基于MEC下沉的承载网解决方案分析

2021-09-16戴小平胡昱

科学与信息化 2021年23期

戴小平胡昱

中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司浙江杭州 310015

引言

智慧产业园区是智慧城市的展示窗口。5G、云计算、AI技术将助力产业园区实现数字化和智能化。数字园区的打造符合智慧城市的发展战略，也将满足全区企业产业规模化、集群化、现代化升级的发展需求。5G将应用MEC下沉、切片等技术，加速产业园区的数字化、网络化、智能化转型，满足产业园区内部企业“低时延”、“大带宽”等需求，助力企业资源整合、建立智能制造平台、打造高端企业品牌。

1 MEC下沉的技术特点

早期的产业园区信息化，以IT应用为核心，仅涉及OA办公、上网、刷卡考勤等内容。随着园区数字化改造的开展，园区内部产生了业务子系统远程作业、部分线上服务等数字化服务。这些业务对应的组网架构中，核心网一般位于省会城市，对接承载网的核心层。这种模式下，业务需要经过接入层、汇聚层、骨干层、核心层，对承载网的整体带宽要求高，而且由于经过的承载网层级较多，传输距离较远，导致业务时延较大，仅适用于园区内对时延要求不高的业务，不利于新型的低时延业务的开通。

随着5G时代的到来，物联网、云计算、大数据、AI等新型ICT业务快速铺展，园区内企业要求操作系统、管理系统等多系统全连接，数据全融合，并且具备数据可视化、可管理、可控制、甚至高保密的特性。园区内的典型业务，例如机器控制、机器视觉、移动机器人、工业AR及监控、海量数据采集与链接、对业务端到端带宽、时延提出了极高的要求。为了满足这些业务需求，MEC技术应运而生。MEC具有多接入特性，能将用户通过不同接入网同意接入5G核心网；具有部署在边缘的特性，将核心网控制面和网关分离，实现网关边缘化部署，将核心网用户面功能UPF下沉靠近用户的网络边缘，与Service、App等一起部署在MEC平台中，就近提供服务，满足低时延需求；具有计算能力，将计算能力下放至MEC，实现AI、渲染边缘化计算的功能。MEC在应用层集成安防、定位、服务、能效管理等功能，在平台层提供业务处理、数据处理、AI处理、数据储存等功能，为用户提供统一的接口标准、维护标准等平台能力。并且，MEC将下沉至地市骨干层，甚至汇聚层，部署在网络边缘，以此达到为用户就近提供大带宽能力、降低业务时延的目的。MEC下沉至边缘带来了三个优势：①低时延：缩短端到端的业务时延，满足时延敏感业务的需求；②大带宽：减少对承载网核心层、骨干层的带宽需求，更容易满足大带宽业务的需求；③安全可靠：在园区附近或园区内部署MEC，可以满足数据不出园的需求，降低数据在传输过程中的风险。所以MEC下沉将成为数字园区的最优解决方案，承载网架构也将针对MEC下沉做出相应的调整与改变[1]。

2 承载网的应对方案

传统组网架构中，MEC部署在核心机房中，MEC对接承载网核心层。5G室分站点部署在园区内，承载网需要解决基站和MEC对接的N3业务传输问题。如图1所示，数据需要经过接入层、汇聚层、骨干层、核心层。数据穿过的网络层级多，光缆路由距离长，设备处理和转发时间长，会导致时延增加。根据测算，如果MEC部署在核心层，与承载网的核心设备对接，那么业务接入点到MEC的传输距离将需要大量的跨地市对接，传输距离普遍大于200km，传输时延RTT将大于5ms。

图1 传统组网架构中MEC与承载网的对接方式

传统架构中，MEC和5G NGC核心网设备都位于核心机房，承载网一般仅承载N3业务，建立NG-RAN和UPF之间的数据通道。针对共享式MEC，TO B业务和TO C业务共用VPN，可以不再新建VPN。

如果MEC下沉至地市骨干机房，MEC与承载网的骨干层设备对接。根据测算，业务接入点到MEC的传输距离一般为100km，传输时延RTT将降低至2.5ms左右。如图2所示，承载网不仅需要承载5G基站至MEC的数据，还要承载MEC至核心网5G NGC、MEC至VoLTE SBC、MEC至MEC管理面的数据。也就是说，针对N3业务和N4业务，承载网都需要进行L3VPN的配置。

图2 MEC下沉至骨干机房与承载网的对接方式

MEC下沉至地市骨干机房架构中，承载网一般承载N3、N4业务。对于N3业务，承载网建立NG-RAN和UPF之间的数据通道。针对共享式MEC，TO B和TO C共用VPN，可以不再新建VPN。对于N4业务，承载网需要打通UPF和SMF之间的数据通道，采用三层组网，全网新建一个N4 VPN[2]。

如果MEC进一步下沉至园区，MEC与承载网的汇聚层设备对接，那么业务接入点到MEC的传输距离将进一步缩短至20km，传输时延RTT将降低至1ms左右。如图3所示，承载网不仅需要承载5G基站至MEC的数据，需要承载MEC至核心网5G NGC、MEC至VoLTE SBC、MEC至MEC管理面的数据，还要承载MEC至锚点UPF的数据。也就是说，针对N3业务、N4业务和N9业务，承载网都需要进行L3VPN的配置。

图3 MEC下沉至园区机房与承载网的对接方式

MEC下沉至园区架构中，MEC接入承载网可能涉及的业务包括N3、N4、N6、N9、OM。对于N3业务，承载网建立NGRAN和UPF之间的数据通道。针对共享式MEC，TO B和TO C共用VPN，可以不再新建VPN。对于N4业务，承载网需要打通UPF和SMF之间的数据通道，采用三层组网，全网新建一个N4 VPN。对于N6业务，承载网需要打通UPF和DN之间的数据通道，尽可能采用三层组网方案，采用不分层方案，全网新建一个共用N6 VPN。对于有特殊隔离需求的企业，承载网可以单独建立独享的N6 VPN。如果涉及多机房的分布式UPF，会产生UPF之间的N9业务对接。对于N9业务，承载网需要打通UPF和UPF之间的数据通道。如果UPF之间涉及防火墙的问题，承载网采用二层架构方案。如果承载网采用三层架构方案，需要全网新建一个共用的N9 VPN。对于OM业务，承载网将在全网建立一个共用OM VPN载业务。

此外，5G承载网侧可以根据用户对园区专网数据可靠性的要求，提供FlexE的技术，保证生产网和公网的绝对隔离。为了给园区所有业务提供高效的SLA保障，实现网络的隔离和独立运营，承载网需要满足3个诉求：业务内容的安全隔离，业务的独立运营，为业务提供可保障的SLA。承载网为了满足这3个诉求，提出了网络片技术。

网络切片是基于客户化的需求，满足客户特定的业务隔离需求，在网络硬件实体上搭建的包含了虚拟网元、网管系统以及运算和存储资源的临时逻辑网络。用户根据不同的可靠性要求、带宽要求、时延要求，承载网予以满足。相比于传统的QoS只用来保障网络的传输质量，切片还提供了计算、存储、安全方面的保障。如图5所示，网络切片可以按照业务特性或者业务类型进行切片。根据业务特性的切片，不区分业务类型，将具有相同业务质量要求的业务放在一个切片内。根据业务类型的切片，按业务类型划分切片，但同一类业务存在不同服务质量要求，需要行隔离。

图4 根据业务性的切片

图5 根据业务类型的切片

传统以太网存在着接口速率提升困难、业务带宽互相抢占的问题。切片技术引入了FlexE接口，将传统的以太网两层架构改成了三层架构：client、shim、group。Client对应客户的业务流，通过FlexE接口接入后，多条client可以封装进一个FlexE接口。Shim对PHY的带宽进行了时隙划分。它主要利用传统时隙划分的思想，将传统以太网接口速率通过时隙进行划分，用来承载不同的切片业务。各个接口的物理带宽由于是基于时隙的划分，而不是统计复用，不会出现冲突和抢占，解决了传统以太网业务抢占的问题。比如对于一个100GE的接口划分20个时隙，每个时隙5GE，然后对时隙进行配置，最终可以配置成三个非标准速率的15GE、45GE、40GE接口。Group则是把几个端口通过Flex接口进行了绑定，例如2个100GE的接口绑定成200GE的接口，并且两个100GE接口上的流量负载均衡，解决了传统以太网Eth-trunk端口绑定后负载不均衡的问题。

FlexE可以通过通道层的66bit码块交换建立交叉连接，形成端到端的FlexE组网架构，有效降低业务时延。并且FlexE支持1+1双端倒换、1+1单端倒换、1:1双端倒换等保护模式，而且通过在通道层中插入OAM报文实现更加丰富的FlexE交叉故障感知。

在园区业务部署的时候，核心网确认业务切片，例如生产网切片、办公网切片、常规互联网切片后，承载网根据无线的切片需求，利用FlexE的硬切片特性，可以将传输承载网通道划分成生产网切片、办公网切片、常规互联网切片等子通道，各个切片间的数据互相隔离，保证生产网的绝对可靠[3]。在H市，某运营与大型企业GW合作，构建了MEC下沉部署的低时延切片。GW的业务根据国家相关文件的要求，必须实现信息管理区块和生产控制区块的业务隔离。运营商在承载网侧，根据GW企业的业务需求，配置了三个单独的FlexE通道，并且基于FlexE通道部署了VPN Over SR-TP隧道，保障了动力保障业务的低时延需求，端到端通信时延可以满足至17ms以内，并且可以实现设备终端的时间同步等要求。