5G MEC边缘云组网方案与业务案例分析

2019-11-07 11:55:17 移动通信 2019年9期

吕华章 张忠皓 李福昌

【摘  要】运营商根据5G组网的架构,考虑MEC边缘云的组网方式,包括NSA和SA两类。本文介绍了5G NSA MEC边缘云和5G SA MEC边缘云的组网架构及演进模式,分析了影响运营商建设MEC边缘云的几类因素。最后,介绍了目前边缘云的基本平台能力分流技术的实现,并对常见的边缘云应用场景如安防监控和工业互联网,进行了实际的案例分析和架构说明。

【关键词】边缘云;NSA;SA;能力开放;本地分流技術

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.006        中图分类号:TN929.5

文献标志码:A        文章编号:1006-1010(2019)09-0028-06

引用格式:吕华章,张忠皓,李福昌. 5G MEC边缘云组网方案与业务案例分析[J]. 移动通信, 2019,43(9): 28-33.

5G MEC Edge Cloud Networking Scheme and Business Case Analysis

LV Huazhang, ZHANG Zhonghao, LI Fuchang

[Abstract] Based on the architecture of 5G network, operators consider the network mode of MEC edge cloud, including NSA and SA. This paper introduces the network structure and evolution mode of 5G NSA MEC edge cloud and 5G SA MEC edge cloud, and analyzes several factors that affect operators construction of MEC edge cloud. Finally, this paper introduces the implementation of the basic platform capability streaming technology of edge cloud at present, and gives a practical case analysis and architecture description of the common application scenarios of edge cloud, such as security monitoring and industrial Internet.

[Key words]edge cloud; NSA; SA; capability openness; LBO technology

1   引言

MEC边缘云(Multi-Access Edge Cloud)是在靠近人、物或数据源头的网络边缘侧部署云资源池和云平台[1-2],它在5G时代将扮演重要的角色。MEC边缘云的优势在于,一方面它实现了在更靠近数据源所在的本地网内运算,尽可能地不用将数据回传到云端,减少数据往返云端的等待时间和网络成本,大幅度降低了对运营商核心网和传输网的拥塞与负担,减缓网络带宽压力[3-4]。另一方面,MEC边缘云作为一个能力开放平台,不仅提供基本的云资源,同时提供丰富的平台能力。通过开放网络能力与大数据、云计算平台结合,使得第三方应用部署到网络边缘,提升用户业务体验和指标。目前3GPP协议在23.501和23.502中已经明确将5G网络支持边缘计算特性作为标准规范[5-6],未来在5G网络建设中,将考虑支持相关业务及设备部署。

本文接下来将详细介绍了5G NSA和SA架构下MEC边缘云组网架构,并分析影响MEC边缘云建设的因素,并给出了已经获得商用部署的边缘云案例和场景对平台能力开放的要求。

2   运营商5G MEC边缘云组网架构

2.1  5G NSA架构下MEC边缘云组网

由于国内运营商将首先部署5G NSA组网,因此针对不同的组网架构需要考虑不同的MEC边缘云组网方案。国内运营商NSA架构采用Option3系列组网方案中的Option3x方案。

该系列NSA组网架构中,核心网采用EPC+,是4G EPC的演进。LTE eNB和5G NR同EPC+的接口为S1接口,S1-C为控制面接口,S1-U为用户面接口。所有的Option3系列组网方案中,S1-C控制面信令均走LTE eNB锚点。根据用户面锚点的情况,Option3中仅用LTE eNB作为用户面锚点,Option3a中LTE eNB 和NR均提供用户面路径到EPC+,而Option3x用NR作为唯一的用户面路径。NSA架构下,终端通过双连接同时接入4G和5G网络。NSA模式下,要求5G/4G设备同厂商。

图1为5G NSA Option3x MEC边缘云组网架构,eNB和gNB分别作为控制面和用户面的锚点,MEC边缘云需要将S1-U和S1-C全部连接。Option3x方案中,由于eNB和gNB的建设位置很可能不是同机房部署,因此,需要新建设备连接。Option3x的方式施工成本最大,新增MEC边缘云同无线设备的连接无法避免,仅在4G和5G共BBU的时候可以节约建设成本。

图2展示了5G NSA架构下,MEC边缘云作为独立网元同其他网元之间的连接。目前建设初期,MEC边缘云仅处理基本的数据分流、基站信息开放等功能。

如图3、图4所示,由于5G NSA沿袭了4G的大部分EPC架构,导致MEC边缘云的部署仍然无法解决计费、合法监听等问题。解决方法是将MEC边缘云演进到增强型边缘云,MEC边缘云具备处理控制面信令的能力,还支持同其他4G核心网网元的对接,包括CG(Charging GW,计费)、P-GW、LIG(Lawful Interception Gateway,警用监听中心)等,以实现对计费、合法监听等功能的支持。业务的支持同4G完全一致,通过对应的Tracking Area指向MEC边缘云,本地流量直接转发到本地应用,非本地流量则与上级机房的PGW通过S5接口对接,不需分流的业务通过S5接口上送,只需要对MEC边缘云配置好分流规则即可。计费功能:通过与上级机房的CG通过Ga接口对接,实现分流业务的计费;合法监听:通过与上级机房的LIG通过Xn(X1/X2/X3)接口对接,实现合法监听。

最后,考虑CUPS(Control and User Plane Separation,控制/用户面分离)架构,将网络的控制面CP和用户面UP分离,目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁,使其既可灵活部署于核心网(中心数据中心),也可部署于接入网(边缘数据中心),最终实现可分布式部署。基于CUPS架构的MEC组网如图5所示。

2.2  5G NSA架构下MEC边缘云组网

如图6所示,独立组网SA架构采用Option 2组网方案,核心网采用全新的5GC,5G gNB和5GC连接进行5G独立组网,终端通过切换或回落等互操作到4G网络。该架构使用全新的NR和5GC,能够实现全部的5G新特性,能够支持5G网络引入的所有相关新功能和新业务,适用于5G系统的目标架构和最终形态,适合在整个5G商用周期内进行部署。

在5G SA架构中,采用全新的5GC核心网,MEC边缘云的部署同UPF下沉网元关系密切。由于UPF网元负责5G系统中所有用户面相关的工作,包括流量转发、计费、数据包解析等,因此通过UPF网元不仅可以完全实现4G网络中的分流功能,还能够实时对MEC边缘云相关业务的计费和监听,所以建议部署MEC边缘云的位置都配套部署UPF下沉网元。

在5G网络架构下,整个MEC边缘云不仅部署MEP,同时还部署5G虚拟化网元。结合NFV技术,MEP以虚拟化方式部署,并集成各类平台能力。MEP的管理与编排网元可以跟随MEP部署,也可以通过集中化拉远方式在控制面统一部署。

5G SA MEC边缘云部署与网元关系如图7所示:

3   MEC边缘云应用场景和案例分析

3.1  本地分流

目前产业界应用最为广泛的是MEC边缘云的分流技术,即本地分流(LBO, Local Break Out)。如图8所示,本地分流的作用在于流量不出园区,可以将符合分流规则的流量分流到本地网,节约了流量回传(回传网、核心网、Internet)造成的时延,同时也能够降低对骨干网的流量压力。

在MEC边缘云侧配置分流规则,通常采用IP五元组法和基于DNS域名解析的分流规则。基于IT五元组的分流规则:IP地址+端口号;基于DNS响应的分流规则:DNS目标域名。MEC对所有eNB覆盖区域流量进行拆包检测,符合分流规则的访问流量直接分流至本地网,不符合分流规则的按照原有路径访问Internet。MEC部署层级决定了可接入基站数和覆盖面积;可以接入基站数决定了MEC需要处理的流量数。MEC的部署位置属于串接,如果MEC故障,则流量完全透传,仅无法实现分流,不影响业务。

3.2  安防监控

目前安防监控领域,从部署安装角度,一般传统的监控部署采用有线方式,有线网络覆盖全部的摄像头,布线成本高,效率低,占用大量有线资源。采用Wi-Fi回传的方式也广泛应用,经济便捷,但是Wi-Fi稳定性较差,覆盖范围较小,需要补充大量AP点以保证覆盖和稳定性。

安防监控领域 “端-网-边”格局如图9所示。

基于上述诉求,可以将监控数据分流到边缘云业务平台,从而有效降低网络传输压力和业务端到端时延。图10为基于边缘云的边缘业务平台的AI视频分析系统协同架构。边缘云对4G摄像头采集的视频进行本地分流,降低对核心网及骨干网传输带宽资源的占用,缩短端到端时延。集中云计算中心执行AI的Training任务,边缘云执行AI的Inference,二者协同可实现本地决策、实时响应,可实现表情识别、行为检测、轨迹跟踪、热点管理、体态属性识别等多种本地AI典型应用。此外,有线摄像头亦可以接入边缘云智能分析平台。

3.3  工业互联网

面向工业互联网的边缘计算体系架构可以从多种角度进行描述,其中,从部署的角度看,在产线、车间和工厂内均能够部署边缘计算节点设备。这些节点设备均能够提供网络、计算、存储等ICT资源,但设备形态可以分为边缘控制器,边缘网关和边缘云。

中国联通联合合作伙伴,共同推出5G+MEC边缘云工业行业智能一体化解决方案。该解决方案在工厂园区内部搭建LTE/5G-MEC-IoT无线专网,实现工业园区本地分流,保证业务低时延。基于MEC边缘云技术,本地提供云计算能力并搭载AI机器视觉能力,面向制衣厂进行印花检测和布料检测。

边缘云在工业互联网智能制造中的应用如图11所示。

4   结论

作为一项新的ICT融合技术,MEC边缘云可以整合电信运营商的各类资源,为5G时代业务的快速部署和運行提供丰富的平台能力。由本文分析可知,短期内,运营商将快速实现5G NSA商用,因此整体MEC边缘云组网架构将不发生改变,仅接入侧实现4G和5G基站多接入,但是需要考虑MEC边缘云设备是否有必要演进成支持计费、合法监听、CUPS等功能的形态。5G SA架构是最为理想的MEC边缘云组网架构,UPF按需下沉,MEC边缘云部署在UPF之后,有助于实现广覆盖和区域覆盖,分流计费等问题也将完全由UPF解决。MEC边缘云的商业模式比较多样化,目前应用的场景和行业也非常广泛。未来需要丰富平台能力,赋能更多场景,快速孵化解决方案和产品,实现MEC边缘云全产业链条的快速发展。

参考文献:

[1] ETSI. Mobile-Edge Computing Introductory Technical White Paper[EB/OL]. (2016-12-03)[2019-09-01]. https://portal.etsi.org/Portals/0/TBpages/MEC/Docs/Mobile edge Computing Introductory Technical White Paper_V1%2018-09-14.pdf.

[2] 施巍松,孙辉,曹杰,等. 边缘计算:万物互联时代新型计算模型[J]. 计算机研究与发展, 2017,54(5): 907-924。

[3] 中国联合网络通信集团有限公司. CUBE-EDGE 2.0及行业实践白皮书[Z]. 2019.

[4] 中国联合网络通信集团有限公司. 中国联通通信云架构白皮书[Z]. 2017.

[5] 3GPP. 3GPP TR 23.501: System Architecture for the 5G System; (Release 15)[S]. 2017.

[6] 3GPP. 3GPP TR 23.502: Procedures for the 5G System (Release 15)[S]. 2017. ★