5GMEC部署研究與實(shí)踐

熊?chē)?guó)新 吳建辰

摘 ?要：多接入邊緣計(jì)算可以解決5G網(wǎng)絡(luò)的延遲、擁塞和安全等問(wèn)題，滿足5G垂直行業(yè)業(yè)務(wù)創(chuàng)新需求。但該技術(shù)的引入，也給運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。針對(duì)運(yùn)營(yíng)商邊緣機(jī)房的條件差，改造難度大，以及多接入邊緣計(jì)算部署在邊緣機(jī)房存在流量迂回等問(wèn)題，結(jié)合廣州移動(dòng)的部署實(shí)踐，從硬件選型、邊緣云的輕量化部署，以及引入該技術(shù)帶來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)改造等方面進(jìn)行分析探討，給出在5G網(wǎng)絡(luò)中多接入邊緣計(jì)算的商用部署建議。

關(guān)鍵詞：多接入邊緣計(jì)算;用戶面;5G;邊緣計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）13-0058-03

Abstract：MEC can solve such problems as network latency，congestion and security，and meet the business innovation needs of 5G vertical industry. However，the introduction of MEC will also bring new challenges to operators5G networks. In view of the poor conditions of operatorsedge machine room and the difficulty of reconstruction，as well as the problem of traffic circuitousness in the MEC of edge machine room，combined with the Guangzhou Mobile MEC deployment practice，the MEC deployment is analyzed and discussed from the aspects of MEC hardware selection，edge cloud lightweight deployment，and 5G network introduction of MEC network transformation，and the commercial deployment of 5G MEC is suggested.

Keywords：MEC;UPF;5G;edge computing

0 ?引 ?言

5G時(shí)代，為了滿足AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、無(wú)人駕駛等新業(yè)務(wù)帶來(lái)的高帶寬、低時(shí)延業(yè)務(wù)需求，5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邊緣分布式重構(gòu)成為必然選擇。在5G網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)元將控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，進(jìn)行分層部署?？刂泼婕胁渴?，用戶面則分散部署、貼近用戶，實(shí)現(xiàn)管理成本以及用戶體驗(yàn)的平衡。同時(shí)，為了有效實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)下沉，縮短業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間，并且將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放，邊緣計(jì)算被引入。

按照歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)ETSI的定義，多接入邊緣計(jì)算（Multi-access Edge Computing，MEC）指在包含一種或者多種接入技術(shù)的接入網(wǎng)絡(luò)中，靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能力、IT業(yè)務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力的系統(tǒng)[1]。5G網(wǎng)絡(luò)特征是去中心化[2]，C/U分離架構(gòu)與移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)（Mobile Edge Computing，MEC）方向吻合。MEC將云端分布式應(yīng)用下沉到電信網(wǎng)絡(luò)邊緣，與用戶面（User Plane Function，UPF）結(jié)合，在業(yè)務(wù)第一出口提供算力。所以說(shuō)，MEC的本質(zhì)是一場(chǎng)架構(gòu)革命，為滿足超低時(shí)延和超大帶寬的業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用Server將從Client-Server架構(gòu)轉(zhuǎn)向Client-Edge-Server架構(gòu)[3]。

1 ?5G網(wǎng)絡(luò)引入MEC必要性和挑戰(zhàn)分析

5G新業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、安全性等方面的需求越來(lái)越苛刻，傳統(tǒng)云計(jì)算集中部署的方式已經(jīng)無(wú)法滿足業(yè)務(wù)的需求。MEC正是這樣一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，可以解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的延遲、擁塞和安全等問(wèn)題。通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署MEC平臺(tái)，用戶面UPF下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠有效地將云的計(jì)算能力從中心延伸到邊緣。然而，MEC的引入，同時(shí)也給運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

（1）運(yùn)營(yíng)商擁有大量靠近用戶的傳統(tǒng)通信機(jī)房，但在面積、承重、供電容量、能效等關(guān)鍵指標(biāo)上與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心有很大差距，并且大部分機(jī)房改造難度大。因此，需要能提供多形態(tài)的硬件來(lái)匹配不同機(jī)房;（2）由于受限于邊緣機(jī)房的環(huán)境，MEC邊緣云的規(guī)模通常比較小，服務(wù)器數(shù)量較少，可提供的硬件資源有限。然而，安裝OpenStack等基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)和管理模塊會(huì)占用大量資源，造成邊緣云的資源浪費(fèi)。MEC邊緣云的資源寶貴，提高邊緣機(jī)房的單位面積算力成為關(guān)鍵;（3）MEC部署在邊緣，UPF也同時(shí)下沉到邊緣，與基站接入到分組傳送網(wǎng)絡(luò)（Packet Transport Network，PTN）。由于PTN網(wǎng)絡(luò)的L3功能在骨干匯聚或更高機(jī)房，UPF的路由存在流量迂回，增大業(yè)務(wù)路徑的時(shí)延。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)還要能為下沉到邊緣的UPF提供IP承載網(wǎng)接入和CMNET接入能力。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文結(jié)合廣州移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)MEC的部署實(shí)踐，從MEC硬件選型、邊緣云的輕量化部署，以及引入MEC帶來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)改造等方面，給出MEC的部署建議。

2 ?不同部署位置的MEC硬件選型

MEC可以按照不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)時(shí)延的需求進(jìn)行靈活的部署，通?？刹渴鹪诮尤霗C(jī)房、普通匯聚機(jī)房、重要匯聚機(jī)房和地市核心機(jī)房等位置。

在滿足時(shí)延要求的前提下，帶寬需求低的業(yè)務(wù)，從節(jié)省成本考慮，適合部署在地市核心機(jī)房;帶寬需求高的業(yè)務(wù)，適合下沉至重要匯聚機(jī)房;時(shí)延要求低于10 ms業(yè)務(wù)，則要求部署在業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房及以下級(jí)別的機(jī)房中。

MEC硬件的選型與MEC的部署位置相關(guān)，特別是下沉到普通匯聚機(jī)房及以下的MEC，硬件選型受限于邊緣機(jī)房的環(huán)境。MEC硬件包括以下5種。

（1）通用服務(wù)器：在重要匯聚及地市核心機(jī)房，機(jī)房環(huán)境較好，采用通用服務(wù)器來(lái)部署MEC具有最佳的性價(jià)比。遵循網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）三層解耦的云化架構(gòu)，UPF考慮到網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能的要求，需要支持硬件加速;（2）開(kāi)放電信IT基礎(chǔ)設(shè)施（Open Telcom IT Infrastructure，OTII）定制服務(wù)器和一體機(jī)：在普通匯聚機(jī)房，由于受限于機(jī)房空間和供電能力，邊緣服務(wù)器要求低功耗、小體積。此外，邊緣服務(wù)器需更廣的溫度適應(yīng)性和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性來(lái)應(yīng)對(duì)邊緣機(jī)房的復(fù)雜環(huán)境，建議采用OTII定制服務(wù)器。在運(yùn)維能力弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)，建議采用一體機(jī)。MEC一體機(jī)在出廠前完成預(yù)集成，開(kāi)箱即用，現(xiàn)場(chǎng)輕維護(hù)，適合邊緣維護(hù)人力不足的場(chǎng)景;（3）OLT硬件：在業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，無(wú)線接入設(shè)備、有線接入設(shè)備和傳輸設(shè)備部署在一起，設(shè)備多，空間小，供電和空調(diào)環(huán)境惡劣。在這樣的環(huán)境中，通過(guò)DC化改造來(lái)部署MEC，不僅昂貴，而且工程非常困難。基于OLT內(nèi)置刀片構(gòu)建MEC，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，部署便利，最大限度地降低MEC部署成本和困難[4];（4）基站室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）：在業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，為了滿足5 ms以下超低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)“空口一跳直達(dá)”，可以采用基于無(wú)線基站融合的MEC方案。通過(guò)在基站BBU機(jī)框插入MEC單板，可以提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源，部署基站級(jí)的MEC[4];（5）加速硬件：為了降低時(shí)延，MEC還需要引入硬件加速技術(shù)。MEC服務(wù)器要求支持GPU，F(xiàn)PGA等加速擴(kuò)展能力，通過(guò)加速硬件來(lái)提升邊緣機(jī)房的單位面積算力，同時(shí)滿足低時(shí)延、高帶寬業(yè)務(wù)的極致體驗(yàn)需求。例如，通過(guò)基于FPGA智能網(wǎng)卡加速UPF，在軟件VNF層進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文的首包學(xué)習(xí)，生成轉(zhuǎn)發(fā)流表，并將流表下發(fā)到智能網(wǎng)卡中;同一條流的后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)文將由智能網(wǎng)卡接收、解包、處理后直接轉(zhuǎn)發(fā)，降低節(jié)點(diǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)處理層次，大幅減輕CPU計(jì)算、內(nèi)存讀取、PCIe總線的瓶頸[5]。

3 ?邊緣云的輕量化部署策略

MEC邊緣云的資源寶貴，為了減少邊緣云平臺(tái)和管理節(jié)點(diǎn)對(duì)資源的占用，需要對(duì)MEC邊緣云進(jìn)行精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)輕量化部署，提高邊緣云的資源利用率。主要包括以下幾種舉措。

（1）對(duì)OpenStack的組件進(jìn)行精簡(jiǎn)，只保留邊緣必要的組件，去掉多余組件，減少對(duì)邊緣資源的占用;（2）接入站點(diǎn)的主機(jī)和虛擬機(jī)（Virtual Machine，VM）數(shù)量較少，可以對(duì)OpenStack管理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化配置，如Nova API、Nova Conductor、Cinder API、Neutron API進(jìn)程數(shù)量可以從標(biāo)準(zhǔn)8個(gè)減少到2個(gè)，大幅降低管理節(jié)點(diǎn)對(duì)CPU的需求;（3）精簡(jiǎn)后的OpenStack管理節(jié)點(diǎn)與邊緣云上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)合設(shè)，不獨(dú)占物理資源，以減少管理節(jié)點(diǎn)的資源占用[6]。

為了進(jìn)一步降低管理資源占用，還可以采用可用區(qū)（Availability zones，AZ）拉遠(yuǎn)的方案，管理節(jié)點(diǎn)無(wú)須占用資源。每個(gè)接入站點(diǎn)（業(yè)務(wù)匯聚）作為AZ接入普通匯聚機(jī)房的管理節(jié)點(diǎn)，AZ計(jì)算節(jié)點(diǎn)與普通匯聚機(jī)房的管理節(jié)點(diǎn)之間要求三層網(wǎng)絡(luò)互通，網(wǎng)絡(luò)帶寬要求1 Gbps以上，時(shí)延小于50 ms。

邊緣云還會(huì)部署大量的行業(yè)應(yīng)用，形態(tài)各異的各種行業(yè)應(yīng)用要求邊緣云平臺(tái)能提供虛機(jī)，容器，裸機(jī)等基本多種形態(tài)的IaaS資源。因此，需要將OpenStack與Kubernetes進(jìn)行融合，包括組件共享、資源共享，以及安裝運(yùn)維、用戶管理、安全管控、資源管理的融合，從而降低管理開(kāi)銷(xiāo)，并為基礎(chǔ)設(shè)施從云化向云原生平滑演進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

實(shí)踐證明，通過(guò)邊緣云輕量化部署（如圖1所示），組件數(shù)量減少了60%，配置所需的資源減少了75%，不僅大大降低了管理節(jié)點(diǎn)對(duì)邊緣云的資源需求，還提升了MEC邊緣云的管理效率。

4 ?5G網(wǎng)絡(luò)引入MEC的組網(wǎng)改造

在5G網(wǎng)絡(luò)引入MEC，由于UPF下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，將帶來(lái)MEC傳輸接入、IP承載網(wǎng)接入和CMNET互聯(lián)網(wǎng)接入的組網(wǎng)升級(jí)改造，即MEC傳輸接入改造

如圖2所示，在面向ToB園區(qū)場(chǎng)景，為滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)需求，MEC需要部署在業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房。然而，采用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)PTN傳送接入方案，由于PTN的L3功能在骨干匯聚或更高機(jī)房，UPF用戶面存在流量迂回，UPF下沉無(wú)意義。

如圖3所示，將傳輸網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為切片分組網(wǎng)（Slicing Packet Network，SPN）接入方案，結(jié)合彈性以太網(wǎng)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）技術(shù)，將5G大網(wǎng)絡(luò)從邏輯上切分出獨(dú)立子網(wǎng)和端口，滿足各類(lèi)人、物、車(chē)以及各種專網(wǎng)的應(yīng)用需求，減少因物理帶寬共享造成的相互干擾。SPN在端到端時(shí)延上，相比IP-RAN、PTN等4G承載網(wǎng)絡(luò)，具有更佳表現(xiàn)，單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延從10～15 μs降低至1 μs。將SPN網(wǎng)絡(luò)的L3功能下沉，避免了用戶面數(shù)據(jù)迂回繞轉(zhuǎn)，可以進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)發(fā)性能、降低轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

本次在廣汽園區(qū)的MEC試點(diǎn)采用PTN接入，V2X業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延在17 ms;采用SPN接入，端到端時(shí)延降低至16 ms。測(cè)試證明，MEC采用SPN接入比PTN接入具有更低時(shí)延優(yōu)勢(shì)。綜上對(duì)比分析和測(cè)試，MEC傳輸方案建議優(yōu)先接入SPN網(wǎng)絡(luò)。

5 ?面臨問(wèn)題與挑戰(zhàn)

5.1 ?MEC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待完善

MEC的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)初步建立，但仍需進(jìn)一步完善。需要進(jìn)一步細(xì)化體系架構(gòu)、應(yīng)用接口、網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放、云邊協(xié)同和安全標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)方案。

5.2 ?MEC帶來(lái)應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的重構(gòu)

現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)，大多采用Client-Server架構(gòu)。引入MEC，大量的應(yīng)用系統(tǒng)都需要重構(gòu)為Client-Edge-Server架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同。應(yīng)用系統(tǒng)重構(gòu)將給應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)維、網(wǎng)絡(luò)管理、行業(yè)深度融合等多個(gè)方面帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。企業(yè)組織架構(gòu)也需要去適應(yīng)新的技術(shù)和新的架構(gòu)帶來(lái)的變化。

5.3 ?MEC與5G網(wǎng)絡(luò)的互操作及應(yīng)用跨層創(chuàng)新

MEC作為應(yīng)用功能（Application Function，AF）需要能夠從“業(yè)務(wù)控制面和業(yè)務(wù)用戶面”感知到上層應(yīng)用的業(yè)務(wù)狀態(tài)，然后代表應(yīng)用和5G核心網(wǎng)交互。上層應(yīng)用能夠通過(guò)MEC作為AF，與5G核心網(wǎng)對(duì)接，主動(dòng)觸發(fā)5G核心網(wǎng)選擇邊緣UPF，改變分流策略。上層應(yīng)用要能結(jié)合MEC提供的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放能力，如100多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（Radio Network Information Services，RNIS）能力，實(shí)現(xiàn)無(wú)線感知，加速應(yīng)用的跨層創(chuàng)新[7]。

6 ?結(jié) ?論

綜上所述，結(jié)合MEC業(yè)務(wù)需求、機(jī)房設(shè)施、MEC硬件選型、邊緣云的輕量化部署以及引入MEC帶來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)改造等方面分析，廣州移動(dòng)搭建多級(jí)MEC，通過(guò)MEC部署，探索MEC組網(wǎng)、建設(shè)模式、與第三方的合作模式、邊緣基礎(chǔ)設(shè)施管理等內(nèi)容，為5G MEC建設(shè)及未來(lái)大規(guī)模部署積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：熊?chē)?guó)新（1967.01—），男，漢族，江西鷹潭人，高級(jí)通信技術(shù)工程師，碩士研究生，研究方向：核心網(wǎng)及傳輸規(guī)劃;吳建辰（1987.03—），男，漢族，河南商丘人，中級(jí)通信技術(shù)工程師，碩士研究生，研究方向：核心網(wǎng)及傳輸規(guī)劃。