運營商5G邊緣計算發(fā)展策略探討

［姜瑞峰 楊旭 梁冰 徐鳳全 程少杰］

1 引言

隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)的成熟發(fā)展以及云計算業(yè)務(wù)的迅速增長，全球移動數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆炸式增長，據(jù)《愛立信移動市場報告》中預(yù)測，到2026年移動數(shù)據(jù)流量將達(dá)到226EB/月，相比2020年增長近4.5倍，其中視頻流量占比77%[1]。傳統(tǒng)的云計算已經(jīng)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)、智能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等終端側(cè)“大連接，低時延，高帶寬”的云資源需求。在已有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，大部分業(yè)務(wù)流量需要經(jīng)過整個接入網(wǎng)、傳送網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)，通過接入、轉(zhuǎn)發(fā)、路由等多層設(shè)備，雖然可以通過提高帶寬來提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，但是一些對時延及網(wǎng)絡(luò)可靠性敏感的業(yè)務(wù)仍然無法保證，嚴(yán)重影響用戶體驗。為了有效解決移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等高速發(fā)展帶來的高可靠、高帶寬以及低時延等要求，MEC的概念應(yīng)運而生。

2 邊緣計算概述

邊緣計算的概念源于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN），常被認(rèn)為是邊緣節(jié)點上的內(nèi)容分發(fā)與緩存，隨著發(fā)展早期CDN定義的范圍已經(jīng)無法完全涵蓋邊緣計算。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）于2014年成立了移動邊緣計算規(guī)范工作組，提出了移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）的概念，其基本思想是把云計算平臺從移動核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部遷移到移動接入網(wǎng)邊緣，實現(xiàn)計算及存儲資源的彈性利用。隨著對邊緣計算的深入研究，ETSI認(rèn)為邊緣計算不應(yīng)局限在移動網(wǎng)絡(luò)場景下，在2016年對MEC的概念進(jìn)行了重新定義，多接入邊緣計算（Multi-Access Edge Computing）的概念由此產(chǎn)生[2]。然而，根據(jù)市場的需求與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成熟度來看，目前移動網(wǎng)絡(luò)場景下的邊緣計算仍然是運營商主要發(fā)力的重點。

ETIS制定的《MEC in 5G networks》白皮書中給出了5G邊緣計算的融合參考架構(gòu)。如圖1所示[3]。在圖上右側(cè)的MEC系統(tǒng)中，主要分為了系統(tǒng)級和主機級兩層。其中系統(tǒng)級主要包含MEO、VNFM、EMS等運維管理系統(tǒng)，用于對系統(tǒng)中的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、服務(wù)的整體把控。主機級主要包含虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施、移動邊緣平臺（MEP）、應(yīng)用、本地管理組成，通過采用通用的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為運行的各種各樣的應(yīng)用提供虛擬化組件，MEP平臺通過標(biāo)準(zhǔn)化的API接口與第三方應(yīng)用實現(xiàn)互通，為用戶提供服務(wù)。

圖1 5G邊緣計算融合參考架構(gòu)

3 業(yè)務(wù)發(fā)展分析

ETSI定義了MEC七大應(yīng)用場景：視頻優(yōu)化、增強現(xiàn)實、企業(yè)分流、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻流分析和輔助敏感計算。如圖2所示[4]。主要可分為應(yīng)用本地化、內(nèi)容區(qū)域化、計算邊緣化三類。

圖2 MEC七大應(yīng)用場景

（1）應(yīng)用本地化：如企業(yè)分流場景，主要為園區(qū)、企業(yè)、場館等自己的應(yīng)用在本地閉環(huán)。典型應(yīng)用如智慧工廠、智慧辦公、智慧城市等。

（2）內(nèi)容區(qū)域化：如視頻優(yōu)化、視頻流分析場景，主要為運營商高帶寬內(nèi)容從中心到區(qū)域分布式部署，節(jié)省傳輸資源，提升用戶體驗。典型應(yīng)用如移動視頻監(jiān)控等。

（3）計算邊緣化：如增強現(xiàn)實、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、輔助敏感計算場景，主要為新型超低時延業(yè)務(wù)在邊緣側(cè)才能滿足業(yè)務(wù)訴求。典型應(yīng)用如自動駕駛、機器人協(xié)作、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

除了圖2的應(yīng)用場景外，整個產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用數(shù)量眾多，一個應(yīng)用場景內(nèi)部因為技術(shù)的不同又劃分為不同的子類型，每種子類型的端到端產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟度是不同的，這樣商用時間點也不一樣。例如云VR場景有4K VR，8K VR等子類型，由于4K VR對配套設(shè)備的要求較低，生態(tài)成熟早，所以能較早在市場上商用。根據(jù)目前運營商客戶的典型訴求，匯總形成3個發(fā)展階段。如圖3所示。結(jié)合產(chǎn)業(yè)成熟度及市場訴求，從分流到計算，從局域到廣域，逐步推進(jìn)5G行業(yè)商用解決方案。2B是邊緣計算基石，圍繞港口，碼頭，園區(qū)等，打造行業(yè)樣板，并進(jìn)行復(fù)制推廣；2B&2C容易爆發(fā)增長，圍繞游戲，文娛，場館，挖掘市場需求，探索商業(yè)模式。

4 5G邊緣計算目標(biāo)架構(gòu)及發(fā)展策略建議

4.1 5G邊緣計算目標(biāo)架構(gòu)建議

圖3 5G邊緣計算發(fā)展三階段

目前運營商商用5G網(wǎng)絡(luò)通過控制面與用戶面分離，用戶面分布式下沉部署等功能，來實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、高質(zhì)量、低時延等目標(biāo)。然而，隨著用戶需求的不斷提高，應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高，僅僅依靠5G網(wǎng)絡(luò)不足以實現(xiàn)eMBB、uRLLC、mMTC等多種技術(shù)場景的業(yè)務(wù)需求。為了能夠更好的支持5G業(yè)務(wù)的本地化部署、內(nèi)容的緩存分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的硬件加速能力，滿足大流量的移動寬帶業(yè)務(wù)、無人駕駛等超高可靠超低時延的通信、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)場景，本文給出了運營商5G邊緣計算目標(biāo)架構(gòu)的建議，如圖4所示。

圖4 5G邊緣計算目標(biāo)架構(gòu)

本文給出的目標(biāo)架構(gòu)主要分為5個層級：集團集中、大區(qū)中心、省中心、地市、企業(yè)自有園區(qū)。

（1）集團：主要是對全國5G邊緣計算節(jié)點進(jìn)行運營運維，在標(biāo)準(zhǔn)化功能基礎(chǔ)上形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，提供統(tǒng)一的產(chǎn)品中心與營銷門戶，支撐各分公司的邊緣計算產(chǎn)品運營運維。

（2）大區(qū)中心：5G核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元集中部署在大區(qū)網(wǎng)絡(luò)云上。

（3）省中心：主要部署MEC網(wǎng)管側(cè)能力網(wǎng)元，實現(xiàn)對全省MEC節(jié)點的生命周期管理、業(yè)務(wù)的開通、資源的管控；通過二級能力管理平臺與二級運營平臺實現(xiàn)對省內(nèi)MEC平臺功能的統(tǒng)一編排、運維運營以及對一級平臺功能的對接。

（4）地市：按需在核心機房、重要匯聚機房、普通匯聚機房等運營商自有機房部署MEC節(jié)點，為用戶提供本地的流量轉(zhuǎn)發(fā)與路由功能、增值業(yè)務(wù)流量的本地終結(jié)、應(yīng)用的本地化部署所需的通用硬件、虛擬層、加速、安全等基礎(chǔ)能力。

（5）企業(yè)自有園區(qū)：根據(jù)企業(yè)需求，按需提供UPF分流能力或“網(wǎng)+云”的MEC節(jié)點，部署在企業(yè)自有機房，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)的終結(jié)。

4.2 R16 5G標(biāo)準(zhǔn)在邊緣計算中的應(yīng)用

在3GPP TSG第88次會議上，國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)制定組織3GPP（第三代移動通信合作伙伴計劃）宣布5G第一個演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)R16（Release 16）凍結(jié)。R16標(biāo)準(zhǔn)重點針對垂直行業(yè)能力進(jìn)行增強，實現(xiàn)了5G從“能用”到“好用”的過渡，讓5G能進(jìn)一步賦能千行百業(yè)。如果說前10年，人們致力于實現(xiàn)“人人有寬帶”，那么接下來的10年，將是一個“物物聯(lián)5G”的時代[5]。為了更好地闡述R16標(biāo)準(zhǔn)引入對5G邊緣計算發(fā)展的關(guān)鍵作用，本文首先對5G LAN、eLCS、5G URLLC、eNA、TSN、NPN、eV2XARC、CIOT 5G技術(shù)進(jìn)行了簡述，根據(jù)市場需求的迫切程度及產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟度，將上述技術(shù)的應(yīng)用分為了3個發(fā)展階段，為未來R16技術(shù)在5G邊緣計算中的應(yīng)用提供參考。如表1所示。

表1 R16 5G標(biāo)準(zhǔn)引入三階段

（1）近期

主要包含5G LAN（5G工業(yè)局域?qū)＞W(wǎng)），支持終端動態(tài)群組管理、二層以太網(wǎng)通信、用戶面直接通信，基于廣域網(wǎng)構(gòu)建用戶虛擬5G LAN專網(wǎng)；eLCS（定位增強），商業(yè)定位、定位能力開放、定位業(yè)務(wù)感知和隱私保護等功能；5G URLLC（低時延高可靠網(wǎng)絡(luò)），在低時延基礎(chǔ)上增加了高可靠特性，E2E方案和N3/N9雙通道方案，以及QoS監(jiān)控特性，保證極致的可靠性。

（2）中期

主要包含eNA（網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析），引入了NWDAF網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析、切片SLA監(jiān)控和保障、基于Service MOS的5G QoS增強功能；TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)），聚焦精準(zhǔn)時鐘同步、5GS與TSN系統(tǒng)集成、QoS Framework增強和模型映射；NPN（5G行業(yè)專網(wǎng)），具備獨立部署NPN，公網(wǎng)集成部署NPN能力。

（3）遠(yuǎn)期

主要包含eV2XARC（車聯(lián)網(wǎng)能力增強），5G V2X服務(wù)架構(gòu)的增強實現(xiàn)，將V2X控制網(wǎng)元移到PCF網(wǎng)元，多級別QoS和預(yù)測，支持單播組播及廣播的PC5接口通信；5G_CIoT（蜂窩物聯(lián)網(wǎng)），面向未來核心網(wǎng)演進(jìn)，實現(xiàn)NB-IoT終端接入5GC。

4.3 “MEP”發(fā)展策略

“MEP”作為運營商5G邊緣計算節(jié)點的PaaS平臺，可以提供統(tǒng)一的服務(wù)框架，為應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)能力和垂直行業(yè)能力，開放大網(wǎng)能力。編解碼轉(zhuǎn)換、IPSec、AI等，通過MEP開放Restful API的方式供本地APP調(diào)用。作為從傳統(tǒng)管道向內(nèi)容提供者轉(zhuǎn)變的重要環(huán)節(jié)，本文建議MEC平臺應(yīng)提供開放的MEP架構(gòu)，持續(xù)做厚MEP連接能力，同時引入第三方服務(wù)并統(tǒng)一開放，吸引企業(yè)應(yīng)用上線MEP平臺，結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展需求，持續(xù)豐富行業(yè)場景MEP服務(wù)能力，構(gòu)筑MEP競爭力。MEP平臺發(fā)展策略導(dǎo)圖如圖5所示。

（1）開放的API GW架構(gòu)：遵循ETSI標(biāo)準(zhǔn)，提供第三方APP（提供者）服務(wù)注冊入口，并對外開放給第三方APP（消費者）。

（2）連接類服務(wù)：提供運營商特有的連接相關(guān)的服務(wù)能力，比如位置服務(wù)，上行壓縮，高清低碼等。

圖5 MEP平臺發(fā)展策略導(dǎo)圖

（3）第三方應(yīng)用服務(wù)：第三方應(yīng)用作為服務(wù)提供者，可通過API GW統(tǒng)一開放，豐富服務(wù)能力。

（4）持續(xù)豐富MEP服務(wù)能力：根據(jù)5G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展、市場需求及產(chǎn)業(yè)生熟度，將按照3個階段持續(xù)豐富MEP服務(wù)能力。MEP服務(wù)能力如圖6所示。

圖6 MEP服務(wù)能力

4.4 邊緣“云”發(fā)展策略

運營商作為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的提供者，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力在市場競爭上有著天然優(yōu)勢，近幾年，通過大力建設(shè)“云”設(shè)施、發(fā)展“云”能力，也初見成效。對于邊緣云的發(fā)展策略，本文建議以以網(wǎng)帶云、以云促邊的原則，采用異構(gòu)的邊緣云技術(shù)架構(gòu)多云協(xié)同發(fā)展，后期根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求橫向擴展云基礎(chǔ)資源與云服務(wù)，管理面通過統(tǒng)一的邊緣云管理系統(tǒng)實現(xiàn)異構(gòu)資源管理協(xié)同。

4.5 MEC管理域發(fā)展策略

依據(jù)運營商現(xiàn)有的運維體系，結(jié)合MEC結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建兩級運維模式，通過省中心集中化遠(yuǎn)程運維+地市輔助運維+企業(yè)自服務(wù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、資源、生態(tài)應(yīng)用的統(tǒng)一智能關(guān)聯(lián)分析，保障行業(yè)生態(tài)業(yè)務(wù)體驗。兩級運維模式如圖7所示。

MEC管理域通過故障快速診斷、資源運行保障、用戶體驗保障等運維關(guān)鍵能力，提供從網(wǎng)絡(luò)到資源，從生態(tài)應(yīng)用再到核心網(wǎng)業(yè)務(wù)SLA的立體化運維分析能力。根據(jù)運維需求及智能化手段應(yīng)用，可將MEC管理域發(fā)展分為以下4個階段。

圖7 兩級運維模式

（1）產(chǎn)品監(jiān)控、輔助定位：提供租戶級網(wǎng)絡(luò)連接類、資源類訂購產(chǎn)品性能監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、資源拓?fù)錉顟B(tài)可視化分析；基于拓?fù)涔?jié)點進(jìn)行告警、性能、事件關(guān)聯(lián)分析，輔助告警/故障診斷分析。

（2）SLA監(jiān)控、自動化診斷：提供5G LAN、5G切片、位置服務(wù)等訂購產(chǎn)品性能監(jiān)控；視頻回傳、PLC遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)核心網(wǎng)SLA監(jiān)控；增強拓?fù)淇梢暬故灸芰?，支撐性能、告警、日志、事件關(guān)聯(lián)分析，以及故障一鍵診斷。

（3）知識圖譜、一鍵恢復(fù)：增強AI算法，提升跨層及橫向ICT關(guān)聯(lián)分析能力；增強知識圖譜，增強自動故障定位能力；網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用故障自愈。

（4）立體化運維、無人值守：擴展核心網(wǎng)業(yè)務(wù)SLA監(jiān)控范圍；無人值守，提供網(wǎng)絡(luò)、資源到應(yīng)用的立體化保障能力；資源預(yù)測，資源利用率提升，資源性能優(yōu)化。

4.6 MEC節(jié)點部署策略

5G時代定義了eMBB、uRLLC、mMTC三大應(yīng)用場景，應(yīng)用初期5G邊緣計算主要滿足低時延、高質(zhì)量等要求，以時延為例，理論上骨干匯聚機房可以滿足大部分單向網(wǎng)絡(luò)傳輸時延為10～20 ms級別的業(yè)務(wù)，對于時延要求更為苛刻的業(yè)務(wù)需求，需要考慮部署至接入位置，并采用新的空口幀結(jié)構(gòu)、傳輸技術(shù)及時間敏感型網(wǎng)絡(luò)。各級機房時延示意如圖8所示。

共享式：在地市核心機房，構(gòu)建完整的MEC節(jié)點統(tǒng)籌考慮業(yè)務(wù)時延、建設(shè)維護成本、覆蓋范圍、安全容災(zāi)、規(guī)模效益、產(chǎn)業(yè)成熟度等多方面因素，建設(shè)初期，以筑巢引鳳方式在地市核心機房統(tǒng)一建設(shè)共享式MEC節(jié)點，以網(wǎng)隨也懂方式按需在企業(yè)園區(qū)部署入駐式MEC節(jié)點，打造標(biāo)準(zhǔn)化解決方案及組網(wǎng)方案，快速滿足MEC建設(shè)需求，搶占邊緣行業(yè)市場。MEC節(jié)點，包括UPF、組網(wǎng)設(shè)備、通用計算服務(wù)器、存儲服務(wù)器。就近接入核心機房CMNet、IP承載網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、網(wǎng)管網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。采用同城異局址容災(zāi)方式。

圖8 各級機房時延示意

入駐式：根據(jù)企業(yè)需求，按需構(gòu)建UPF+企業(yè)私有云（企業(yè)自有）或完整的MEC節(jié)點。就近接入SPN網(wǎng)絡(luò)，通過SPN對接CMNet、IP承載網(wǎng)、無線網(wǎng)、網(wǎng)管網(wǎng)等。按需提供無容災(zāi)、異局址容災(zāi)、與共享式MEC節(jié)點N+1主備方式容災(zāi)。MEC節(jié)點部署示意如圖9所示。

圖9 MEC節(jié)點部署示意

5 結(jié)束語

本文在5G邊緣計算的業(yè)務(wù)發(fā)展需求基礎(chǔ)上，對總體的目標(biāo)架構(gòu)、新技術(shù)的應(yīng)用、MEP平臺、邊緣云、管理域的發(fā)展以及組網(wǎng)部署給出了建議。5G邊緣計算的目標(biāo)架構(gòu)能夠融合ETSI MEC平臺和3GPP 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為5G