運營商5G邊緣計算發展策略探討

［姜瑞峰 楊旭 梁冰 徐鳳全 程少杰］

1 引言

隨著5G商用網絡的成熟發展以及云計算業務的迅速增長，全球移動數據流量呈現爆炸式增長，據《愛立信移動市場報告》中預測，到2026年移動數據流量將達到226EB/月，相比2020年增長近4.5倍，其中視頻流量占比77%[1]。傳統的云計算已經無法滿足物聯網、社交網絡、智能互聯網絡等終端側“大連接，低時延，高帶寬”的云資源需求。在已有的網絡架構下，大部分業務流量需要經過整個接入網、傳送網、承載網、核心網，通過接入、轉發、路由等多層設備，雖然可以通過提高帶寬來提升網絡質量，但是一些對時延及網絡可靠性敏感的業務仍然無法保證，嚴重影響用戶體驗。為了有效解決移動互聯網、物聯網等高速發展帶來的高可靠、高帶寬以及低時延等要求，MEC的概念應運而生。

2 邊緣計算概述

邊緣計算的概念源于內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN），常被認為是邊緣節點上的內容分發與緩存，隨著發展早期CDN定義的范圍已經無法完全涵蓋邊緣計算。歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）于2014年成立了移動邊緣計算規范工作組，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絡內部遷移到移動接入網邊緣，實現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認為邊緣計算不應局限在移動網絡場景下，在2016年對MEC的概念進行了重新定義，多接入邊緣計算（Multi-Access Edge Computing）的概念由此產生[2]。然而，根據市場的需求與產業的發展成熟度來看，目前移動網絡場景下的邊緣計算仍然是運營商主要發力的重點。

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。如圖1所示[3]。在圖上右側的MEC系統中，主要分為了系統級和主機級兩層。其中系統級主要包含MEO、VNFM、EMS等運維管理系統，用于對系統中的計算、存儲、網絡、應用、服務的整體把控。主機級主要包含虛擬化基礎設施、移動邊緣平臺（MEP）、應用、本地管理組成，通過采用通用的硬件基礎設施，為運行的各種各樣的應用提供虛擬化組件，MEP平臺通過標準化的API接口與第三方應用實現互通，為用戶提供服務。

圖1 5G邊緣計算融合參考架構

3 業務發展分析

ETSI定義了MEC七大應用場景：視頻優化、增強現實、企業分流、車聯網、物聯網、視頻流分析和輔助敏感計算。如圖2所示[4]。主要可分為應用本地化、內容區域化、計算邊緣化三類。

圖2 MEC七大應用場景

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

（2）內容區域化：如視頻優化、視頻流分析場景，主要為運營商高帶寬內容從中心到區域分布式部署，節省傳輸資源，提升用戶體驗。典型應用如移動視頻監控等。

（3）計算邊緣化：如增強現實、車聯網、物聯網、輔助敏感計算場景，主要為新型超低時延業務在邊緣側才能滿足業務訴求。典型應用如自動駕駛、機器人協作、遠程醫療等。

除了圖2的應用場景外，整個產業的應用數量眾多，一個應用場景內部因為技術的不同又劃分為不同的子類型，每種子類型的端到端產業發展成熟度是不同的，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對配套設備的要求較低，生態成熟早，所以能較早在市場上商用。根據目前運營商客戶的典型訴求，匯總形成3個發展階段。如圖3所示。結合產業成熟度及市場訴求，從分流到計算，從局域到廣域，逐步推進5G行業商用解決方案。2B是邊緣計算基石，圍繞港口，碼頭，園區等，打造行業樣板，并進行復制推廣；2B&2C容易爆發增長，圍繞游戲，文娛，場館，挖掘市場需求，探索商業模式。

4 5G邊緣計算目標架構及發展策略建議

4.1 5G邊緣計算目標架構建議

圖3 5G邊緣計算發展三階段

目前運營商商用5G網絡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5G網絡的大帶寬、高質量、低時延等目標。然而，隨著用戶需求的不斷提高，應用對網絡的要求也越來越高，僅僅依靠5G網絡不足以實現eMBB、uRLLC、mMTC等多種技術場景的業務需求。為了能夠更好的支持5G業務的本地化部署、內容的緩存分發、網絡邊緣側的硬件加速能力，滿足大流量的移動寬帶業務、無人駕駛等超高可靠超低時延的通信、大規模的物聯網等業務場景，本文給出了運營商5G邊緣計算目標架構的建議，如圖4所示。

圖4 5G邊緣計算目標架構

本文給出的目標架構主要分為5個層級：集團集中、大區中心、省中心、地市、企業自有園區。

（1）集團：主要是對全國5G邊緣計算節點進行運營運維，在標準化功能基礎上形成標準化產品，提供統一的產品中心與營銷門戶，支撐各分公司的邊緣計算產品運營運維。

（2）大區中心：5G核心網控制面網元集中部署在大區網絡云上。

（3）省中心：主要部署MEC網管側能力網元，實現對全省MEC節點的生命周期管理、業務的開通、資源的管控；通過二級能力管理平臺與二級運營平臺實現對省內MEC平臺功能的統一編排、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節點，為用戶提供本地的流量轉發與路由功能、增值業務流量的本地終結、應用的本地化部署所需的通用硬件、虛擬層、加速、安全等基礎能力。

（5）企業自有園區：根據企業需求，按需提供UPF分流能力或“網+云”的MEC節點，部署在企業自有機房，實現企業內部數據的終結。

4.2 R16 5G標準在邊緣計算中的應用

在3GPP TSG第88次會議上，國際移動通信標準制定組織3GPP（第三代移動通信合作伙伴計劃）宣布5G第一個演進標準R16（Release 16）凍結。R16標準重點針對垂直行業能力進行增強，實現了5G從“能用”到“好用”的過渡，讓5G能進一步賦能千行百業。如果說前10年，人們致力于實現“人人有寬帶”，那么接下來的10年，將是一個“物物聯5G”的時代[5]。為了更好地闡述R16標準引入對5G邊緣計算發展的關鍵作用，本文首先對5G LAN、eLCS、5G URLLC、eNA、TSN、NPN、eV2XARC、CIOT 5G技術進行了簡述，根據市場需求的迫切程度及產業技術成熟度，將上述技術的應用分為了3個發展階段，為未來R16技術在5G邊緣計算中的應用提供參考。如表1所示。

表1 R16 5G標準引入三階段

（1）近期

主要包含5G LAN（5G工業局域專網），支持終端動態群組管理、二層以太網通信、用戶面直接通信，基于廣域網構建用戶虛擬5G LAN專網；eLCS（定位增強），商業定位、定位能力開放、定位業務感知和隱私保護等功能；5G URLLC（低時延高可靠網絡），在低時延基礎上增加了高可靠特性，E2E方案和N3/N9雙通道方案，以及QoS監控特性，保證極致的可靠性。

（2）中期

主要包含eNA（網絡數據分析），引入了NWDAF網絡數據分析、切片SLA監控和保障、基于Service MOS的5G QoS增強功能；TSN（時間敏感網絡），聚焦精準時鐘同步、5GS與TSN系統集成、QoS Framework增強和模型映射；NPN（5G行業專網），具備獨立部署NPN，公網集成部署NPN能力。

（3）遠期

主要包含eV2XARC（車聯網能力增強），5G V2X服務架構的增強實現，將V2X控制網元移到PCF網元，多級別QoS和預測，支持單播組播及廣播的PC5接口通信；5G_CIoT（蜂窩物聯網），面向未來核心網演進，實現NB-IoT終端接入5GC。

4.3 “MEP”發展策略

“MEP”作為運營商5G邊緣計算節點的PaaS平臺，可以提供統一的服務框架，為應用提供網絡能力和垂直行業能力，開放大網能力。編解碼轉換、IPSec、AI等，通過MEP開放Restful API的方式供本地APP調用。作為從傳統管道向內容提供者轉變的重要環節，本文建議MEC平臺應提供開放的MEP架構，持續做厚MEP連接能力，同時引入第三方服務并統一開放，吸引企業應用上線MEP平臺，結合業務發展需求，持續豐富行業場景MEP服務能力，構筑MEP競爭力。MEP平臺發展策略導圖如圖5所示。

（1）開放的API GW架構：遵循ETSI標準，提供第三方APP（提供者）服務注冊入口，并對外開放給第三方APP（消費者）。

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

圖5 MEP平臺發展策略導圖

（3）第三方應用服務：第三方應用作為服務提供者，可通過API GW統一開放，豐富服務能力。

（4）持續豐富MEP服務能力：根據5G標準技術發展、市場需求及產業生熟度，將按照3個階段持續豐富MEP服務能力。MEP服務能力如圖6所示。

圖6 MEP服務能力

4.4 邊緣“云”發展策略

運營商作為傳統網絡的提供者，基礎網絡能力在市場競爭上有著天然優勢，近幾年，通過大力建設“云”設施、發展“云”能力，也初見成效。對于邊緣云的發展策略，本文建議以以網帶云、以云促邊的原則，采用異構的邊緣云技術架構多云協同發展，后期根據業務發展需求橫向擴展云基礎資源與云服務，管理面通過統一的邊緣云管理系統實現異構資源管理協同。

4.5 MEC管理域發展策略

依據運營商現有的運維體系，結合MEC結構特點，構建兩級運維模式，通過省中心集中化遠程運維+地市輔助運維+企業自服務，實現網絡、資源、生態應用的統一智能關聯分析，保障行業生態業務體驗。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鍵能力，提供從網絡到資源，從生態應用再到核心網業務SLA的立體化運維分析能力。根據運維需求及智能化手段應用，可將MEC管理域發展分為以下4個階段。

圖7 兩級運維模式

（1）產品監控、輔助定位：提供租戶級網絡連接類、資源類訂購產品性能監控；網絡拓撲、資源拓撲狀態可視化分析；基于拓撲節點進行告警、性能、事件關聯分析，輔助告警/故障診斷分析。

（2）SLA監控、自動化診斷：提供5G LAN、5G切片、位置服務等訂購產品性能監控；視頻回傳、PLC遠程控制業務核心網SLA監控；增強拓撲可視化展示能力，支撐性能、告警、日志、事件關聯分析，以及故障一鍵診斷。

（3）知識圖譜、一鍵恢復：增強AI算法，提升跨層及橫向ICT關聯分析能力；增強知識圖譜，增強自動故障定位能力；網絡及應用故障自愈。

（4）立體化運維、無人值守：擴展核心網業務SLA監控范圍；無人值守，提供網絡、資源到應用的立體化保障能力；資源預測，資源利用率提升，資源性能優化。

4.6 MEC節點部署策略

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

共享式：在地市核心機房，構建完整的MEC節點統籌考慮業務時延、建設維護成本、覆蓋范圍、安全容災、規模效益、產業成熟度等多方面因素，建設初期，以筑巢引鳳方式在地市核心機房統一建設共享式MEC節點，以網隨也懂方式按需在企業園區部署入駐式MEC節點，打造標準化解決方案及組網方案，快速滿足MEC建設需求，搶占邊緣行業市場。MEC節點，包括UPF、組網設備、通用計算服務器、存儲服務器。就近接入核心機房CMNet、IP承載網、傳輸網、網管網等網絡。采用同城異局址容災方式。

圖8 各級機房時延示意

入駐式：根據企業需求，按需構建UPF+企業私有云（企業自有）或完整的MEC節點。就近接入SPN網絡，通過SPN對接CMNet、IP承載網、無線網、網管網等。按需提供無容災、異局址容災、與共享式MEC節點N+1主備方式容災。MEC節點部署示意如圖9所示。

圖9 MEC節點部署示意

5 結束語

本文在5G邊緣計算的業務發展需求基礎上，對總體的目標架構、新技術的應用、MEP平臺、邊緣云、管理域的發展以及組網部署給出了建議。5G邊緣計算的目標架構能夠融合ETSI MEC平臺和3GPP 5G網絡架構為5G