MEC在移动网中的部署及应用

孔令义，武俊芹（中国联通河南省分公司，河南郑州 450008）

1 概述

1.1 MEC的概念

边缘计算是在靠近数据产生的源头，融合网络、计算、存储、应用等构建新的网络结构和开放平台，使得数据在源头就能够得到及时有效的处理，从而不需将数据传送至远端的云计算中心分析处理，这样大大减少了系统延迟，节省传输带宽，并提高业务服务质量及可靠性。相对于传统网络结构的诸多优势及广阔的应用前景，边缘计算受到了各大标准组织的关注。

欧洲电信标准化协会（ETSI）在2015 年发表移动边缘计算（MEC）的白皮书，所定义的MEC 系统支持将计算任务卸载到移动网络边缘节点。随着研究的推进，2017 年3 月ETSI 拓展了MEC 的含义，将mobile edge computing 演进为multi-access edge computing，以支持Wi-Fi、有线网络等非3GPP 的接入，突出了移动和固定网络的融合。本文的讨论主要集中在移动网络的接入场景。

3GPP 也将MEC 加入5G 网络结构，成为5G 的一项关键技术，进一步推动了MEC的发展。

1.2 运营商部署MEC的意义

MEC 的部署对于电信运营商来说有很重要的战略意义，可以帮助电信运营商提高网络效率，深度介入内容，提高服务质量等。具体分析如下：

首先，MEC 的部署可以使得移动业务不必全部回传到核心网处理，节省带宽，降低业务时延，减少内容重复传输，提高了网络效率。

其次，电信运营商并未从互联网及云计算的大发展中获得很大收益，甚至面临着“管道化”以及利益“边缘化”的威胁，而MEC 的出现会使这种局面得到改观。电信运营商丰富的机房资源为其部署MEC 提供了天然优势，可以将MEC 部署在更贴近用户的位置。并通过推进云网融合，打造开放、开源的边缘业务PaaS 平台，为应用开发者提供丰富的业务平台能力和统一的API，拓宽行业应用，加快产业落地。把应用内容下沉到网络边缘，帮助内容提供商降低网络成本。这将促进电信运营商和OTT、垂直行业深度合作，实现多方共赢。

再次，MEC 是5G 提升服务应用能力的重要手段，是优化业务体验的最后一公里。未来MEC 的部署将同无线覆盖同样重要，通过MEC 可以识别用户和具体的业务，合理利用链路以及调度网络资源，针对不同的用户及业务实现差异化服务，为丰富多样的应用（如4K/8K 超高清视频、VR/AR、V2X 等）提供良好体验质量（QoE）。实现5G 网络的智能化，促进运营商由哑管道向智能管道转型。

2 MEC在4G网络的部署及应用

在4G 网络中，MEC 可部署在基站和核心网之间，MEC 通过解析基站和核心网之间的S1 接口信息来实现业务分流。对于控制面数据，MEC 将其透传至核心网，和传统4G 网络没有区别。对于用户面数据，MEC解析数据IP 信息（IP 五元组）并根据配置的分流规则进行处理：若业务已在MEC 缓存，则由MEC 实现业务的本地处理，并将数据进行GTP-U 封装后下发至对应的基站和用户；若无法在MEC 处理，依然回传至核心网处理，MEC则相当于一个透明的传输通道。

根据应用场景的需求不同，MEC 可部署在基站和回传网络之间、接入环和汇聚环之间、汇聚层和核心网之间。不同部署方式的时延、覆盖范围等有所不同，在满足覆盖需求的前提下，尽量靠近无线侧部署。目前在ETSI 以及3GPP 等标准中均未给出4G 网络中部署MEC的计费方案。

3GPP 的R14 版本中制定了CUPS 标准，在此标准中，用户面和控制面分离，SGW 被拆分为SGW-C、SGW-U，PGW 被拆分为PGW-C、PGW-U，重新组合为GW-C、GW-U，其他网元（MME、PCRF 等）没有变化。GW-C、GW-U 和其他网元的接口同传统网络中的接口是一样的，因此CUPS 的引入对现网的改动很小。实施CUPS 后，用户面可下沉到更贴近用户的位置，缩短业务访问路径，提升用户业务体验。此网络结构体现了5G 网络特性，MEC 可和GW-U 合设，由GW-U 承担计费、监听、鉴权等功能，但GW-U 和MEC 之间为私有接口，需要采用同一厂家设备。

目前MEC 在4G 网络中已有一些应用，主要集中在智能安防、智慧农业、CDN下沉等等。

2.1 基于MEC的CDN下沉

目前移动网络中50%的流量为视频，且在进一步增长之中，有研究表明，2020 年视频流量将占移动网络总流量的75%。而CDN 往往部署在省级IDC 机房，离用户较远，这使得大量视频内容在网络中重复传输并且占用大量骨干网络带宽。MEC 的引入则为CDN下沉至移动网络内部提供了方案，部署网络结构示意如图1所示。

图1 基于MEC的CDN下沉网络结构示意图

通过在移动边缘计算平台上部署CDN 服务器，将应用内容下沉至更贴近用户的网络边缘。内容提供商在自有DNS将服务指向本地CDN节点，MEC建立分流机制，将已缓存至本地的应用分流至本地CDN。目前，MEC 平台已实验性地部署在大学城这类视频、游戏等应用较集中的场所，有效降低了网络负荷，提升了游戏、视频等业务的体验。

2.2 智能安防

近年来随着各地智慧城市，雪亮工程的大规模建设，对智能安防的需求与日俱增。

4G+MEC 则为实现智能安防提供了良好的解决方案。摄像头通过4G 接入网络，充分利用了网络资源，使得管线不必接入每个监控点，降低成本和建设周期。MEC 则对摄像头采集到的流量进行本地分流，降低对4G 回传网络带宽消耗。云计算中心负责搭建基于AI的视频分析系统，实现对视频中各种异常场景的识别，并将判决规则下发至MEC，MEC 执行具体的判决，这样，MEC 仅需将判决后的异常场景回传至视频监控中心，减少无效视频回传，大大提高了效率。

但需要注意的是，MEC 在4G 中没有标准定义，无法实现端到端的解决方案，4G 网络中部署MEC 后，MEC 将对所有经过MEC 的业务进行解析以决定如何分流，这在某种程度上加大了其他业务的时延。同时，MEC 不具备计费功能，往往需简化计费或采用厂商私有方案计费。这些因素使得MEC 在4G 网络中的应用存在一定的限制。随着3GPP 将MEC 写入5G 网络标准，MEC在5G网络中将有着更为广阔的应用。

3 MEC在5G网络的部署及应用

5G 可以提供10 倍于4G 的峰值速率及用户体验速率，每平方千米百万的连接数以及超低的空口时延，呈现出了令人振奋的网络能力，必将在垂直行业获得广泛应用，为垂直行业的数字化转型带来重大机遇。MEC 则是5G 网络的关键技术之一，实现应用的本地化，提高5G 的eMBB、mMTC、uRLLC 三大应用场景各类应用的业务体验，有效支撑垂直行业应用。

面向服务的5G 网络架构和MEC 具有很高的契合度，3GPP 增加了NEF 以支持MEC 在5G 网络中的部署，UPF和MEC集成部署，来解决计费、QoS控制、合法监听以及业务连续性等问题。ETSI 所给出的MEC 在5G 网络中的融合部署示意如图2 所示，在此网络结构中，MEC 的编排器作为AF 和NEF 应用、UE 等信息的交互以影响5G 核心网的选路，若所访问应用在MEC内部部署，则通过N6 接口实现应用访问，实现业务分流。

5G 的网络架构将以数据中心（DC）为基础设施。MEC 与生俱来的NFV 属性可以使其灵活部署在5G 网络的各级通信云平台上，为取得良好服务体验，根据业务需求不同，MEC 尽可能部署在更贴近用户的地方。MEC在5G网络中的应用举例如下。

3.1 VR/AR应用

VR/AR 是近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等新一代信息技术相互融合的产物，在游戏社交、教育科普、工业智造等大众和行业领域有着广泛应用前景。目前，市场上VR 游戏或视频体验过程中普遍存在着眩晕问题，产生这种问题的因素有多种，图像、声音等不同步，分辨率不足，VR/AR 硬件性能限制是主要的3 个因素，解决好这3 个问题将是取得良好体验的关键。

当延迟小于10 ms 时，人类将无法察觉画面声音等的延迟，这将有效缓解眩晕。VR/AR 业务的理想分辨率为4K，可避免因纱窗效应而产生的眩晕，达到4K分辨率所需带宽需达到100 Mbit/s。在5G 的eMBB 场景下，可实现8 ms 的空口双向时延，100 Mbit/s 的用户体验速率和20 Gbit/s 的峰值速率，这很好地满足了VR/AR 业务需要。但同时，5G 的空口时延为8 ms，距离10 ms 的最大时延仅有2 ms 时延余量，如果VR/AR应用距离用户太远，依然不能取得良好体验，因此，MEC 的部署就很有必要。MEC 可部署在无线接入局点，实现区域性覆盖，尽可能降低时延，将VR/AR 所产生的大流量疏导在网络边缘，减小骨干网压力。而且，在超低时延下，终端可以将渲染、计算功能卸载至MEC，实现云端渲染，解决VR/AR 渲染能力不足，互动体验不强等痛点，极大降低对VR/AR 硬件性能需求，促进应用推广。

图2 MEC在5G网络中融合部署结构示意图

3.2 车联网应用

车联网是5G非常重要的应用场景之一，也是新型智能交通体系的重要组成部分。基于5G网络实现车、路、人之间的通信技术C-V2X（Cellular Vehicle to X）是实现车联网的重要技术。按照5G网络特性，车联网可以覆盖大带宽类（eMBB）、大连接类（mMTC）、超低时延高可靠类（uRLLC）3 种业务类型，实现车载高清视频、车辆监控、自动驾驶、编队形式等一系列场景应用。

基于服务化架构以及按需切片的5G 网络可以满足车联网丰富应用场景的不同需求，面向车联网的云平台则需要边缘云和区域云2层架构组成。区域云平台负责全局算法，实现路径动态规划等，边缘云平台负责车辆的信息采集、处理超低时延业务等，并将处理后的有用信息回传至区域云平台统一管理。车联网云平台部署架构示意如图3所示。通过区域云和边缘云对不同业务的分工协作，提供丰富的应用，构建高效的智能交通系统。

图3 车联网下MEC部署示意图

车联网应用中的MEC 部署则应尽量靠近基站。以自动驾驶为例，自动驾驶属于超低时延业务，1 ms是其理想时延，而uRLLC 场景下的单向空口时延为0.5 ms，此时给业务回传几乎没有留下时间。为取得理想时延，MEC 需在站点机房和CU 或者CU/DU 一体化的基站融合部署，消除传输时延。当然，在自动驾驶应用场景中，MEC 可独立工作，不必由区域云平台提供服务。

总体来看，MEC 将是5G 各垂直行业应用实现边缘部署的重要手段，将广泛应用于5G 中诸如智慧电力、联网无人机、远程医疗、智能港口、智慧城市等等一系列垂直行业，将是运营商实现业务多元化的重要帮手。

4 结束语

目前，3GPP 和ETSI 等标准组织加快了对MEC 的研究，三大运营商争相发布移动边缘计算行业产品，包括行业客户对MEC 的重要性已达成共识。本文对MEC 在4G、5G 网络中的部署和应用做了研究和探讨，以期对MEC的建设提供参考。同时，MEC的分布式和异构性等特点为运营商对其统一管理带来了难度，存在一系列的应用安全、信息安全、系统安全等问题，需要进一步的关注和研究。