基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

此係列文章作者分爲上中下三部分進行闡述,本文主要分享下部分內容,大綱簡述如下:
MEC 部署場景
MEC 在 4G 網絡中的部署
MEC 在 5G 網絡中的部署
MEC 應用場景

上部分內容概要:
ETSI MEC 標準化參考模型
MEC 架構設計原則
ETSI MEC 存在的問題

中部分內容概要:
MEC 與 5G 融合
MEC 接入 5GC 的方式
MEP 的服務開發框架
MEC 與 5G 融合架構示

1

MEC 部署場景

設計 MEC 解決方案時,還必須考慮 MEC 服務器在網絡中的位置。例如:可以位於 4G LTE eNB(宏基站)側、3G RNC(Radio Network Controller,無線網絡控制器)側、multi-RAN(multi-Radio Access Technology,多無線接入技術)蜂窩匯聚點側以及核心網側。

MEC 在 4G 網絡中的部署

MEC 的概念早在 4G 建設的前期就已經被提出,所以 MEC 在 4G 和 5G 網絡中均可部署。但是在 4G 網絡中因爲 MEC 提出時 LTE 網絡標準已完成制定,所以 4G 網絡下的 MEC 部署目前大多采用非標的串聯部署或者廠家私有標準部署模式,在計費、監聽、業務移動性支持方面並不完善。

MEC 部署在 RAN(無線接入網)側 :MEC 可以部署在單個 eNB 節點之後,也可以部署在多個 eNB 的匯聚節點之後,這是 4G 中比較常見的部署方式。稱爲無線側 TOF(Traffic Offload)。這種部署方式適合用於學校、大型購物中心、體育場館等熱點區域下。將 MEC 部署在 RAN 側的優勢在於可以更方便地通過監聽、解析 S1-C 接口的信令來獲取基站側無線相關信息,也可以通過解析 S1-U 接口的 GTP-U 報文將業務數據流量卸載到邊緣進行處理,以此降低網絡時延到毫秒級。但是該方案需要進一步解決計費和合法監聽等安全性問題。

基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

MEC 服務器部署在 CN(核心網)側:MEC 部署在 PGW 之後(或與 PGW 集成在一起)。這種方式可以解決 RAN 側部署方案下的計費和安全問題,但在 C/U 沒有分離 4G EPS 架構中,MEC 部署的位置通常與用戶距離較遠,存在時延較大和佔用核心網資源的問題。好處就是該方案不需要改變現有的 EPC 架構,而且 SGi 接口出來的是 IP 報文,也就不需要 MEC 去處理 GTP 報文解析了。

基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

而在 4G EPC CUPS 架構中,PGW 被拆分成了 PGW-C 和 PGW-U(即 DGW)。其中,PGW-C 駐留在原位置,DGW 下沉到 RAN 側或者核心網邊緣,DGW 負責計費、監聽、鑑權等功能,也解決了網絡時延大的問題。缺點在於,4G C/U 分離技術並不完全,PGW-C 和 DGW 之間爲私有接口,需要由同一設備廠商提供。

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2、MEC 在 5G 網絡中的部署

3GPP 的 5G 核心網在標準上天然支持用戶數據面的下沉及邊緣計算的部署,解決了 4G 網絡中 MEC 部署存在的計費監聽等問題。ETSI MEC 規範包括了用戶數據平面功能以及邊緣計算平臺功能,而 3GPP 的 5G 標準裏面主要定義了 UPF 網元,UPF 作爲 5GC 的用戶面下沉網元,關注的是網絡功能。兩大組織一直在合作推進將 UPF 作爲 MEC 系統中的一個組成網元,充當 DP 模塊,UPF 負責將邊緣網絡的流量卸載到 MEC 平臺。邏輯上 UPF 與 MEC 平臺是鬆耦合的,一般認爲 5G 場景中 MEC 與 UPF 的關係如下圖所示:

基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

實際建設時對於 MEC 與 UPF 是否合設集成部署與統一承載存在以下多種方案:

MEC 與 UPF 集成部署,基於 ICT 綜合邊緣雲統一承載:建設包括 UPF 在內的統一 MEC 系統, MEC 系統的建設也通常被鎖定在提供 UPF 的核心網廠家,MEC 業務系統與 UPF 共享 NFV 電信邊緣雲基礎設施以及統一納管,節約部分投資,另外靠近基站的邊緣接入點資源比較緊張,集成部署有利於資源的充分利用。但是該方案需要既可以滿足 UPF 等 NFV 高性能網絡轉發處理需求,還需要支持 IT 類業務應用的容器化部署與編排管理、邊緣 AI 類以及視頻類業務應用的 GPU/FPGA 等加速及異構計算處理,之前主要面向網絡通信處理的 NFV 電信雲需要擴展成爲 ICT 綜合邊緣雲,包括 MANO 也需要相應的擴展。

MEC 與 UPF 分離部署,基於不同的邊緣雲各自承載:MEC 業務系統與 UPF 分離部署,支持分廠家建設,支持引入 IT 廠家或者自研提供 MEC 業務系統,並且 UPF 作爲 5G 核心網元,與承載自有及第三方業務應用的 MEC 業務系統物理隔離也有利於 5G 網絡的安全保障。但是該方案下 MEC 業務系統如果提供網絡流量業務鏈處理類服務,不能與 UPF 共享網絡處理,有一定的重複投資,並且部分資源受限的邊緣點也很難建設提供兩朵邊緣雲,兩朵雲的利用率不如集成部署的統一邊緣承載方案。

MEC 與 UPF 部分共享部署:MEC 業務系統分爲 CT 類 VNF 與 IT 類 APP 兩大類業務服務,其中 CT 類 VNF 與 UPF 統一承載集成部署,IT 類 APP 獨立部署。對於 CT 類業務服務共享 NFV 邊緣雲,仍然由運營商網絡運維部門負責統一運營管理。同時獨立建設 IT 邊緣雲,滿足 IT 類邊緣業務靈活性,這部分 IT 邊緣雲可以考慮由運營商負責公有云的部門統一集約運營。這種模式的問題在於增加了邊緣業務的統一管理複雜度,同時部分融合業務也很難簡單的是化爲 IT 類還是 CT 類業務,比如遠程駕駛控制等。

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3、ME Host 的部署方案

5G 網絡原生採用雲化建設,更加輕盈和靈活,以中心 DC(大區中心機房)、區域 DC(省層面機房)、核心 DC(本地網核心機房)、邊緣 DC(本地網匯聚機房)、接入局所 DC、基站機房爲基礎架構的分層 DC 化機房佈局模式成爲各運營商傳統機房改造演進的共同路線。

其中,MEC 系統級網管(包括 MEPM、MEAO)需要協調不同 ME Host(包括 MEP、UPF、ME APP)之間以及 ME Host 與 5GC 之間的操作(e.g. 選擇主機、應用遷移、策略交互等),一般部署在區域 DC(省層面)或者中心 DC(大區中心);而 ME Host 部署方面應以業務爲導向按需部署,並與 UPF 的下沉和分佈式部署相互協同,在實際組網中,根據對操作性、性能或安全的相關需求,ME Host 可以靈活地部署在從基站附近到中央數據網絡的不同位置。但是不管如何部署,都需要由 UPF 來控制流量指向 ME APP 或是指向網絡。下圖概述了 ME Host 物理位置的一般可行選項。

基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

ME Host 在接入局所 DC:此種模式一般採用 ME Host 和基站 CU 共機房,部署在基站後面,數據業務離用戶更近,終端發起的業務經過基站、ME Host 到互聯網/第三方內容服務,主要針對新型超低時延業務在邊緣才能滿足需求的場景,時延可控制在 1ms-10ms 之內,例如:無人機投遞業務(10ms,15Mbit/s)、智慧場館(10ms,1Gbit/s)、自動駕駛(1ms,50Mbit/s以上)、遠程醫療診斷(10ms,50Mbit/s)、機器人協作(1ms,110Mbit/s)、遠程手術(1ms10ms,300Mbit/s)等。

ME Host 部署在邊緣 DC:此種模式 ME Host 一般部署在本地網匯聚機房,邏輯位置在 UPF/PGW-U 之後,會增加一部分回傳網絡的時延,可以爲用戶提供低時延、高帶寬服務,例如:AR/VR業務(20ms,1Gbit/s)、移動視頻監控(20ms,50Mbit/s)、移動廣播(小於100ms,10Mbit/s)、公共安全(20ms,10Mbit/s)、高清視頻(20ms,10Mbit/s)等。

4、MEC 應用場景

MEC 應用於 VR

基於 5G 的 MEC 解決方案,該方案適用於 VR 這一典型應用場景。MEC 部署在 RAN 或 C-RAN 側以獲取利於統計分析的關鍵信息,提供低時延的本地化業務服務。運營商不僅可以有效減少核心網的網絡負載,還能通過本地化的部署,提供實時性高、低時延的 VR 體驗,增強 VR 實時互動。

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MEC 應用於在線視頻系統

下述爲英特爾中國研究院與英特爾網絡平臺事業部、中國移動及愛奇藝合作開發的一款在線視頻系統。該系統利用 MEC 進行視頻加速,視頻提供商利用 MEC 的計算、存儲和網絡功能,通過對用戶視頻請求數據分組進行分析,爲特定的高清付費用戶提供充足帶寬,以保證其觀看體驗。OTT(互聯網應用服務) 在使用上述系統時,無需對自己的應用網絡進行架構性變動,由此可以大幅降低使用成本,加速業務創新。該系統目前已在業界知名的世界移動通信大會(Mobile World Congress,MWC)上現身,並引起廣泛關注,並被 ETSI MEC ISG 採納爲典型業務場景之一。

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MEC 應用於支持 OTT 業務

中國聯通在 2018 年 3 月首次參與 ETSI MEC 標準化工作。在 MEC#13 次會議中,中國聯通主導的《PoC12:MEC Platform to Enable OTT Business》國際標準項目成功立項,獲得審覈委員會全票通過。這是 ETSI 在邊緣計算領域首個實現 ICT(IT&CT)融合的立項,填補了 MEC 應用研究方面的空白。自此,中國聯通牽頭開啓了 ETSI MEC 標準化組織與 OTT(互聯網應用服務)的應用合作,具有里程碑式的重要意義。

如下這張中國聯通的構架圖所示,電信運營商將部份服務移到 MEC 上,而開發者(OTT 提供者,如 Youtube 或愛奇藝)及用戶,可以透過一些服務化的 API 來存取電信運營商於此 MEC 上提供的服務。

基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

基於5GC 關鍵技術的 MEC 邊緣計算(下)

該立項建議由中國聯通聯合中興通訊、INTEL 共同向 ETSI MEC#13 提交,並由中國聯通網絡研究院標準專家進行立項申請陳述和答辯。該標準項目將基於業界最大的天津邊緣雲測試牀,依託輕量化 OpenStack、Kubernetes 等虛擬化技術,以商用化部署爲目標,研究 vCDN、VR/AR 等 OTT 應用對 MEC 邊緣雲業務平臺能力及 API 的需求,併爲 ETSI GS MEC 003 系統架構的進一步完善提供強有力的參考依據。

目前 MEP 平臺的最大的問題就是平臺封閉性嚴重,不同廠家平臺制式不同很難互通,接口私有化定義。造成的後果就是一旦規模部署,每款 APP 都要分別部署在各方開發的 MEP 上,因此就都要針對各家平臺進行定製化的開發和業務對接,這種不友好的方式是不會被第三方 APP 所接收,因爲這種方式極大地增大了第三方的業務重複開發和維護工作。目前的解決方法是,由運營商主導 MEP 平臺,同時由運營商統一開展平臺接口標準化和平臺架構標準化,集合設備商的各類平臺能力和資源,這樣第三方 APP 只需要一次開發和對接即可實現快速業務部署,對第三方 APP 非常友好,平臺也更爲開放。

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