第 3 章 5G 網絡架構
| 3.6 5G 網絡重構關鍵技術 |
3.6.1 SDN——控制與轉發分離
3.6.3 移動邊緣計算（MEC）——業務本地化
移動通信的飛速發展促進了各種新型業務的不斷湧現，除了傳統的移動寬帶、 物聯網之外，移動通信催生了許多新的應用領域，如 AR/VR、車聯網、工業控制、 IoT 等，同時，對網絡帶寬、時延等性能也提出了更高的需求，網絡負荷進一步加重。
到 5G時代，三大應用場景和小于1ms的時延名額，決定了5G業務的終結點不 可能都在核心網後端的雲平台，而需要向使用者端靠近；其次，物聯網的核心是使萬物 互聯，而随着連接配接數的快速增長，一方面意味着海量資料的産生，另一方面物聯網 裝置往往還需要智能計算，幫助物聯網更好地實作物與物之間的傳感、互動和控制。
歐 洲 電 信 标 準 化 協 會（ETSI，European Telecommunication Standard Institute）于 2014 年提出了移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing）， 在 Mobile Edge Computing——Introductory Technical White Paper 中， ETSI 對于 MEC 的标準定義是：在移動網邊緣提供 IT 服務環境和雲計算能力。 NGMN 和 3GPP 等研究機構和标準化組織在研究下一代移動通信網标準時也都 考慮了 MEC，NGMN 将相關概念命名為“智能邊緣節點”，3GPP 在 RAN3 和 SA2 子組中都有 MEC 相關立項，國内标準化組織 CCSA 也有“面向服務的無 線接入網”（SoRAN）的課題研究。移動邊緣計算基本概念如圖 3-35 所示。
移動邊緣計算作為 4.5G/5G 網絡體系架構演進的關鍵技術，為無線接入網 提供 IT 和雲計算能力，使業務本地化、近距離部署成為可能，無線接入網由此 而具備了低延遲時間、高帶寬的傳輸能力，業務面下沉可有效降低網絡負荷以及對 網絡回傳帶寬的需求，進而實作縮減網絡營運成本的目的，同時也使得業務應 用更靠近無線網絡及使用者本身，更易于實作對網絡上下文資訊（位置、網絡負荷、無線資源使用率等）的感覺 和利用，進而可以有效提升 使用者的業務體驗，并給予運 營商通過 MEC 平台将無線網 絡能力開放給第三方業務應 用以及軟體開發商、為創新 型業務的研發部署提供平台的能力。
MEC 的實作取決于 MEC 平台的能力。MEC 平台提供了計算資源、存儲容 量、網絡連接配接線，并且可以擷取使用者業務流和無線網絡狀态資訊。ETSI 定義的 MEC 服務平台如圖 3-36 所示，主要包含 MEC 托管基礎設施層、MEC 應用平 台層和 MEC 應用層：
（1） MEC 托管基礎設施層，基于 NFV 的硬體資源和虛拟化層架構，提供 底層硬體的計算、存儲、控制功能和硬體虛拟化元件（包括基于 OpenStack 的 虛拟作業系統、KVM 等），完成虛拟化的計算處理、緩存、虛拟交換及相應的 管理功能；
（2） MEC 應用平台層，由 MEC 的虛拟化管理和應用平台功能元件組 成。其中，MEC 虛拟化管理采用以基礎設施作為服務（IaaS，Infrastructure as a Service）的思想，實作 MEC 虛拟化資源的組織和配置，為應用層提供 一個資源按需配置設定、多個應用獨立運作且靈活高效的運作環境。應用平台的功 能元件承載業務的對外接口适配功能，通過 API 完成和基站及上層應用層之間 的接口協定封裝，提供流量旁路、無線網絡資訊、VM 通信服務、應用與服務 注冊等能力，具備相應的底層資料分組解析、内容路由選擇、上層應用注冊管 理、無線資訊互動等基礎功能，相應的 API 采用網管 SNMP，通過 Get/Set Request/Set Response 消息執行個體完成參數及資訊互動。
（3） MEC 應用層，基于網絡功能虛拟化 VM 應用架構，将 MEC 功能組 件進一步組合封裝成虛拟的應用（本地分流、無線緩存、增強現實技術、業務 優化、定位等應用），并通過标準的接口開放給第三方業務應用或軟體開發商， 實作無線網絡的能力開放與調用。
MEC 關鍵技術主要包括計算解除安裝技術、無線資料緩存技術和基于軟體定義 網絡（SDN）的本地分流技術等。上述關鍵技術是 MEC 系統實作計算處理實 時化、資料處理本地化、資訊互動高速化的前提和基礎。
1．計算解除安裝技術
計算解除安裝技術是 MEC 系統實作終端業務實時化處理的重要手段。計算解除安裝 是指将部分計算功能由移動裝置遷移到 MEC 伺服器執行，其主要過程包括卸 載決策、解除安裝執行、結果回傳等。其中，解除安裝決策是指某項計算任務應如何進 行高效解除安裝，是計算解除安裝理論基礎；解除安裝執行是如何将計算能力在 MEC 服務 器和終端進行劃分，是計算解除安裝的核心；結果回傳是将計算任務處理結果下發 給終端使用者，是計算解除安裝最終實作并完成的關鍵。利用計算解除安裝技術，通過将 業務計算及時解除安裝到移動邊緣計算伺服器進行計算處理，能夠有效擴充移動設 備的即時計算能力，降低計算延遲，并增加移動終端的電池壽命。是以，高效 的計算解除安裝政策在邊緣計算技術中扮演着不可或缺的角色。
計算解除安裝的基本設計原理是，當終端發起計算解除安裝請求時，終端上的資源 監測器檢測 MEC 系統的資源資訊，整理出可用的 MEC 伺服器網絡的資源情況， 包括伺服器運算能力、負載情況、通信花銷等，根據上述接收到的服務網絡資訊， 終端内部的計算解除安裝決策引擎決定哪些任務為本地執行，哪些為邊緣計算節點執行，最後，根據計算解除安裝決策引擎的決策訓示，分割子產品将任務分割成可以 在不同裝置獨立執行的子任務。
計算解除安裝技術的應用能夠有效降低計算任務的時延，擴充移動裝置的計算 能力，并減少移動裝置的能量消耗。是以，探尋高效的計算解除安裝政策是 MEC 系統等相關研究的重點。
2．無線資料緩存技術
内容緩存政策和内容傳輸政策是無線資料緩存技術需要解決的兩個重要問 題。其中，内容緩存政策是指網絡邊緣節點對于熱點資料的選取和緩存機制， 内容傳輸政策是指網絡邊緣節點将其緩存的熱點資料分發給申請使用者的傳輸機 制，兩個問題互相影響、互相耦合。在已有的相關研究中，已對微小基站端的 内容緩存政策和内容傳輸政策進行了研究，并指出無線資料緩存技術能夠有效 減少海量資料在核心網内的備援重複傳輸，降低傳輸時延。需要指出的是，雖 然微小基站的無線資料緩存技術能夠将網絡的業務負載從核心網内解除安裝至網絡 邊緣節點處，并以此減輕承載網的鍊路阻塞，但在内容傳輸階段，資料業務的 發送仍然需要大量占用接入網的基帶資源和射頻資源，無線網絡的整體性能因 此無法獲得進一步突破。
為解決上述問題，相關研究者考慮了位于使用者終端處的無線資料緩存技術， 以解決微小基站端的無線資料緩存技術的瓶頸，并通過探索裝置到裝置（D2D） 通信機制下的内容緩存政策和内容傳輸政策，實作基站端基帶資源和射頻資源 的釋放，進一步提升移動通信網絡的傳輸性能。其中，有代表性的方向有如下 兩個：方向一研究了基于速率門限的 D2D 内容傳輸政策，通過選取具有高傳輸 速率的 D2D 資料鍊路進行資料傳輸，最大化 D2D 網絡的資料承載機率，并在 該政策下對最優内容緩存政策進行了求解；方向二考慮了基于載波監聽接入機 制的 D2D 内容傳輸政策，通過為可能沖突的終端使用者設定随機退避時間，減少 D2D 傳輸鍊路間的互相幹擾，并在此基礎上對最優的内容緩存政策進行了求解。
3．基于 SDN 的本地分流技術
基于 SDN 的本地分流技術是 MEC 系統實作網絡資訊互動高效化的有效措 施，其核心思想為：首先，SDN 控制器從本地或從政策伺服器擷取預先設定的 分流政策；其次，SDN 控制器根據資料流描述資訊和分流政策，生成分流規則 流表；最後，分流網關根據分流規則流表将相應的資料流進行最終分流。相比 于傳統的本地分流技術，基于 SDN 的本地分流技術能夠根據終端使用者的實際需 求和 MEC 系統的資源部署情況有效實作資料業務的本地化處理，縮短網絡對 終端使用者的響應時間，保證終端使用者資料業務需求的連續性，并大幅度降低核 心網的資料流量壓力，提升終端使用者的服務體驗。
基于 SDN 的本地分流技術的優勢之一是能夠快速适應由終端使用者的移動性 引起的網絡拓撲的變化，有效保證終端使用者的業務連續性。具體來說，當終端 使用者的位置發生變化時，基于 SDN 的本地分流技術能夠根據感覺到的網絡接 入點的改變重新生成路由轉發政策，并将其以流表的形式下發至交換機。由于 基于流表的轉發機制實時性強且配置靈活，基于 SDN 的本地分流技術能夠有 效處理由終端使用者位置變化引起的網絡接入點的切換，進而保障終端使用者的服 務體驗。綜上所述，在 MEC 場景下，MEC 伺服器通過感覺計算、緩存和網絡 的實時狀況，利用 SDN 實作了網絡資源的有效配置設定，以及資料業務的高效排程 與分發。是以，基于 SDN 的本地分流技術是 MEC 業務本地化未來發展的重要 趨勢。
目前，MEC 的主要應用包括本地内容緩存、基于無線感覺的業務優化處理、 本地内容轉發、網絡能力開放等，主要是應用在時延敏感、實時性要求高、大 資料量等場景，比如 V2V、AR、企業、MCDN、室内、IoT 等，通過在基站 側引入智能計算能力，營運商和網絡業務提供商的難題将有效緩解，業務體驗 更有保障，同時無線資源的管理更加智能和優化，不同等級的服務都可以實作。
在 5G 時代，MEC 的部署方案通常來說有兩種方式，一種是 MEC 伺服器 部署在 GW-UP 處，另一種是 MEC 伺服器部署在 NodeB 之後。
1．MEC 伺服器部署在 GW-UP 處
5G 網絡核心網 C/U 功能分離之後，U-Plane（對應 GW-UP）功能下移（可 以下移到 RAN 側，也可以下移到 CN 的邊緣），C-Plane（對應 GW-CP）駐留 在 CN 側。MEC 伺服器部署在 GW-UP 處，相對于傳統公網方案，可為使用者 提供低延遲時間、高帶寬服務。
2．MEC 伺服器部署在 NodeB 之後
MEC 伺服器部署在 NodeB 之後（一個或多個 NodeB），使資料業務更靠 近使用者側。如圖 3-37 點劃線所示，UE 發起的資料業務經過 NodeB、MEC 服 務器 1，然後到 Internet（第三方内容提供商伺服器）。計費和合法監聽等安全 問題需要進一步解決。 移動邊緣計算通過在無線接入網内提供雲化的計算、存儲、通信服務能力， 實作了近距離、超低延遲時間、高帶寬以及實時通路無線網絡資訊的服務環境，并 實作了網絡從接入管道向資訊化服務使能平台的跨越，是 5G 的關鍵技術之一。 目前，移動邊緣計算仍面臨着安全性、公平性、互操作性、移動性管理等方面 的研究挑戰，但已可預見，移動邊緣計算必将成為 5G 乃至未來移動通信系統 不可或缺的重要組成部分。