5G网络边缘计算MEC技术方案及应用分析

5G网络边缘计算MEC技术方案及应用分析陈志伟淳B宝;张阳【摘要】随着移动互联网和物联网业务的快速增长应用与业务对低时延提出了更高要求,以视频、网购、虚拟与增强现实为代表的新型业务均需要更低的网络时延为用户提供更好的体验,单纯提升速率是不足以在各种场景满足低时延要求的，需考虑将内容资源下沉到边缘网络,因此主要针对使用边缘计算MEC技术的内容本地化工具进行探讨，对MEC的应用场景、技术特点、实现方法以及部署方案进行分析，结合现网实际测试结果，提出MEC技术应用建议和后续需重点关注的问题.【期刊名称】《移动通信》【年(卷)，期】2018(042)007【总页数】5页(P34-38)【关键词】边缘计算;本地缓存;本地转发【作者】陈志伟;郭宝;张阳【作者单位】中国移动通信集团云南有限公司，云南昆明650041;中国移动通信集团山西有限公司仙西太原030032;中国移动通信集团公司，北京100033【正文语种】中文【中图分类】TN929.51引言5G将以人为中心的通信扩展到同时以人和物为中心的通信，机器类与人机无线通信在众多经济领域和行业的应用不断增多，对无线网络提出了大量而广泛的需求，表现在无线传输速率、移动性、终端功耗、时延和可靠性等方面［1］。极限移动宽带(eMBB,extremeMobileBroadBand)是5G的主要通信服务，其中超密集网络中用户对超大宽带数据业务的需求中，必然考虑到利用内容本地化及边缘计算(MEC,MobileEdgeComputing)来缩短时延，保障用户的业务需求及使用感知［2-3］。本文主要针对使用边缘计算MEC技术的内容本地化工具进行探讨，并结合现网实际测试结果，提出MEC技术应用建议和后续重点关注的问题［4］。2MEC技术架构MEC的技术特点是通信层面低时延、应用平台化和交互层面开放化，实现了对传统无线通信网络架构的变革和对无线网络业务支持潜能的挖掘和释放。传统无线通信网络由终端到业务端依次为：终端UE、基站eNodeB、传输承载网、核心网(EPC,EvolvedPacketCore)、业务平台，连接拓扑如图1所示。在逻辑位置顺序上，传统无线通信网络将无线承载网络与业务网(或业务平台)清晰地区分开来，业务平台在核心网之后，用户访问业务平台的数据均需通过无线接入网、传输网和核心网。图1传统无线通信网络架构随着移动互联网的快速发展，传统网络逐渐暴露出一些缺陷，如：业务响应时延偏大，数据业务量对传输网/核心网带宽需求越来越大，无线网完全被管道化(即仅具备传输无线数据的能力，无任务业务支持能力)。随着视频、虚拟/增强现实等移动互联网业务的进一步发展以及物联网、车联网、企业网等垂直行业应用的进一步挖掘，无线网络将面临超大连接、超大数据量和低时延要求的挑战［5］。边缘计算是在传统的无线基站与核心网之间引入MEC设备平台，如图2所示，将业务源通过MEC平台下沉到无线接入网络中，从而缩短了端到端业务时延，并减少了大连接和海量业务对核心网的资源消耗。MEC设备平台硬件由服务器、交换机和存储器三部分组成，软件上包括控制单元、计算单元和交换单元三部分。基于MEC平台的软硬件架构，运营商可以通过内部虚拟机内嵌支持各种业务应用，还可以在MEC背后搭建业务平台，通过本地数据转发和应用程序编程接口(API,ApplicationProgrammingInterface)接口开放，将业务数据转发到对应的第三方业务平台中，以支持丰富多彩的业务类型［6-7］。图2MEC无线通信网络架构MEC技术还具备交互层面开放化的技术特点，挖掘和释放无线网络对业务支持潜能。在移动网络边缘，通过MEC设备API接口的开放，运营商为应用程序开发者、内容供应商提供了云计算能力和IT服务环境，并能够对无线网络信息进行实时访问。从而使无线接入网络从单纯的数据管道变革为具备增值业务能力的无线资源网，通过这个无线资源网，结合定位、业务分流和本地化等功能和营销策略，运营商可以挖据多样化的增值业务，丰富数字化服务的内容和应用。3MEC关键技术3.1本地缓存MEC实现本地缓存需要具备缓存调度功能和内容存储功能，用户发起业务请求时，MEC将通过数据包解析感知用户业务请求内容，并判断该内容是否已缓存，若缓存则路由至本地存储服务器，若无缓存，则透明转发至核心网。该方案中为了实现有效的计费，需要探讨在核心网侧新增计费Charge节点的实现方案，该节点可为逻辑节点，功能在服务网关(S-GW,ServingGateway)与分组数据网关(P-GW,PDNSAEGW)中实现即可，本地内容缓存的网络架构如图3所示。在本地缓存功能中，因为流量从本地疏通转发，没有经过核心网P-GW，不能按照正常流程进行计费。计费存在多种解决方案，一种可行方案是通过依靠在核心网侧增加计费Charge节点实现，其中MEC负责统计本地缓存的流量信息，并上报给计费Charge节点，生成话单报给计费系统完成计费［8］。3.2本地转发MEC实现本地转发需要具备路由解析和地址转换能力，从而实现本地转发，与本地缓存不同，本地转发需要对终端IP地址进行转换从而能够接入到本地网络［9-10］。利用本地转发功能对本地企业网提供服务时，需要重点关注运营商网络和本地企业网之间的网络安全，本地企业网架构如图4所示。用户业务数据流通过MEC后将直接接入到本地企业网，这使得运营商无线网络与本地园区网直接相关联，目前可行的安全管理方案包括如下几种：（1） 物理端口隔离：MEC设置多个独立的物理端口，对连接本地网和EPC的端口进行隔离，以实现不同安全域的隔离，避免相互影响。（2） 逻辑端口隔离：本地企业网和外网数据通过本地网进行隔离，本地网数据通过IP转发，外网数据进行GPRS隧道协议（GTP,GPRSTunnelingProtocol）封装。（3） 防火墙安全控制：MEC与企业网之间部署防火墙，能够对二层网络攻击进行有效拦截和处理。（4） 接入控制（IP地址白名单）：如果开启白名单，则仅允许来自于白名单的主机与终端通信，来自于白名单的终端与主机通信。如有必要，还可以开启MAC绑定功能。3.3无线网部署方案分析由于MEC的技术具有低时延、内容源贴近用户并且具有区域覆盖的特点，所以MEC设备在组网上通常有两种部署位置：基站eNodeB侧和基站汇聚点侧，如图5所示。MEC设备部署在基站的eNodeB侧，可以采用独立设备，或与eNodeB板卡集成的方式（即在现有基站机框中插入板卡）。这种部署方式的优点是：对现有网络架构影响小，仅需升级改造所涉及的单个站点设备，操作相对简单。但缺点是：MEC业务将仅局限于此单个站点的覆盖范围，业务涉及范围较小，如果要实现大范围的MEC业务覆盖，所涉及的所有站点设备均需升级改造，投入相对较大。图3内容缓存网络架构图4本地转发网络架构MEC设备部署在基站汇聚点侧，通常采用独立设备，或通过插板卡的方式集成到BBU机框中。在具体实施中，如果现网已有集中无线接入网(CRAN,CentralizedRadioAccessNetwork)网络架构，则可以彳艮方便地利用CRAN架构，将MEC功能设备部署在基带处理单元(BBU,BaseBandUnit)汇聚点；若现网为传统分布式站点架构，则需对所涉及区域的无线接入网架构进行调整，将各个站点eNodeB通过光纤连接到汇聚点设备，通过汇聚点再与接入网传输设备连接，MEC部署在汇聚点侧。图5MEC无线网络部署方式4MEC现网试点效果4.1本地缓存为验证本地缓存性能，在现网开展了相关测试，测试区域4G站点数量为3站9小区，测试内容对比了无线缓存、核心网缓存和无缓存时视频、网页浏览等业务时延及下载命中率、传输带宽节省等。测试结果如表1所示。传输时延：相比未缓存，本地视频首包缓冲时延缩短20%，提升下载速率约50%。相比核心网缓存，无线缓存有增益，但优势不明显。下载命中率：高峰期无线缓存命中率可达17%，这主要和用户具有兴趣集聚性特点，虽然用户数不多，但用户的兴趣点可能类似，因此热点内容命中概率尚可。传输带宽节省：可节省传输带宽16%。测试结果表明，通过本地缓存拉近了用户和内容的距离，从而提升了4G用户网页下载及访问视频的业务体验；由于用户具有兴趣集聚性等特点，使得无线缓存命中率能够保持可接受的水准。表1MEC本地缓存实施效果网页下载视频访问吞吐率/MB-s-1吞吐量提升首缓冲时间/ms时延缩短未缓存3.32-360.7-核心网缓存3.8716.7%（VS未缓存）287.420.3%（VS未缓存）本地缓存5.668.7%（VS未缓存）44.6%（VS核心网缓存）265.6-26.4%（VS未缓存）7.6%（VS核心网缓存）4.2本地企业网转发MEC实现本地转发需要具备路由解析和地址转换能力，从而实现本地转发，与本地缓存不同，本地转发需要对UEIP地址进行转换，从而能够接入到本地网络。本地园区网测试了基于MEC的本地园区网ping时延，对比了本地转发和非本地转发情况下的ping时延，测试结果如表2所示，本地转发ping包时延缩短50%。表2本地园区网ping时延测试结果时延类型存在MEC不存在MEC增益ping时延23ms51ms55%5结束语基于MEC打造的新型4G网络具备提供低时延业务、面向垂直行业客户提供特色服务的能力。MEC的应用场景也主要围绕低时延，面向垂直行业客户的本地网进行拓展。当前MEC的研究虽然已取得了很多成果，但距离商用仍有一段距离，MEC部署位置需要综合考虑性能、管理复杂度、成本收益比等相关问题。初期，应尽量避免MEC全网使用，应在有需要的局部区域进行部署，最大化MEC提供低时延、本地服务的能力；MEC未来演进需考虑从无线网到核心网整体端到端协同，从网络整体架构的角度考虑如何融入MEC内容下沉的理念。参考文献：【相关文献】张建敏，谢伟良，杨峰义.基于MEC的LTE本地分流技术[J].电信科学,2017(6):154-163.许明元.5G低时延技术的应用浅析[J].移动通信,2017,41(9):90-96.俞一帆，任春明,阮磊峰.移动边缘计算技术发展浅析[J].通信世界,2017(11):46-48.李佐昭,刘金旭.移动边缘计算在车联网中的应用[J].现代电信科技,2017(3):37-41.姚姝姣.5G网络关键技术及应用场景研究[J].信息通信,2017(3):274-275.JianminZhang,WeiliangXie,FengyiYang,etal.MobileEdgeComputingandFieldTrialResultsfor5GLowLatencyScenario[J].中国通信，2016,13(S2):174-182.3GPPTS36.201.EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRA);LTEphysicallayer;GeneraldescriptionV13.2.0[S].2016.3GPPTS36.211.EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRA);Physicalchannelsandmodulat