5GMEC部署研究与实践

熊国新 吴建辰

摘  要：多接入边缘计算可以解决5G网络的延迟、拥塞和安全等问题，满足5G垂直行業业务创新需求。但该技术的引入，也给运营商的5G网络带来新的挑战。针对运营商边缘机房的条件差，改造难度大，以及多接入边缘计算部署在边缘机房存在流量迂回等问题，结合广州移动的部署实践，从硬件选型、边缘云的轻量化部署，以及引入该技术带来的5G网络组网改造等方面进行分析探讨，给出在5G网络中多接入边缘计算的商用部署建议。

关键词：多接入边缘计算;用户面;5G;边缘计算

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A 文章编号：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时代，为了满足AR/VR、物联网、工业自动化、无人驾驶等新业务带来的高带宽、低时延业务需求，5G网络进行边缘分布式重构成为必然选择。在5G网络中，网元将控制面和转发面分离，进行分层部署。控制面集中部署，用户面则分散部署、贴近用户，实现管理成本以及用户体验的平衡。同时，为了有效实现业务下沉，缩短业务响应时间，并且将移动网络能力开放，边缘计算被引入。

按照欧洲技术标准委员会ETSI的定义，多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）指在包含一种或者多种接入技术的接入网络中，靠近用户的网络边缘，提供无线网络能力、IT业务环境和云计算能力的系统[1]。5G网络特征是去中心化[2]，C/U分离架构与移动边缘计算技术（Mobile Edge Computing，MEC）方向吻合。MEC将云端分布式应用下沉到电信网络边缘，与用户面（User Plane Function，UPF）结合，在业务第一出口提供算力。所以说，MEC的本质是一场架构革命，为满足超低时延和超大带宽的业务需求，应用Server将从Client-Server架构转向Client-Edge-Server架构[3]。

1  5G网络引入MEC必要性和挑战分析

5G新业务对带宽、时延、安全性等方面的需求越来越苛刻，传统云计算集中部署的方式已经无法满足业务的需求。MEC正是这样一个强大的平台，可以解决未来网络的延迟、拥塞和安全等问题。通过在网络边缘部署MEC平台，用户面UPF下沉到网络边缘，能够有效地将云的计算能力从中心延伸到边缘。然而，MEC的引入，同时也给运营商网络带来新的挑战。

（1）运营商拥有大量靠近用户的传统通信机房，但在面积、承重、供电容量、能效等关键指标上与标准数据中心有很大差距，并且大部分机房改造难度大。因此，需要能提供多形态的硬件来匹配不同机房;（2）由于受限于边缘机房的环境，MEC边缘云的规模通常比较小，服务器数量较少，可提供的硬件资源有限。然而，安装OpenStack等基础设施平台和管理模块会占用大量资源，造成边缘云的资源浪费。MEC边缘云的资源宝贵，提高边缘机房的单位面积算力成为关键;（3）MEC部署在边缘，UPF也同时下沉到边缘，与基站接入到分组传送网络（Packet Transport Network，PTN）。由于PTN网络的L3功能在骨干汇聚或更高机房，UPF的路由存在流量迂回，增大业务路径的时延。同时，5G网络还要能为下沉到边缘的UPF提供IP承载网接入和CMNET接入能力。

针对上述挑战，本文结合广州移动5G网络MEC的部署实践，从MEC硬件选型、边缘云的轻量化部署，以及引入MEC带来的5G网络组网改造等方面，给出MEC的部署建议。

2  不同部署位置的MEC硬件选型

MEC可以按照不同业务场景和业务时延的需求进行灵活的部署，通常可部署在接入机房、普通汇聚机房、重要汇聚机房和地市核心机房等位置。

在满足时延要求的前提下，带宽需求低的业务，从节省成本考虑，适合部署在地市核心机房;带宽需求高的业务，适合下沉至重要汇聚机房;时延要求低于10 ms业务，则要求部署在业务汇聚机房及以下级别的机房中。

MEC硬件的选型与MEC的部署位置相关，特别是下沉到普通汇聚机房及以下的MEC，硬件選型受限于边缘机房的环境。MEC硬件包括以下5种。

（1）通用服务器：在重要汇聚及地市核心机房，机房环境较好，采用通用服务器来部署MEC具有最佳的性价比。遵循网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）三层解耦的云化架构，UPF考虑到网络转发性能的要求，需要支持硬件加速;（2）开放电信IT基础设施（Open Telcom IT Infrastructure，OTII）定制服务器和一体机：在普通汇聚机房，由于受限于机房空间和供电能力，边缘服务器要求低功耗、小体积。此外，边缘服务器需更广的温度适应性和更强的环境适应性来应对边缘机房的复杂环境，建议采用OTII定制服务器。在运维能力弱的偏远地区，建议采用一体机。MEC一体机在出厂前完成预集成，开箱即用，现场轻维护，适合边缘维护人力不足的场景;（3）OLT硬件：在业务汇聚机房，无线接入设备、有线接入设备和传输设备部署在一起，设备多，空间小，供电和空调环境恶劣。在这样的环境中，通过DC化改造来部署MEC，不仅昂贵，而且工程非常困难。基于OLT内置刀片构建MEC，组网简单，部署便利，最大限度地降低MEC部署成本和困难[4];（4）基站室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）：在业务汇聚机房，为了满足5 ms以下超低时延的业务需求，实现“空口一跳直达”，可以采用基于无线基站融合的MEC方案。通过在基站BBU机框插入MEC单板，可以提供计算、存储和网络等资源，部署基站级的MEC[4];（5）加速硬件：为了降低时延，MEC还需要引入硬件加速技术。MEC服务器要求支持GPU，FPGA等加速扩展能力，通过加速硬件来提升边缘机房的单位面积算力，同时满足低时延、高带宽业务的极致体验需求。例如，通过基于FPGA智能网卡加速UPF，在软件VNF层进行数据报文的首包学习，生成转发流表，并将流表下发到智能网卡中;同一条流的后续数据报文将由智能网卡接收、解包、处理后直接转发，降低节点内转发处理层次，大幅减轻CPU计算、内存读取、PCIe总线的瓶颈[5]。

3  边缘云的轻量化部署策略

MEC边缘云的资源宝贵，为了减少边缘云平台和管理节点对资源的占用，需要对MEC边缘云进行精简，实现轻量化部署，提高边缘云的资源利用率。主要包括以下几种举措。

（1）对OpenStack的组件进行精简，只保留边缘必要的组件，去掉多余组件，减少对边缘资源的占用;（2）接入站点的主机和虚拟机（Virtual Machine，VM）数量较少，可以对OpenStack管理节点的进程数量进行优化配置，如Nova API、Nova Conductor、Cinder API、Neutron API进程数量可以从标准8个减少到2个，大幅降低管理节点对CPU的需求;（3）精简后的OpenStack管理节点与边缘云上的计算节点合设，不独占物理资源，以减少管理节点的资源占用[6]。

为了进一步降低管理资源占用，还可以采用可用区（Availability zones，AZ）拉远的方案，管理节点无须占用资源。每个接入站点（业务汇聚）作为AZ接入普通汇聚机房的管理节点，AZ计算节点与普通汇聚机房的管理节点之间要求三层网络互通，网络带宽要求1 Gbps以上，时延小于50 ms。

边缘云还会部署大量的行业应用，形态各异的各种行业应用要求边缘云平台能提供虚机，容器，裸机等基本多种形态的IaaS资源。因此，需要将OpenStack与Kubernetes进行融合，包括组件共享、资源共享，以及安装运维、用户管理、安全管控、资源管理的融合，从而降低管理开销，并为基础设施从云化向云原生平滑演进提供了坚实基础。

实践证明，通过边缘云轻量化部署（如图1所示），组件数量减少了60%，配置所需的资源减少了75%，不仅大大降低了管理节点对边缘云的资源需求，还提升了MEC边缘云的管理效率。

4  5G网络引入MEC的组网改造

在5G网络引入MEC，由于UPF下沉到网络边缘，将带来MEC传输接入、IP承载网接入和CMNET互联网接入的组网升级改造，即MEC传输接入改造

如图2所示，在面向ToB园区场景，为满足低时延业务需求，MEC需要部署在业务汇聚机房。然而，采用现有网络PTN传送接入方案，由于PTN的L3功能在骨干汇聚或更高机房，UPF用户面存在流量迂回，UPF下沉无意义。

如图3所示，将传输网络升级为切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）接入方案，结合弹性以太网（Flexible Ethernet，FlexE）技术，将5G大网络从逻辑上切分出独立子网和端口，满足各类人、物、车以及各种专网的应用需求，减少因物理带宽共享造成的相互干扰。SPN在端到端时延上，相比IP-RAN、PTN等4G承载网络，具有更佳表现，单节点转发时延从10～15 μs降低至1 μs。将SPN网络的L3功能下沉，避免了用户面数据迂回绕转，可以进一步提升转发性能、降低转发时延。

本次在广汽园区的MEC试点采用PTN接入，V2X业务的端到端时延在17 ms;采用SPN接入，端到端时延降低至16 ms。测试证明，MEC采用SPN接入比PTN接入具有更低时延优势。综上对比分析和测试，MEC传输方案建议优先接入SPN网络。

5  面临问题与挑战

5.1  MEC技术标准有待完善

MEC的技术标准体系已经初步建立，但仍需进一步完善。需要进一步细化体系架构、应用接口、网络能力开放、云边协同和安全标准等技术方案。

5.2  MEC带来应用系统架构的重构

现有的应用系统，大多采用Client-Server架构。引入MEC，大量的应用系统都需要重构为Client-Edge-Server架构，实现云边协同。应用系统重构将给应用系统的运维、网络管理、行业深度融合等多个方面带来新的挑战。企业组织架构也需要去适应新的技术和新的架构带来的变化。

5.3  MEC与5G网络的互操作及应用跨层创新

MEC作为应用功能（Application Function，AF）需要能够从“业务控制面和业务用户面”感知到上层应用的业务状态，然后代表应用和5G核心网交互。上层应用能够通过MEC作为AF，與5G核心网对接，主动触发5G核心网选择边缘UPF，改变分流策略。上层应用要能结合MEC提供的无线网络开放能力，如100多种无线网络信息服务（Radio Network Information Services，RNIS）能力，实现无线感知，加速应用的跨层创新[7]。

6  结  论

综上所述，结合MEC业务需求、机房设施、MEC硬件选型、边缘云的轻量化部署以及引入MEC带来的5G网络组网改造等方面分析，广州移动搭建多级MEC，通过MEC部署，探索MEC组网、建设模式、与第三方的合作模式、边缘基础设施管理等内容，为5G MEC建设及未来大规模部署积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1] ETSI. Multi-access Edge Computing （MEC）;Framework and Reference Architecture （V2.1.1）：ETSI GS MEC 003—2019 [S].Valbonne：ETSI，2019.

[2] 3GPP.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Services and System Aspects;System architecture for the 5G System （5GS）;Stage 2（Release 16）：（3GPP TS 23.501） [S].Valbonne：3GPP，2019.

[3] GIUST F，VERING，ANTEVSKI K，et al. ETSI White Paper No.24——MEC Deployments in 4G and Evolution Towards 5G [M].Valbonne：ETSI，2018.

[4] 中兴通讯.中兴通讯MEC+X全场景部署白皮书 [EB/OL].（2020-05-17）.https：//res-www.zte.com.cn/mediares/zte/Files/PDF/white_book/202005161532.pdf.

[5] 陆威，方琰崴，陈亚权.URLLC超低时延解决方案和关键技术 [J].移动通信，2020，44（2）：8-14.

[6] 杜鹏，孙志刚.面向5G的MEC边缘云部署方案[J].中兴通讯技术（简讯），2020（1）：17-21.

[7] 陈云斌，王全，黄强，等.5G MEC UPF选择及本地分流技术分析 [J].移动通信，2020，44（1）：48-53.

作者简介：熊国新（1967.01—），男，汉族，江西鹰潭人，高级通信技术工程师，硕士研究生，研究方向：核心网及传输规划;吴建辰（1987.03—），男，汉族，河南商丘人，中级通信技术工程师，硕士研究生，研究方向：核心网及传输规划。