时，从核心网获取IP地址并提出初始化IP请求，并识别出IP数据包的端口、地址、UE、ID等信息，随后同本地数据服务器建立链接关系，实现本地分流[4]。

MEC平台可以通过域名系统（Domain Name System，DNS）查询IP指定地址实现数据分流功能。通过本地分流规则、DNS查询规则以及公网IP分流规则实现终端与本地网络、核心网之间的互联互通;同时可以实现特定IP业务/用户从本地代理服务器接入到分组域网络，实现选择性IP数据分流在公网业务中的公开透明化应用。对于终端用户控制面数据（S1-C），MEC平台可以允许公网和本地业务直接传递到核心网，实现传统LTE网络应用终端鉴权、注册、业务发起、切换等工作业务流程。MEC网络对于公网业务中的上行用户面数据可直接传输到核心网服务网关（Serving GateWay，SGW）设备上进行处理，而把适用与分流规则的本地上行数据进行分组，可通过路由转发到本地网络。对于下行用户面数据同样是对于本地数据流进行分组，封装成GTP-U数据包发送给目的基站，公网数据则直接转发给基站处理。

3    结语

移动边缘计算中的网络建设，有效地解决了低时延、高负荷、高带宽位置感知、信息感知等业务需求过程存在的技术难题，MEC通过对移动边缘的用户与业务识别，提供差异化用户服务体验，极大地提高了网络服务质量。对用户需求实施流量计费，也确保了系统的安全性能。MEC网络关键技术的应用更是满足了不同典型应用特征需要，具备更加广阔的应用空间。

[参考文献]

[1]张卓筠，贺晓博，高功应，等.5G网络能力开放需求和解决方案研究[J].邮电设计技术，2016（7）：9-11.

[2]戴晶，陈丹，范斌.移动边缘计算促进5G发展的分析[J].邮电设计技术，2016（7）：4-8.