移动边缘计算(MEC)促进5G发展的分析-网络技术

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移动边缘计算(MEC)促进5G发展的分析

作者：戴晶，陈丹，范斌

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2020-8-17

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本文分析了MEC的关键技术对5G网络发展的促进作用,举例说明了MEC 典型应用类型等相关内容。
本文来自于边缘计算社区（byjscomcn），由火龙果软件Anna编辑推荐。

在可预见的未来5G网络数据量激增的背景下，为了满足更高带宽、更低时延等用户体验，移动边缘计算（MEC）技术正在引起业界相当多的重视。结合 5G网络发展趋势分析了MEC的关键技术及其对5G的促进作用，就MEC的典型应用场景进行了举例说明，并给出了从4G到5G网络的MEC平滑过渡部署建议。

1 概述

在LTE现网条件下，对带宽要求较高的如4K/8K 超高清视频、虚拟现实（VR）等内容难以承载；而诸如车联网、增强现实（AR）等要求时延极小的应用场景，更是难以在现有的移动网络中实现。从全球各大研究机构和标准化组织对 5G 需求的研究现状来看，在可预见的未来5G 网络中，上述应用需求都应当得到满足。于是，将上述对带宽、时延要求苛刻的业务数据的转发路径止于无线侧的理念越来越成为业界共识，而伴随该理念应运而生的移动边缘计算（MEC）则成为了未来5G网络提高用户体验的关键技术。

ETSI对MEC的定义为：“在移动网边缘提供IT服务环境和云计算能力”［3］，强调靠近移动用户，以减少网络操作和服务交付的时延，提高用户体验。ETSI目前也有相应的行业规范组在负责相关标准制定。其他研究机构和标准化组织如 NGMN、3GPP等，在研究和制定下一代移动通信网标准时也都有考虑 MEC。NGMN 的研究中相应的概念名为“智能边缘节点”，3GPP在RAN3和SA2子工作组中各自都有与MEC相关的立项。另外，国内标准化组织 CCSA 也有名为“面向服务的无线接入网”（SoRAN）的项目课题研究。

除了高带宽和低时延的5G应用需求驱动，诸如内容感知、网络能力开放、C/U分离等技术，也都和MEC有着紧密联系。对MEC关键技术与5G趋势技术进行结合分析，可以从多个角度得知MEC对5G发展具有促进作用。将MEC在现网中可部署的应用服务与5G 发展趋势联系起来，同时考虑，有助于MEC从4G现网到未来5G网络的平滑过渡。

2 MEC的关键技术与5G趋势技术的联系分析

本章将从几个不同的角度，包括MEC 的关键技术如业务和用户感知、跨层优化等，以及诸如网络能力开放、C/U分离等5G趋势技术，来分析MEC对5G发展的促进作用。

2.1业务和用户感知

传统的运营商网络是“哑管道”，资费和商业模式单一，对业务和用户的管控能力不足。面对该挑战， 5G 网络智能化发展趋势的重要特征之一就是内容感知，通过对网络流量的内容分析，可以增加网络的业务黏性、用户黏性和数据黏性。

同时，业务和用户感知也是MEC的关键技术之一，通过在移动边缘对业务和用户进行识别，可以优化利用本地网络资源，提高网络服务质量，并且可以对用户提供差异化的服务，带来更好的用户体验。

其实，为了改变哑管道的不利地位属性，部分运营商目前已经在现网 EPC 中开展了业务和用户识别的部分相关工作，主要依靠深度包解析（DPI）［4］得到的URL 信息进行关键字段匹配，目前第三方后向收费的资费模式也正处在尝试和逐步推进的过程中。与核心网的内容感知相比，MEC的无线侧感知更加分布化和本地化，服务更靠近用户，时延更低，同时业务和用户感知更有本地针对性。但是，与核心网设备相比， MEC服务器能力更受限。对于DPI的计算开销［5］能否承受，怎样减小开销（比如采用终端或核心网辅助解析的方式将部分应用层信息传递到低层协议头中）等问题，都有待研究形成业界共识。此外，对 HTTPS 加密数据的 DPI 目前还不成熟，相关的解析标准也还在制定中。

MEC对业务和用户的感知，将促进运营商传统的哑管道向5G智能化管道发展。

2.2 跨层优化

跨层优化在学术界已经有相当多的研究工作［6］，但该思想应用于现网还相对不多，MEC为此提供了契机。MEC由于可以获取高层信息，同时由于靠近无线侧而容易获取无线物理层信息，十分适合做跨层优化。跨层优化是提升网络性能和优化资源利用率的重要手段，在现网以及5G 网络中都能起到重要作用。目前 MEC 跨层优化的研究主要包括视频优化、TCP优化等。

移动网中视频数据的带宽占比越来越高，这一趋势在未来5G 网络中将更加明显。当前对视频数据流的处理是将其当做Internet 一般数据流处理，有可能造成视频播放出现过多的卡顿和延迟。而通过靠近无线侧的MEC 服务器估计无线信道带宽，选择适合的分辨率和视频质量来做吞吐率引导，可大大提高视频播放的用户体验。

另一类重要的跨层优化是TCP优化。TCP类型的数据目前占据Internet流量的95%至97%。但是，目前常用的TCP拥塞控制策略并不适用于无线网络中快速变化的无线信道，造成丢包或链路资源浪费，难以准确跟踪无线信道状况变化［7］。通过MEC 提供无线低层信息，可帮助TCP 降低拥塞率，提高链路资源利用率。

其他的跨层优化还包括例如对用户请求的RAN 调度优化（比如允许用户临时快速申请更多的无线资源），以及对应用加速的RAN 调度优化（比如允许速率遇到瓶颈的应用程序申请更多的无线资源）等。

2.3网络能力开放

网络能力开放旨在实现面向第三方的网络友好化，充分利用网络能力，互惠合作，是5G 智能化网络的重要特征之一。除了4G 网络定义的网络内部信息、 QoS 控制、网络监控能力、网络基础服务能力等方面能力的对外开放外，5G网络能力开放将具有更加丰富的内涵，网络虚拟化、SDN技术以及大数据分析能力的引入，也为 5G 网络提供了更为丰富的可以开放的网络能力。

由于当前各厂商设备各异，缺乏统一的开放平台，导致网络能力开放需要对不同厂商的设备分别开发，加大了开发工作量。ETSI对MEC的标准化工作中很重要的一块就是网络能力开放接口的标准化，包括对设备的南向接口和对应用的北向接口。MEC将对 5G网络的能力开放起到重要支撑作用，成为能力开放平台的重要组成部分，从而促进能力可开放的5G 网络的发展。

2.4 C/U分离

MEC由于将服务下移，流量在移动边缘就进行本地化卸载，计费功能不易实现，也存在安全问题。而C/U 分离技术通过控制面和用户面的分离，用户面网关可独立下沉至移动边缘，自然就能解决MEC 计费和安全问题。所以，作为5G趋势技术之一的C/U分离同时也是MEC的关键技术，可为MEC计费和安全提供解决方案。

MEC相关应用需求的按流量计费功能和安全性保障需求，将促使5G 网络的 C/U 分离技术的发展。

2.5 网络切片

网络切片作为 5G 的网络关键技术之一，目的是区分出不同业务类型的流量，在物理网络基础设施上建立起更适应于各类型业务的端到端逻辑子网络。MEC 的业务感知与网络切片的流量区分在一定程度上具有相似性，但在流量区分的目的、区分精细度、区分方式上都有所区别，如表1所示。

表1 网络切片与MEC的流量区分比较

MEC与网络切片的联系还在于，MEC可以支持对时延要求最为苛刻的业务类型，从而成为超低时延切片中的关键技术。MEC对超低时延切片的支持，丰富了实现网络切片技术的内涵，有助于驱使5G网络切片技术加大研究力度、加快发展。

3 MEC典型应用场景分析

根据第2章的分析，MEC典型应用场景主要的技术指标特征是高带宽和低时延，同时在本地具有了一定的计算能力；商业模式特征主要包括通过业务和用户识别使能的第三方业务区别化（对不同的第三方业务差异化地提供网络资源、开放网络能力），用户个性化（对不同用户差异化的前向或后向收费），以及与具体的部署、服务位置有关的本地情境化。表2 归纳了MEC 的几种典型应用及其所具有的特征。

3.1视频缓存与优化

该应用的目的在于视频播放加速，提高用户体验，尤其有助于4K/8K超高清视频和VR等对带宽要求高的内容源。牵涉到如下3种可能应用到的技术。

表2 几种应用案例所具有的MEC典型特征

a）本地缓存。将内容缓存到靠近无线侧的MEC 服务器上，用户发起内容请求，MEC服务器检查本地是否有该内容，如果有则直接服务；否则去Internet 服务提供商处获取，然后内容可缓存至本地供其他用户访问。该技术的核心问题在于内容的命中率，从而决定缓存设备的投资回报率。

b）基于无线物理层吞吐率引导的跨层视频优化。实质是下层信息传递给上层，根据物理层无线信道的质量，MEC服务器决定为UE发送视频的清晰度、质量等，在减小网络拥塞率的同时提高链路利用率，从而提高用户体验。

c）用户感知。通过在移动边缘用户感知，可以确定用户的服务等级，实现对用户差异化的无线资源分配和数据包时延保证，合理分配网络资源提升整体的用户体验。当然，差异化的用户等级服务也可实现比如前向免流量、后向收费等新的资费和商业模式。

3.2 本地流量爆发

本地 IP 流量爆发类应用特别适合于本地超高带宽和超低延迟的业务［8］。当UE 附着网络并从核心网获取IP地址后，UE为某项业务应用初始化IP请求。接入网可以通过识别数据包的地址、端口（IP五元组）或 UE ID，并且基于这些信息与本地数据服务器建立IP连接。

典型场景例如球场、赛场等实时直播，多角度拍摄的视频经过MEC 服务器向本地用户转发，用户可以随意选择观看，实时多角度观察了解赛事状况。类似的场景还有热点区域实时路况的视频转发等。

3.3监控数据分析

当前的视频监控采用以下2 种典型的数据处理方式。

a）在摄像头处理，缺点是要求每个摄像头都具备视频分析功能，会大大提高成本。

b）在服务器处理，缺点是需要将大量的视频数据

传到服务器，增加核心网负担且延迟较大。而使用具有较高计算能力的MEC服务器来处理，可降低摄像头的成本，同时不会对核心网造成负担，并且延迟较低。典型应用包括车牌检测（收费站、停车场等）、防盗监控等需要视频数据分析的应用。

3.4增强现实

增强现实（AR）是当前的关注热点。AR将真实世界和虚拟世界的信息集成，在三维尺度的空间中增添虚拟物体和信息，具有实时交互性。AR的应用场景涵盖了军事、医疗、娱乐、教育、影视等诸多领域。

AR的技术指标要求首先包括高数据量和低时延，此外，对数据库的匹配等计算还要求本地有一定的计算能力。可能商业模式利润间接来自用户（含在旅游景点、博物馆门票中或类似方式），以及在移动边缘进行广告等内容推送。

3.5大型场所的新型商业模式

MEC 的该类型应用大体上可分为商场和办公楼（工业园区）2种场景。商场需要关注盈利模式，盈利手段可以是与所在位置商场或消费区域的商家高度相关的广告、优惠券打折等信息推送，以及对于特定商家特定账户的免费服务（类似于1h免费手机电影），以吸引顾客前来等。对运营商的优势在于提供了基于大数据分析的多元化客户服务，有助于拓宽运营商盈利途径。

办公楼（工业园区）可以通过与物业所有者（公司）之间类似于“通信服务换配合建网运维”的共赢模式（比如提供一定数量的本地流量免费账户），缓解了运营商在室内网络建设和维护中与物业所有者的协商困难，降低了网建和日常运维成本（电费等开销）。另外，通过企业移动网络的整合，提高了用户黏性。而对于企业，MEC相对于目前更常见的WLAN 室内覆盖，提高了网络安全性。总体来说，可以让运营商、企业、物业多方受益。

4 MEC从4G到5G的平滑过渡部署建议

本章将基于MEC的上述技术特征及其适合的商业应用，就运营商的MEC战略给出适应于从4G现网到未来5G网络平滑过渡的部署建议，分为以下3个阶段。

4.1 阶段1

基于4G EPC现网架构，MEC部署在eNodeB之后、S-GW之前。MEC部署在基站汇聚节点后，即多个eNodeB 共享一个 MEC 服务器。MEC 服务器可以为单独网元，也可把MEC的功能集成在汇聚点或eNodeB 内。MEC服务器位于LTES1接口上，对UE发起的数据包进行SPI/DPI报文解析，决策出该数据业务是否可经过MEC 服务器进行本地分流。若不能，则数据业务经过MEC透传给核心网S-GW。如图1所示。

图1 阶段1部署建议：MEC服务器部署在RAN侧汇聚节点后

具体到部署要求，有以下几点值得注意。第一，虚拟化方面，MEC服务器尽量基于通用的虚拟化平台，以期未来可经过软件升级的方式实现4G到5G的平滑过渡。同时，与现网中的非通用网元虚实共存，促进现有网元的虚拟化替代，并期待网络在未来向全面虚拟化转型。第二，基于部署推动力的考虑，强调业务优先、分场景部署。针对大数据量、低时延等典型业务，优先考虑用MEC进行本地分流，降低传输及核心网压力。第三，对于LTE新建站（包括宏站和微站），在有具体业务需求的情况下，建议NodeB与MEC 服务器同时部署，实现一次进站、统一管理。此外，对于LTE已建站（包括宏站和微站），在有具体业务需求的情况下，也可打断S1-U接口并部署MEC服务。

阶段1 的方案因为考虑到现网条件，以及尚未冻结的相关技术标准等，因此存在如下几个问题。第一，由于EPC 的网关在现网中并没有实现分布式部署，MEC服务器只能部署在网关之前，流量计费存在问题。目前的应对措施是，由MEC 服务器把统计的流量上报给核心网（本地流量可适当打折计费），或者运营商与OTT厂商之间切磋新的商业模式（例如可通过提升场馆门票、广告推送等方式）。第二，由于标准尚未冻结，目前MEC服务器与eNodeB需要为同厂家设备，采用私有化接口，限制了运营商的选择。目前应对措施是转被动为主动，运营商需要联手在3GPP 等国际组织推动MEC 接口的标准化。第三，考虑到用户隐私及法规政策等因素，基站可开放哪些信息尚不明确，影响了MEC 服务器对用户业务的感知优化。目前的应对措施是优先开放用户不敏感信息，并尽快推动 MEC 网络能力开放的标准化工作。

4.2 阶段2

MEC 部署在下沉的用户面网关（GW-U）之后，与阶段 1 的部署方式并存。LTE C/U 分离标准冻结后，异厂家的GW-U与GW-C可实现标准化对接。在有具体业务需求的情况下，新建站建议采用基于 C/U 分离的NFV架构，MEC部署在GW-U之后，如图2所示。对于已建站，建议可保留，与阶段 2 的新部署方式并存。

图2 阶段2部署建议：MEC服务器部署在GW-U之后

在基于C/U分离的传统或NFV架构下，MEC服务器与GW-U 既可集成也可分开部署，共同实现本地业务分流。

4.3 阶段3

在基于SDN/NFV的5G网络架构下，DC采用分级部署的方式，MEC 作为CDN 最靠近用户的一级，与GW-U 以及相关业务链功能部署在边缘DC，控制面功能集中部署在核心网DC预期中的5G网络部署包括3级，由下到上为边缘 DC、核心DC和全国级核心DC。

具体地，全国级核心 DC以控制、管理和调度职能为核心，可按需部署于全国节点，实现网络总体的监控和维护；核心DC可按需部署于省一级网络，承载控制面网络功能，例如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等；边缘DC可按需部署于地（市）一级或靠近网络边缘，以承载媒体流终结功能为主，需要综合考虑集中程度、流量优化、用户体验和传输成本来设置。边缘DC主要包括MEC、下沉的用户面网关 GW-U 和相关业务链功能等，在有些场景下，部分控制面网络功能也可以灵活部署在边缘DC。

5 总结

本文分析了MEC的关键技术对5G网络发展的促进作用，举例说明了MEC 典型应用类型，并基于上述特征和4G现网特点提出了从4G到5G的MEC平滑过渡部署建议。对于运营商的5G网络发展，需要以 MEC 商业应用推动其落地部署；此外，还需充分利用MEC技术对5G发展的推动和促进作用，促进5G网络的发展，在5G战略上取得先机。

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