5G网络中移动边缘计算MEC技术研究

刘飞飞

(山西大学商务学院,山西 太原 030031)

0 引言

伴随着5G时代的来临，人们对于在线教育学习、在线娱乐、远程医疗、智能生活、虚拟现实等业务的服务数量、质量及深度的需求在不断地升级，低时延、高负荷、高带宽的位置和信息内容感知成为5G网络必须具备的特性[1]。在推动5G网络实施发展的众多关键技术中，移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)扮演着不可或缺的角色。2014年9月，欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)首次对MEC的概念、参考框架及功能构建、技术等进行了研究和规范。移动边缘计算通过将计算能力、存储能力和业务服务功能迁移到网络边缘位置，来实现信息内容、各类应用及服务的本地化、分布式、近距离部署，可以有效缩短移动业务端到端的时延、降低核心网络的传输负载、提升服务的质量和可靠性，助力5G网络的eMBB(增强移动带宽)、uRLLC(低时延高可靠)及mMTC(海量大连接)等三大典型应用场景。

1 移动边缘计算中的关键技术

1.1 网络功能虚拟化NFV

网络功能虚拟化结合了虚拟机技术和网络，充分实现了软件与硬件的解耦，将网元的软件功能部署在基于x86架构的标准通用的硬件服务器上；同时，利用软件来实现和管理网元转发及控件功能，进而取代传统的物理网络设备。在移动边缘计算中，核心设备移动边缘计算服务器就是部署在移动接入网边缘的虚拟化软件环境中，完成对诸如本地分流、增强现实、业务优化、定位等第三方应用的相关资源的管理。而第三方应用服务也是以虚拟机实例的形式部署于移动边缘计算的服务器中，通过移动网络能力，满足用户不同类型、层次的本地化服务请求。

1.2 软件定义网络SDN

软件定义网络利用可编程接口实现由软件对于网络的集中控制，从而把网络设备从控制功能中分离出来，形成一种全新的网络体系架构。它的主要工作机理体现为集中控制、分布转发，控制层面在提供向上的可编程能力的同时，通过南向通信接口来集中控制转发层面上的网络设备。移动计算在向靠近接入侧的移动网络边缘部署的过程中，移动核心网络的部分功能也必须迁移至接入网络的边缘，必然会带来接口配置、对接及测试等问题，这些都可以通过可编程的SDN技术得到解决。SDN技术帮助5G网络完成了核心网络中用户面和控制面的分离，通过统一的API接口对不同的服务进行调用，使得网络的管理和控制更加灵活。

1.3 云计算AAAC

云计算技术的重点是网络的IT化重构，它通过IT将计算、存储、网络等硬件资源虚拟化为对外提供统一基础设施能力的虚拟资源。移动边缘计算以“云网融合，云网协同”为目标，将网络边缘的虚拟(云)化资源与核心网络的资源相结合，提供公有云、私有云及混合云三位一体的服务[2]。采用云计算的无线接入网络，可以将需要实时计算与存储的基带处理业务下沉到边缘计算服务器上，有效缓解基站容量受限、处理能力受限等问题，更具有弹性和灵活性。不同于集中部署的数据中心，分散的边缘计算服务器的容量一般较小，云化IT架构的引入，可以根据能力属性的不同对软件功能进行分层的解耦部署，在有限的资源条件下保证服务的高质量和可靠性。

2 移动边缘计算的结构

遵循ETSI的MEC规范，不同个人及企业提出了自己的MEC体系参考架构，其中一种得到广泛认可的参考架构根据实现功能的不同将MEC系统划分为网络、MEC主机和MEC系统三个不同的层次。网络层涉及3GPP网络、本地网络和外部网络等外部实体，主要负责将MEC系统接入网络中。如图1所示，MEC主机层和MEC系统层是MEC参考架构的核心：MEC主机层包含了MEC主机(分为MEC平台、MEC应用和虚拟化基础设施)以及MEC主机管理器；MEC系统层主要由面向用户服务门户、用户终端应用、用户应用生命周期代理、操作支持系统及移动边缘编排器等组件构成。

图1 MEC体系参考架构

在MEC主机层中，虚拟化基础设施可以为MEC主机中的MEC应用提供计算、存储和网络资源，并为其持续存储与时间相关的信息。同时，包含在虚拟化基础设施中的数据转发平面可以为从MEC平台接收的数据执行转发规则，完成各类应用、服务和网络之间的路由。数据流量转发规则是由MEC平台从MEC平台管理器、MEC应用或MEC服务处接收而来的，根据转发规则的内容，MEC平台可以向虚拟化基础设施中的数据转发平面发送命令。另外，MEC平台还可以通过对本地域名系统代理服务器进行配置，将数据流量重定向到相关的应用和服务上。不同的MEC平台之间也能够进行通信互联，完成MEC系统间的分布式协作。

在MEC系统层中，运营商通过面向客户服务门户来为第三方客户订阅并监控MEC应用。用户应用周期生命代理负责接收MEC应用在用户终端应用处发起的操作。操作支持系统接收来自面向客户服务门户和用户应用周期生命代理发起的MEC应用实例化或终止实例化的请求，决定是否授权请求，并将MEC应用的镜像加载到MEC编排器中。最终，由MEC编排器进行资源等计算决定将MEC应用部署在哪些MEC主机上。

综上所述，MEC系统由MEC系统层来进行MEC的管理，利用MEC主机上虚拟化基础设施提供的资源完成MEC应用的实例化，根据数据转发平面加载的MEC应用分流规则来进行业务的分流，并通过MEC平台上的MEC服务开放无线网络能力服务以供MEC应用消费。

3 移动边缘计算的部署

3.1 部署网络结构分析

移动边缘计算MEC主要提供基础设施资源编排、应用实例化及应用规则配置等功能，功能相当于若干应用选择控制器，所以，可以将MEC以AF(Application Function)的角色部署于5G网络系统中，承担MEC中的应用和5G系统控制面交互的工作。对于MEC系统来说，MEC主机中的数据转发面可以由5G系统中的UPF来实现，但由于UPF受到SMF/PCF控制，不可避免地存在着分歧。为了使得MEC系统作为AF部署于5G系统进一步标准化，ETSI MEC在2018年3月通过了5G CoreConnect Feature，这将使得MEC系统可以具有以下新的特性：

1) 代表应用向5G中的网络开放功能NEF模块发送所需的业务路由及策略控制请求。

2) 从5G中的网络开放功能模块NEF或其它功能模块接收通知，根据诸如数据网络接入标识(Data Network Access Identifier,DNAI)的UPF位置等通知信息，MEC系统可以选择一个合适的MEC主机，并在其上实例化所请求的应用。

3) 从5G中的网络功能开放模块NEF或其它核心功能模块接收用户面路径管理事件的通知，并利用接收的消息内容将应用实例重定位到一个特定的MEC主机上。

当前MEC系统尚未设计具备5G CoreConnect特性的功能模块，在以后的MEC系统设计中，可以从移动边缘计算MEC系统的系统层和主机层分别进行新功能的植入，如图2所示[3]。移动边缘计算MEC是一个多接入系统，需要与Wi-Fi、固定接入网络等不同系统进行消息的交互，在它的系统层中，操作支持系统OSS主要负责系统的运行和维护，移动边缘编排器MEO则重点决定应用的部署位置，因此，在这里引入5G核心接入代理模块(5G CoreConnect Proxy，5G CCP)并单独实现新特性，将会减少系统升级对于OSS和MEO模块的影响。5G核心接入代理可以通过向5G核心网发送AF request来告知其MEC应用及MEC应用实例在MEC主机上的分布情况，以便用户设备UE在需要该类MEC应用时，能够选择合适边缘位置的UPF，访问到UPF所连接的MEC主机。另外，当UE移动引起UPF位置变化时，5G核心接入代理还可以利用接收到的通知消息，根据需要新建或者重定位相关的MEC应用实例。同样，也可以在MEC系统的主机层的MEC平台上加入一个独立的5G核心接入服务(5G CoreConnect Service，5G CCP)，用于实现MEC应用向5G核心网络动态发送AF request信息。通过以上两个5G新特性模块的构建，就可以将移动边缘计算MEC系统作为AF角色很好地无缝地部署到5G网络系统中。

图2 MEC在5G网络中的部署结构

3.2 部署位置分析

鉴于MEC系统级网络管理功能需要协调不同的MEC主机以及MEC主机与5G网络之间的诸如选择主机、应用迁移、策略交互等操作，通常会部署在省级层面的区域DC或者大区中心的中心DC。常说的MEC部署主要是指MEC系统中MEC主机的位置，它应以业务应用为向导，并协同UPF下沉与分布式部署。在实际的组网过程中，按照对于操作性、性能、安全等的不同需求，MEC主机的物理部署位置一般有四种不同的选择：与基站并置，和本地UPF均部署在无线网接入侧；与各传输节点并置，也可能会存在本地UPF；和本地UPF一起，与传输汇聚中心(节点)并置；和本地UPF一起，与核心网络功能并置。由以上可以看出，MEC可以灵活地部署在从边缘基站到核心网络的所有位置，其中UPF的存在主要是将流量引导向目标MEC应用程序和网络。

在5G网络规划的初期(2020年)，由于垂直行业需求还不明晰，首要满足视频类业务的各种需求，移动边缘计算MEC将仅考虑在重要地市的核心机房进行部署；伴随着虚拟现实、云游戏的拓展以及融合CDN(Content Delivery Network，内容分发网络)的下沉，到规划中期(2021年)，移动边缘计算MEC将深入部署至部分重要汇聚机房中；规划末期(2022年及以后)，根据不同的具体业务需求，移动边缘计算MEC可以更进一步地下沉到重要汇聚机房、普通汇聚机房，甚至园区接入机房等[4]。

4 结语

ETIS定义了移动边缘计算在5G网络中的应用场景，具体来说，分为三大类七大场景：内容分布化，如视频分流、增强现实和视频优化；应用本地化，如企业分流；计算边缘化，如车联网、物联网及辅助敏感计算[4]。鉴于移动边缘计算的出现，5G网络会让人们的生活更加的丰富和便利，但是移动边缘计算的发展过程中，仍然存在诸如可编程性、命名规则、数据抽象、服务管理、数据安全、理论基础及商业模式等一系列关键性的问题需要进一步的研究。