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《面向5G网络的边缘计算技术》

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摘要：边缘计算作为5G网络发展的重要方向之一,能更好地服务于时延敏感型业务和大带宽类业务.本文分析了边缘计算的典型场景,介绍了边缘计算目前的标准和产业进展情况.并对面向5G网络的边缘计算的总体架构和功能进行了详细分析,重点阐述了面向部署存在的问题（包括组网、网络信息开放和商业模式）,最后对提出的问题给出了建议.

关键词：5G；边缘计算；分层部署；边缘云数据中心；资源管理

1 引言

从2014 年起,边缘计算的概念逐渐走进人们的视野.边缘计算的产生是为了解决集中部署的云计算带来的时延过长、网络拥塞等问题,边缘计算与云计算相比,能更好地服务于实时性要求较高和带宽要求较高的业务.边缘计算的本质是在网络边缘为应用提供IT基础设施和能力平台,实现计算、存储等资源和相应的能力平台从云向网络边缘的延伸.

从边缘计算概念产生开始,就有很多针对边缘计算应用场景的研究分析.从时延敏感型业务（如工业控制、自动驾驶、AR/VR）到大带宽类业务（如视频监控、视频直播）,各类纷繁复杂的应用都可以利用边缘计算的能力来优化实现.

为了更好地理解多样化的边缘计算应用场景,根据应用数据的特征,可将边缘计算应用场景分为本地数据处理及网络能力/信息开放两类.

（1）本地数据处理

实现本地数据处理是边缘计算的基本能力,也是边缘计算应用的基本需求.本地数据处理避免了网络长距传输带来的传输资源浪费和响应时延增加.根据某地4G现网端到端时延测试数据表明,一个需要异地交互的应用往返时延大约为30～80ms.因此,对时延需求在30ms 以下的应用都需要边缘计算的本地数据处理能力.典型应用包括：

●企业办公：要求本地数据在企业内部处理,保障安全性.

●视频监控：有较大传输带宽需求,本地卸载可节省传输资源.

●AR/VR 业务：端到端时延小于15ms,业务传输需占用较大带宽.

●低时延工业控制：端到端时延小于10ms.

●车联网自动驾驶：端到端时延小于3ms,对业务连续性有要求.

（2）网络能力/信息开放

实现网络能力/信息开放是边缘计算的增值能力,也是边缘计算应用的增值需求.一些部署在本地的应用需要基于移动网络能力和信息来实现或优化业务.通常本地应用需要的网络信息包括无线接入网资源使用情况（空口拥塞情况）、用户上下文信息（用户位置、终端能力）、用户签约信息（签约标识、优先级）,需要的网络能力包括业务和资源的控制能力（业务质量、策略、安全控制和监控）等.典型应用包括：

●客流定位：移动网络向应用提供用户位置信息.

●视频优化：移动网络向应用提供无线网络拥塞信息.

●游戏体验提升：应用调用移动网络的资源控制能力,保障高优先级用户的业务体验.

2 边缘计算标准和产业发展现状

边缘计算的需求已经呈现.在移动网络中,由于4G时代没有标准的分流机制,边缘计算面临计费、移动性管理等一系列难题,业界并没有形成系统性的解决方案.因此,边缘计算在4G网络并没有得到大规模的部署和应用,而5G 标准已推动支持灵活的分流机制,并形成了统一的移动边缘计算网络架构,为规模推广奠定了基础.

（1）边缘计算标准进展

ETSIMEC工作组于2014 年成立,迄今共发布11本白皮书,提出边缘计算整体架构,在边缘计算平台能力、应用生命周期管理、资源管理等方面已有较成熟的规范,但还欠缺与移动网络能力/信息开放的对接部分,这也是ETSIMEC下一步的工作重点之一.ETSIMEC 最初的名称是“Mobile Edge Computing”,特指移动网络中的边缘计算.在2017 年年初,为了匹配物联网/工业互联网领域边缘计算的需求,工作组改名为“Multi-access Edge Computing”,将工作组范围扩大到多接入的边缘计算,并新增了与WLAN接入相关的网络开放API的定义.

除了ETSIMEC定义的内容,边缘计算能力在网络中应用还需要得到3GPP标准的支持.但3GPP在R15之前并没有考虑对边缘计算能力的支持,因此在4G网络中实现边缘计算没有直接的标准解决方案,而一些替代的本地路由分流方案如LIPA/SIPTO（Local IPAccess and Selected IP Traffic Offload）、CUPS（ControlPlane and User Plane Separation）也因受限于4G网络架构,方案的设计对现有网络改造较大,会造成网络部署和管理的复杂,因此在4G网络中没有得到广泛应用.5G 从架构设计之初就考虑了对边缘计算的支持,在2017 年12 月3GPP已经冻结的5G系统架构标准中,对涉及到边缘计算的会话管理机制和用户面管理机制进行了详细设计,为边缘计算功能在5G网络中的实现部署提供了标准依据.

（2）边缘计算产业进展

OICT 各领域巨头均已开始布局边缘计算.在互联网云计算（IT）领域,各厂家将云PaaS 能力延伸到边缘,为用户提供边缘计算套件.在工业（OT）领域,各厂家依托在用户现场的数据采集处理的已有积累,控制边缘业务数据入口.在电信运营商（CT）领域,AT&T 开展大规模5G 边缘计算试点并战略投入Akraino 边缘计算开源项目.德国电信成立MobileXEdge 公司专注边缘计算的技术研究和产业推动.国内电信运营商也纷纷开展边缘计算方案研究和试点,包括CDN、智能制造、车联网、智慧场馆等业务.

目前,整个边缘计算产业还处于技术完善期和商业探索期,随着5G和工业互联网的快速发展,将进一步促使边缘计算产业的成熟.

3 面向5G网络的边缘计算技术分析

3.1 总体架构和功能分析

面向5G网络的边缘计算总体架构由3GPP定义的分散在5G网络架构中的分布式用户面功能UPF（UserPlan Function）和ETSIMEC定义的边缘计算平台ECP（EdgeComputingPlatform）两部分组成.

与路由转发相关的本地分流功能由灵活部署的UPF实现,5GUPF功能受5G核心网控制面统一管理,其路由分流的策略由5G核心网统一配置.与边缘数据处理相关的功能由ECP实现,ECP是支持虚拟化/容器技术的平台系统,包括基础资源层、平台和管理层、接口和应用层,可对外开放API 接口,支持第三方应用在ECP系统上的灵活快速部署.

（1）5G核心网支持边缘计算的功能

支持边缘计算的5G核心网功能包括用户面功能UPF 和会话管理功能F（Session ManagementFunction）.

UPF 在边缘计算中主要实现本地分流能力,具体的实现机制如下：

●通过数据包目的IP 地址进行分流：5GUPF根据网络配置的相关策略,通过检查数据包的目的IP 地址、端口号或URL,对需要进行本地卸载的数据包进行本地分流.此方案主要针对上行业务流.

●通过数据包源IP 地址进行分流：5GUPF根据网络配置的相关策略,通过识别数据包的源IP 地址、端口号,对需要进行本地卸载的数据包进行本地分流.此方案需要5G核心网将数据流识别分类能力配置给终端,即终端通过判断业务类型,选择合适的源IP 地址.该方案可针对Https 等网络无法识别的业务流进行本地分流.

● 本地会话建立方案LADN（Local Area DataNetwork）：5G核心网将本地边缘计算业务的服务范围配置到终端.当终端到达本地数据网络的覆盖范围时,通过使用LADNAPN,可自主发起本地PDU 会话建立,当终端移出本地数据网络的覆盖范围时,网络自动中断其本地会话数据.

F在边缘计算中主要实现UPF动态管理功能,支持本地UPF 的动态加入和删除.F 可基于某些触发条件（如收到应用功能AF的通知、远端UPF 检测到有本地业务流出现）动态建立到达本地UPF 的数据通道；也可基于某些触发条件（如终端移动、本地业务流终结）动态删除已经建立的本地UPF数据通道.5GF还支持业务连续性保障机制,保证终端在移动场景下,UPF的频繁切换不会影响终端的业务体验.

（2）基础资源层

边缘计算平台ECP 的架构如图1 所示.ECP 基于虚拟化/容器技术实现,分为硬件资源层和虚拟资源层.

ECP 硬件资源层可采用X86 通用服务器,在一些特殊应用场景下考虑硬件加速,如针对视频图像处理的边缘计算应用（AR/VR业务）,需要采用GPU来提高处理能力.除了硬件加速之外,业界也在研究在边缘计算中使用化服务器,主要考虑到网络边缘位置机房空间和机房条件的限制,且边缘位置对硬件资源的共享需求远远小于集中部署的云计算中心,因此一体化的ECP 硬件设备在集成度、环境耐受性上都具有一定的优势.

ECP虚拟资源层可采用虚拟机或容器技术.虚拟机隔离性较好,但性能开销较大且适配性略差,而容器启动速度快,资源利用率较高,但隔离的安全性较差.考虑到边缘计算的应用场景复杂,应用的开发工具和编程语言具有多样性,边缘计算需要为各类应用提供多种开发工具和多种编程语言的运行环境.同时,网络边缘位置对资源利用率比较敏感,因此容器技术已经逐渐成为边缘计算虚拟化平台选择的重要技术.

（3）平台和管理层

ECP 的平台和管理层包括资源管理和应用管理平台.

在ETSI MEC 规范定义中,ECP 资源管理遵循ETSINFV（Network FunctionVirtualization）工作组定义的MANO（Management and Network Orchestrator）管理体系,支持以Openstack 为主的虚拟机编排工具和以Kubernates 为主的容器编排工具.但在具体实现中,MANO管理体系并不完全适用于边缘计算场景.一方面某些边缘场景可调度的资源极其受限,MANO管理体系过于重量级,需考虑轻量级的资源管理机制；另一方面已有的互联网应用生态并未遵循MANO体系,为了兼顾边缘计算多生态的发展,需要考虑更开放、更互联网化的资源管理机制.

ECP 应用管理平台遵循ETSIMEC工作组定义的MECAPP 生命周期管理和服务管理机制.边缘计算ECP上的每一个应用APP都可以作为一个服务被其他APP 调用,因此ECP 支持MECAPP 的自动加载、更新和删除,也支持MECAPP服务的发现、激活和去激活.

（4）接口和应用层

目前,ETSIMEC工作组定义的接口除了ECP 平台系统内部的管理接口外,还对边缘计算应用提供了一套基于Restful 的统一API 接口,支持第三方应用的灵活加载和移动网络信息的封装和开放.统一API 接口设计支持ECP 上边缘计算APP 的加载、实例化、终止、删除、扩缩容、状态改变通知、APP 间的相互通信.对移动网络信息开放的封装目前支持无线网络信息服务和位置服务,未来随着对边缘计算应用需求的深入研究和移动网络信息开放的进一步定义,API 接口设计还将进一步丰富.

在ETSI MEC 定义的API 接口中,规定了基于HTTPRestful 风格,采用JSON 语言,但没有对协议内容进行明确规范,因此业界还缺少具体的实现参考,还需要在边缘计算的实践中进行完善.

此外,3GPPSA6 也开始对边缘计算统一API 接口进行设计,SA6 于2017 年3 月开展启动对移动网络北向API架构设计的研究,该项标准将参考ETSIMEC发布的接口API白皮书,同样适用于边缘计算场景.

3.2 面向部署存在的问题和解决建议

虽然5G网络从技术上原生支持边缘计算的管道能力,但在考虑实际部署时,仍然面临一系列问题.本文将从组网、网络信息开放和商业模式3 个维度阐述部署应考虑的问题和解决的建议.

（1）组网

在5G时代,由于接入网功能集中与核心网功能下移,使得网络面临复杂多样的部署.边缘计算与接入网单元的关系,以及边缘计算在网络中的部署位置都是需要明确的问题.

●边缘计算与接入网单元的关系

5G接入网按照协议栈分为DU（Distributed Unite）和CU（Central Unite）两部分.DU部署在接入机房,而CU可灵活部署在接入机房和边缘数据中心.5G核心网用户面UPF 功能可灵活下移到网络边缘,对接入网上传的数据流量进行分流,卸载到本地边缘计算平台系统或者传输到核心数据中心.根据接入网和核心网的逻辑功能要求,核心网UPF 和边缘计算平台系统并不能完全解析和识别DU处理后的数据流,因此UPF和边缘计算平台系统都需要部署在CU之后.

●边缘计算在网络中的部署位置

通过场景分析可知,并不是所有的边缘计算应用都需要极低的交互时延.对某些时延不敏感的业务,如视频类业务和场馆直播业务,可以考虑部署在时延可保障的边缘云数据中心；而对时延要求较苛刻的业务,如工厂控制、车联网防碰撞等极低时延需求的业务,可根据实际网络的机房条件部署在接入机房.

因此,边缘计算平台系统可按业务需求在网络中进行分层部署,灵活部署在接入机房和边缘数据中心（见图2）.

在5G eMBB 组网下,空口单向时延约为4ms,5G基站到边缘云数据中心距离为50~100km,若采用时延可保障的传输新技术FlexE（灵活以太网）,可保证数据在经过50～100km 距离回传至边缘云数据中心时,时延无抖动,并保持在1ms 范围.综合考虑接入网DU/CU,核心网用户面UPF,边缘计算平台系统ECP 的处理时延,可以得出,部署在接入机房的边缘计算能力能达到10ms 以下的网络时延,而对时延要求在10ms 以上的场景则可以考虑部署在边缘云数据中心.

（2）网络信息开放

ETSIMEC工作组已经定义了无线网络信息服务、位置服务、QoS 服务等API,将从移动网络获取的无线网络信息、用户位置信息、QoS信息封装后开放给边缘计算的应用.但ETSIMEC工作组并未考虑如何从移动网络获取这些信息.3GPPSA2 和SA6 定义了从核心网角度的网络能力/信息开放的框架和API 接口,但这些标准并未与边缘计算应用结合.因此,目前在业界的边缘计算方案实现中,关于网络能力/信息开放的部分均采用私有的实现,如从基站直接开放用户的场强信息给边缘计算平台,私有实现的弊端不仅造成了基站设备和边缘计算平台不能异厂家部署,也带来了一定的安全隐患.

为了统一网络能力/信息开放在边缘计算平台上的实现,需要考虑以下几个方面：

●边缘计算平台系统ECP需要考虑与移动核心网的业务能力开放功能SCEF（Service CapabilityExposure Function）之间的通信,获取从SCEF开放给第三方的网络能力/信息,并转发给不同的边缘计算应用进行处理.因此,ECP需要实现一个网络能力/信息开放的代理功能,负责接收从移动网络传递来的网络信息,屏蔽多个边缘计算应用直接与SCEF交互带来的复杂性.

●增强SCEF架构和功能：扩展SCEF的信息采集方式,支持从移动无线网络直接收集无线网络信息和用户位置信息等,以满足实时性网络能力/信息开放的需求；扩展SCEF的能力/信息开放模式,分为原数据和统计分析两种模式,对于需要基于原数据进行优化的边缘计算应用,SCEF 将采集到的原数据进行传递,对于只需要根据数据的统计分析结果进行优化的边缘计算应用,SCEF根据需求进行数据处理后再传递给边缘计算平台；扩展SCEF的架构,支持分布式的部署方式,根据需要可以在网络中多个位置部署SCEF 功能,SCEF 架构采用两层管理方式,集中部署的SCEF 负责向移动网络之外的第三方应用开放网络能力/信息,分布式部署的SCEF可以向集中SCEF传递采集的数据,也可以直接将网络能力/信息开放给移动网络内的应用或第三方应用代理（如边缘计算的ECP能力/信息开放代理）.

ECP网络能力/信息开放代理和分布式SCEF方式既保证了移动网络的安全隔离性,也保证了一些对网络能力/信息开放有实时性要求的应用需求.

（3）商业模式

吸取边缘计算在4G网络中应用的经验,面向5G网络的边缘计算的部署仍然需要考虑商业模式的问题.边缘计算是一种新的生态系统,在这个生态系统下,如何吸引第三方应用使用边缘计算能力,如何吸引用户使用部署在边缘的第三方应用,如何在提升用户体验的同时保证运营商和第三方应用提供商的利益,都是边缘计算新型商业模式要解决的问题.

在边缘计算场景下,需要研究最终用户、第三方应用提供商和运营商三者之间的角色和分工,研究新型的计费模式,探索流量计费之外的综合计费方式,以保障用户、第三方应用提供商和运营商3 方的利益.

●最终用户获取的业务和体验得到了丰富和提升.在某些场景下,最终用户愿意为边缘计算带来的增值业务付费.例如,在体育馆观看一场足球赛事,坐在赛场偏远位置的观众很难捕捉到赛场中运动员的细微动作和表情,可通过在体育馆部署边缘计算业务,为现场观众提供全方位的赛事近距离直播,观众可以在亲身感受现场气氛的同时随意切换现场摄像头选择自己喜欢的近距离直播画面.

●在边缘计算生态系统中,用户使用的边缘计算业务不再像部署在云计算中心的第三方业务一样,运营商仅仅提供流量管道,内容和服务都是由第三方提供.部署在ECP上的边缘计算应用是集成了网络能力和内容能力的综合服务.第三方应用提供商可以便捷地在运营商提供的边缘计算环境中部署自己的应用,不用考虑机房、服务器、供电等问题,还可以选择边缘计算平台提供的API 接口获取移动网络的信息和用户信息来优化自己的应用实现,提升了应用体验的同时还可能研发出更多的创新应用.

●对运营商而言,边缘计算的生态系统不仅有利于开拓新业务,帮助运营商进入垂直行业领域,也有利于改变目前售卖流量的单纯业务模式.通过边缘计算,运营商可以提供“边缘私有云托管”服务,提供付费的多样化QoS保障服务,还可以在网络能力/信息开放中获取新的价值.

4 结束语

随着物联网和工业互联网的发展,流量去中心化特征日益明显,在5G时代边缘计算是网络发展的重要方向之一,也是5G服务于垂直行业的重要利器之一.边缘计算可为应用提供低时延、具有增值业务能力的网络,为创新型应用的孵化和落地提供了网络保障.

边缘计算是一个跨越网络领域和业务领域的系统,面向5G的边缘计算标准正在逐步完善,边缘计算的产业生态正在逐步成熟.边缘计算的需求已经呈现,应用驱动了边缘计算网络的快速发展和演进.

在5G网络中,边缘计算能力的部署可以根据业务需求进行灵活的分层部署,在保证应用时延的情况下最大限度地利用网络资源.边缘计算的实现仍然面临一些技术问题,例如网络能力/信息开放的技术实现等,需要产业界共同努力,并推进技术方案的标准化.

边缘计算是一个面向应用的开放网络环境,其业务场景和合作框架都迫切需要垂直行业应用提供商的大力参与,共同构建边缘计算新生态,探索新的商业价值.

技术研究论文参考资料：