MEC研究进展与应用场景探讨

作者:中国联通网络技术研究院/李福昌 责任编辑:耿鹏飞 2017.02.23 16:03 来源:通信世界网

移动通信的飞速发展促进了各种新型业务的不断涌现,除了传统的移动宽带、物联网之外,移动通信催生了许多新的应用领域如AR/VR、车联网、工业控制、IOT等,同时对网络带宽、时延等性能也提出了更高的需求,网络负荷进一步加重。

为了有效满足移动互联网、物联网高速发展所需的高带宽、低时延的要求并减轻网络负荷,欧洲电信标准化协会(European Telecommunication Standard Institute, ETSI)于2014年提出了MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算),基于5G演进架构,将基站与互联网业务深度融合的一种技术。NGMN和3GPP等研究机构和标准化组织在研究下一代移动通信网标准时也都考虑了MEC,NGMN将相关概念命名为“智能边缘节点”,3GPP在RAN3和SA2子组中都有MEC相关立项,国内标准化组织CCSA也有“面向服务的无线接入网(SoRAN)”的课题研究。

移动边缘计算(MEC)作为4.5G /5G网络体系架构演进的关键技术,可满足系统对于吞吐量、时延、网络可伸缩性和智能化等多方面要求。依托于MEC,运营商可将传统外部应用拉入移动网络内部,使得内容和服务更贴近用户,提高移动网络速率、降低时延并提升连接可靠性,从而改善用户体验,开发网络边缘的更多价值。

文章结合MEC发展的驱动力,介绍了MEC的基本概念、网络架构和关键技术,并针对未来业务的需求论述了MEC的应用场景和解决方案。

MEC概念和关键技术

ETSI定义MEC为通过在无线接入侧部署通用服务器,为移动网边缘提供IT和云计算的能力,强调靠近用户。MEC使得传统无线接入网具备了业务本地化和近距离部署的条件,从而提供了高带宽、低时延的传输能力,同时业务面下沉形成本地化部署,可以有效降低对网络回传带宽的要求和网络负荷。

另一方面,MEC把无线网络和互联网技术两者有效融合在一起,并在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能,构建了开放式平台以植入应用,并通过无线API开放无线网络与业务服务器之间的信息交互,对无线网络与业务进行融合,将传统的无线基站升级为智能化基站。面向业务层面(物联网、视频、医疗、零售等),移动边缘计算可向行业提供定制化、差异化服务,进而提升网络利用效率和增值价值。

MEC服务器主要包括3层逻辑实体:

1)MEC平台基础层,基于NFV的硬件资源和虚拟化层架构,提供底层硬件的计算、存储、控制功能和硬件虚拟化组件(包括基于OpenStack的虚拟操作系统、KVM等),完成虚拟化的计算处理、缓存、虚拟交换及相应的管理功能。

2)MEC功能组件,承载业务的对外接口适配功能,通过API完成和基站及上层应用层之间的接口协议封装,提供流量旁路、无线网络信息、VM通信服务、应用与服务注册等能力,具备相应的底层数据包解析、内容路由选择、上层应用注册管理、无线信息交互等基础功能,相应的API采用网管SNMP,通过Get/Set Request/Set Response消息实例完成参数及信息交互。

3)MEC应用层,基于网络功能虚拟化VM应用架构,将MEC功能组件进一步组合封装成虚拟的应用(本地分流、无线缓存、增强现实技术、业务优化、定位等应用),并通过标准的接口开放给第三方业务应用或软件开发商,实现无线网络的能力开放与调用。

MEC网络架构

基于4G EPC架构MEC方案

在4G网络中部署MEC主要有两种方案:将MEC服务器部署在无线(RAN)侧,将MEC服务器部署在核心网(CN)侧(如图1 和图2)。

方案1:MEC 服务器部署在RAN侧

MEC 服务器部署在多个eNodeB的汇聚节点之后(比较常见的部署方式),或者单个eNodeB之后(针对热点区域,例如校园、大型购物中心等)。这种架构方案的优势在于更方便通过监听、解析S1接口的信令来获取基站侧无线相关信息,但计费和合法监听等安全问题需要进一步解决。

MEC 服务器可以为单独网元,也可以把MEC的功能集成在Hub Node或eNodeB内。若MEC 服务器为单独网元,则可以与Hub Node及eNodeB为异厂家设备。4G MEC 服务器如果是基于NFV虚拟化平台,可与基站、核心网共用统一的硬件资源平台,平滑过渡到5G网络中。

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图1 MEC部署在基站汇聚节点后

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图2 MEC部署在单个基站后

方案2:MEC 部署在CN侧

MEC 服务器部署在核心网P-GW之后(或与P-GW集成在一起),可以解决方案1中的计费和安全等问题。存在的问题是MEC 服务器的位置离用户较远,时延较大,且占用核心网资源。其中也有两种实现方案。

1)不改变现有EPC架构,MEC 服务器与P-GW部署在一起。UE发起的数据业务经过eNodeB、Hub Node、S-GW、P-GW+MEC 服务器,然后到公网Internet。该部署方式不存在计费、安全等问题(如图3)。

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图3 MEC与P-GW部署在一起

2)改变现有EPC架构,MEC 服务器与D-GW部署在一起,原P-GW拆分为P1-GW和P2-WG(即D-GW),其中P1-GW驻留在原位置,D-GW下移(可以到RAN侧,也可以到CN边缘)。D-GW具备计费、监听、鉴权等功能。MEC 服务器与D-GW可以集成在一起,也可以作为单独网元部署在D-GW之后。P1-GW与D-GW之间为私有接口,需同一厂家设备(如图4)。

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图4 MEC与D-GW部署在一起

基于5G架构MEC方案

基于5G的MEC方案通常来说有两种方式,一种是MEC 服务器部署在GW-UP处,另一种是MEC 服务器部署在基站之后。

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图5 5G架构的MEC方案

1)MEC 服务器部署在GW-UP处

5G网络核心网C/U功能分离之后,U-Plane(对应GW-UP)功能下移(可以下移到RAN侧,也可以下移到CN的边缘),C-Plane(对应GW-CP)驻留在CN侧。MEC 服务器部署在GW-UP处,相对于传统公网方案,可为用户提供低时延、高带宽服务。

2)MEC 服务器部署在NodeB之后

MEC 服务器部署在NodeB之后(一个或多个NodeB),使数据业务更靠近用户侧。如图5中蓝色实线所示,UE发起的数据业务经过NodeB、MEC 服务器 2,然后到Internet(第三方内容提供商服务器)。计费和合法监听等安全问题需要进一步解决。

MEC应用场景探讨

目前MEC的主要应用包括本地内容缓存、基于无线感知的业务优化处理、本地内容转发、网络能力开放等,主要是应用在时延敏感、实时性要求高、大数据量等场景,比如V2V、AR、企业、MCDN、室内、IoT等,通过在基站侧引入智能计算能力,运营商和网络业务提供商的难题将有效缓解,业务体验更有保障,同时无线资源的管理更加智能和优化,不同等级的服务都可以实现。

本地内容缓存类应用

MEC服务器与业务系统对接,获取业务中的热点内容,包括视频、图片、文档等并予以本地缓存。在业务进行过程中,MEC服务器对基站侧数据进行实时的深度包解析,如果终端申请的业务内容已在本地缓存中,则直接将缓存内容定向推送给终端。

增强现实AR是一种利用计算机产生的附加信息对使用者所看到的真实世界景象进行增强或扩展的技术。AR系统使用了不同研究领域的多种技术,包括虚拟现实技术、计算机视觉技术、人工智能技术、可佩戴移动计算机技术、人机交互技术、生物工程学技术等。针对AR技术,MEC解决方案的技术手段主要有Cache(AR内容)、视频分析等。MEC服务器缓存需要推送的AR音视频内容,基于定位技术和地理位置信息一一对应。根据终端发起的应用请求,MEC服务器通过深度包解析判断应用内容,结合位置信息确定推送AR内容并发送给用户。MEC解决方案一方面通过内容本地化降低了内容时延,提升用户体验;另一方面基于位置,大大增强了AR的应用效果和价值。

业务处理与优化类应用

业务优化通过靠近无线侧的MEC服务器,可以对无线网络的信息进行实时采集和分析,基于获得的网络情况对业务进行动态的快速优化,选择合适的业务速率、内容分发机制、拥塞控制策略等。

业务优化处理的典型应用是视频监控。当前的视频监控所采用的两种典型的数据处理方式主要有两种。

1. 在摄像头处理——缺点:要求每个摄像头都具备视频分析功能,会大大提高成本。

2. 在服务器处理——缺点: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。

使用具有较高计算能力的MEC 服务器来处理,不仅降低摄像头的成本,而且也不会对核心网造成负担且延迟较低,监控设备的视频数据可以借助本地分流解决方案直接传递到数据中心,提升视频监控部署的便利性,监控摄像头获取的视频可以在本地进行分析,基于实时事件监测来进行更高级的决策判决。连接到网络的摄像头可以提供更强的灵活性和更低的时延,摄像头的业务保持稳定并私有化,具有更低的时延并缓解回传压力。

本地分流类应用

用户可以通过MEC平台直接访问本地网络,本地业务数据流无需经过核心网,直接由MEC平台分流至本地网络。本地业务分流可以降低回传带宽消耗和业务访问时延,提升业务体验。

在视频直播中,热点区域的视频直播类业务,包括赛车场、球场的多个角度的视频直播以及热点区域实时路况视频转发,用户可以随意选择观看各个角度的直播高清视频,此类业务如果采用经过核心网的传统解决方案,可能时延较高,远不能满足用户实时性需求。热点区域的现场视频业务流不经过核心网,直接由MEC平台分流至本地网络,用户可以通过MEC平台直接访问本地网络。可以降低回传带宽消耗和业务访问时延,提升业务体验,有效减轻核心网负担。

本地分流类业务另一个典型应用是企业解决方案。企业用户访问公司内网(包括内部网站、论坛、FTP业务等),处理内网邮件、内部IM通讯等,免费访问且业务体验更佳。在企业内部署网络需要与物业所有者之间进行协商。MEC解决方案把服务器和企业网打通,通过深度包解析识别本地和非本地业务,从而保持企业业务本地化,本地业务不会传送到EPC也就不会收费,非本地业务转发至核心网。一方面避免了路由迂回,降低了用户访问时延,缓解网络压力;另一方面强化了本地内容的安全性,可开展相关增值服务。

网络能力开放类应用

通过MEC平台,移动网络可以面向第三方提供网络资源和能力,将网络监控、网络基础服务、QoS控制、定位、大数据分析等能力对外开放,充分挖掘网络潜力,与合作伙伴互惠共赢。

网络能力开放类业务的典型应用是智慧商场。商场的业务主要关注盈利模式,通过对用户的实时定位,进行室内导航及周边商铺查询,车库辅助智能找车等,以及与用户位置或消费区域相关的广告、优惠券等信息进行推送,或者基于对用户的行为数据分析实现精准营销。为了给用户提供更好的服务,MEC服务器可以位于商场内,离用户较近,便于分析用户位置以及给用户提供本地的个性化服务。顾客进入商场时,先对用户进行实时定位,使用户了解最新产品信息,商家视频等。同时,商场可以根据用户的定位信息插入高相关度和本地化广告,提供手机上免费观看的电影和优惠券。

总结

MEC属于一个新兴的技术与市场,有很多还未开发的商业模式等待各个厂家共同创新、创造。根据Gartner的报告,到2020年全球连接到网络的设备将达到约208亿台,移动端应用将迫切需要一个更有竞争力、可扩展,同时又安全和智能的接入网。MEC将会提供一个强大的平台解决未来网络的延迟、拥塞和容量等问题。在5G时代,MEC的应用将伸展至交通运输系统、智能驾驶、实时触觉控制、增强现实等领域。同时,新的MEC行业标准和MEC平台的部署,也将提供一种新型的网络生态系统和价值链,为运营商、厂家、OTT和第三方公司带来新的营运模式,基于MEC的移动网络和移动应用的无缝结合,将为网络业务和服务的创新带来无限可能。

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