呂華章，張忠皓，李福昌，馮 毅（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 引言

MEC邊緣云是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)部署云資源池和云平臺［1-2］，它是融合了網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。MEC邊緣云的優(yōu)勢在于：一方面它實現(xiàn)了在更靠近數(shù)據(jù)源所在的本地區(qū)網(wǎng)內(nèi)運算，盡可能地不將數(shù)據(jù)回傳到云端，減少數(shù)據(jù)往返云端的等待時間和網(wǎng)絡(luò)成本，大幅度降低了運營商核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)的擁塞與負(fù)擔(dān)，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力［3-4］。另一方面，MEC邊緣云作為一個能力開放平臺，不僅提供基本的云資源，同時提供豐富的平臺能力。通過開放網(wǎng)絡(luò)能力與大數(shù)據(jù)、云計算平臺結(jié)合，使得第三方應(yīng)用部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，提升用戶業(yè)務(wù)體驗和指標(biāo)，同時也是運營商網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從扁平到邊緣及面向5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的必然選擇，同時也提供了一種新的生態(tài)系統(tǒng)和價值鏈。目前3GPP TS 23.501和3GPP TS 23.502中已經(jīng)明確將5G網(wǎng)絡(luò)支持邊緣計算特性作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［5-6］，未來在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，將考慮支持相關(guān)業(yè)務(wù)及設(shè)備部署。

本文首先介紹運營商通信云架構(gòu)，運營商將基于豐富的通信云資源部署廣泛的邊緣資源池；第2章詳細(xì)介紹了5G NSA和SA架構(gòu)下MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)，并分析影響MEC邊緣云建設(shè)的因素和分階段建設(shè)MEC邊緣云。第3章介紹了MEC邊緣云各層架構(gòu)。第4章嘗試分析了未來運營商MEC邊緣云商業(yè)模式。第5章對全文做總結(jié)。

1 5G NSA架構(gòu)下MEC邊緣云組網(wǎng)

目前國內(nèi)運營商都已經(jīng)確定先部署5G NSA架構(gòu)，然后再過渡到5G SA架構(gòu)。5G NSA架構(gòu)由于大部分仍保留4G核心網(wǎng)的主體架構(gòu)，新增部分功能而演進(jìn)至EPC+，因此整體MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)同4G基本保持不變，只需要MEC邊緣云支持5G gNB接入即可。而5G SA架構(gòu)采用了全新的5GC核心網(wǎng)架構(gòu)，MEC邊緣云的部署將主要配合UPF網(wǎng)元下沉而部署。

由于國內(nèi)運營商將首先部署5G NSA，因此針對不同的組網(wǎng)架構(gòu)需要考慮不同的MEC邊緣云組網(wǎng)方案。國內(nèi)運營商NSA架構(gòu)采用主流的Option 3系列組網(wǎng)方案，包括Option3、Option3a、Option3x。

該系列NSA組網(wǎng)架構(gòu)中，核心網(wǎng)采用EPC+，由4G EPC演進(jìn)而來。LTE eNB和5G NR同EPC+的接口為S1接口，S1-C為控制面接口，S1-U為用戶面接口。所有的Option3系列組網(wǎng)方案，S1-C控制面信令均走LTE eNB錨點。根據(jù)用戶面錨點的情況，Option3中僅用LTE eNB作為用戶面錨點，Option3a中LTE eNB和NR均提供用戶面路徑到EPC+，而Option3x用NR作為唯一的用戶面路徑。NSA架構(gòu)下，終端通過雙連接同時接入4G和5G網(wǎng)絡(luò)。NSA模式下，要求5G和4G設(shè)備同廠商。

5G NSA架構(gòu)下，MEC邊緣云的組網(wǎng)方案完全沿襲了4G網(wǎng)絡(luò)中的架構(gòu)，但是由于引入了5G NR，所以對于MEC邊緣云的部署位置有一定的影響。

5G NSA Option3 MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)同4G完全一致（見圖1），由于eNB作為全部的S1-C和S1-U的錨點，因此，需要將MEC邊緣云串接在此處，用于處理業(yè)務(wù)分流。由于Option3架構(gòu)只需要新增5G gNB，原有的4G機房BBU不做改動，因此，只需要保證MEC邊緣云串接BBU和傳輸設(shè)備即可完成整個鏈路。這種方案改造難度最小。

圖1 5G NSA Option3 MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)

圖2 5G NSA Option3a MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)

5G NSA Option3a MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)有所不同（見圖2），在Option3的基礎(chǔ)上，增加了S1-U到5G gNB的用戶面，因此，如果要保證MEC邊緣云對5G基站進(jìn)行邊緣分流或相關(guān)業(yè)務(wù)，則MEC邊緣云不僅要串接在4G eNB和EPC+之間，還要將5G基站連接進(jìn)來。MEC邊緣云依然部署在4G機房中，連接BBU和傳輸設(shè)備。為了接入5G基站，如果4G和5G BBU同機房部署，則組網(wǎng)相對簡單；如果5G BBU距離4G BBU或傳輸機房較遠(yuǎn)，則需要運營商遠(yuǎn)距離連接5G基站設(shè)備。MEC邊緣云也可以不接5G基站設(shè)備，這樣相當(dāng)于所有UE接入5G NR都無法享受MEC邊緣云分流帶來的新體驗。

5G NSA Option3x MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)（見圖3），eNB和gNB分別作為控制面和用戶面的錨點，MEC邊緣云需要將S1-U和S1-C全部連接。Option3x方案中，由于eNB和gNB的建設(shè)位置很可能不是同機房部署，因此，需要新建設(shè)備連接，Option3x的方式施工成本最大，新增MEC邊緣云同無線設(shè)備的連接無法避免，僅在4G和5G共BBU的時候可以節(jié)約建設(shè)成本。

圖3 5G NSA Option3x MEC邊緣云部署架構(gòu)

MEC邊緣云的部署形態(tài)取決于平臺能力解耦的情況。目前4G和5G NSA網(wǎng)絡(luò)中，基礎(chǔ)設(shè)施和虛擬化層已經(jīng)實現(xiàn)解耦，非無線類平臺能力（如AI、視頻編解碼、IoT等）也實現(xiàn)了解耦和微模塊化。但是與無線側(cè)相關(guān)的平臺能力目前還無法解耦，同覆蓋區(qū)域內(nèi)的無線設(shè)備廠家強綁定，如分流、定位、RNIS無線網(wǎng)絡(luò)信息、UI用戶身份識別等。其中，又以平臺分流能力最為重要。所以，5G NSA部署前期，可考慮將平臺能力和MEC業(yè)務(wù)分2個服務(wù)器集群部署，當(dāng)無線類平臺能力實現(xiàn)解耦以后，實現(xiàn)一體化部署。未來，MEC邊緣云平臺將作為虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能VNF部署在通用基礎(chǔ)設(shè)施上，因此，長期的愿景是，MEC邊緣云業(yè)務(wù)和平臺能力均作為解耦VNF同集群部署，實現(xiàn)硬件基礎(chǔ)設(shè)施、虛擬化層、平臺能力層、APP與應(yīng)用層4層解耦。

由于5G NSA沿襲了4G的大部分EPC架構(gòu)，導(dǎo)致MEC邊緣云的部署仍然無法解決計費、合法監(jiān)聽等問題。解決方法是，將MEC邊緣云演進(jìn)到增強型邊緣云，MEC邊緣云具備處理控制面信令的能力，還支持同其他4G核心網(wǎng)網(wǎng)元的對接，包括計費（CG——Charging GW）、P-GW、警用監(jiān)聽中心（LIG）等，以實現(xiàn)對計費、合法監(jiān)聽等功能的支持。對業(yè)務(wù)的支持同4G完全一致，通過對應(yīng)的Tracking Area指向MEC邊緣云，本地流量直接轉(zhuǎn)發(fā)到本地應(yīng)用，非本地流量，與上級機房的PGW通過S5接口對接，不需分流的業(yè)務(wù)通過S5接口上送，只需對MEC邊緣云配置好分流規(guī)則即可。計費功能，與上級機房的CG通過Ga接口對接，實現(xiàn)對分流業(yè)務(wù)的計費。合法監(jiān)聽，與上級機房的LIG通過Xn（X1/X2/X3）接口對接，實現(xiàn)合法監(jiān)聽。

對于5G NSA架構(gòu)中是否會出現(xiàn)演進(jìn)型MEC邊緣云，目前還沒有明確的說法。由于4G和5G NSA核心網(wǎng)架構(gòu)比較封閉，每個網(wǎng)元形態(tài)功能都是確定的，因此，如果要出現(xiàn)演進(jìn)型MEC邊緣云至少應(yīng)滿足如下條件：首先，5G NSA至少3~5年內(nèi)不會被5G SA完全替代，這樣可從運營商角度出發(fā)，長期運營5G NSA MEC邊緣云商業(yè)化和商業(yè)模式，可同廠家一道投資開發(fā)和建設(shè)增強型MEC邊緣云。其次，從運營商角度，是否考慮在5G NSA階段就發(fā)起全面的MEC邊緣云商用。一旦全面商用，不僅MEC邊緣云涉及的業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)覆蓋程度會加深，同時合法監(jiān)聽和計費問題是運營商無法避免而必須關(guān)注的，這涉及到商業(yè)模式和安全問題。所以運營商應(yīng)通過制定行標(biāo)和企標(biāo)，對MEC邊緣云演進(jìn)形態(tài)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義，對各類新增接口和信令流程進(jìn)行規(guī)范，這樣可保證演進(jìn)型MEC邊緣云合理化部署。

最后，考慮 CUPS（Control and User Plane Separa?tion）架構(gòu)，即控制/用戶面分離——將網(wǎng)絡(luò)的控制面CP和用戶面UP分離，目的是讓網(wǎng)絡(luò)用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)（中心數(shù)據(jù)中心），也可部署于接入網(wǎng)（邊緣數(shù)據(jù)中心），最終實現(xiàn)可分布式部署。目前運營商基本不會考慮將4G網(wǎng)元升級至4G+，不采用4G CUPS架構(gòu)。但是在5G NSA架構(gòu)中，EPC+的理想形態(tài)為虛擬化的，滿足控制面和用戶面分離的CUPS架構(gòu)。如果5G NSA明確要EPC+進(jìn)行虛擬化CUPS架構(gòu)演進(jìn)，那么MEC邊緣云也可以演進(jìn)成支持CUPS架構(gòu)的形態(tài)，這將完全支持計費和合法監(jiān)聽等4G無法實現(xiàn)的功能。第3階段為終極階段，需要運營商長期合理的規(guī)劃。

2 5G SA架構(gòu)下MEC邊緣云組網(wǎng)

圖4給出了5G SA Option2 MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)。SA架構(gòu)采用Option 2組網(wǎng)方案，核心網(wǎng)采用全新的5GC，5G gNB和5GC連接進(jìn)行5G獨立組網(wǎng)，終端通過切換或回落等與4G網(wǎng)絡(luò)互操作。該架構(gòu)使用全新的NR和5GC，能夠?qū)崿F(xiàn)全部的5G新特性，能夠支持5G網(wǎng)絡(luò)引入的所有相關(guān)新功能和新業(yè)務(wù)，適用于5G系統(tǒng)的目標(biāo)架構(gòu)和最終形態(tài)，適合在整個5G商用周期內(nèi)進(jìn)行部署。

圖4 5G SA Option2 MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)

5G SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，將徹底解決5G NSA中遺留的各類問題，計費、合法監(jiān)聽、業(yè)務(wù)分流都由UPF網(wǎng)元完成，而且UPF可根據(jù)業(yè)務(wù)的要求按需下沉，UPF后運營商既可以自建MEC邊緣云，也可以對第三方MEC邊緣云提供管道和連接，商業(yè)模式多樣。另一方面，由于MEP將以虛擬化網(wǎng)元的形態(tài)部署在MEC邊緣云上，同時各能力開放也已微模塊化，未來MEC邊緣云將同UPF一道實現(xiàn)按需下沉一體化部署。從網(wǎng)絡(luò)角度，5G SA有助于更好地實現(xiàn)云邊協(xié)同，改變NSA架構(gòu)中僅單點部署MEC邊緣云的情況。

圖5給出了5G SA MEC邊緣云部署與網(wǎng)元關(guān)系示意。

3 MEC邊緣云使能業(yè)務(wù)

中國聯(lián)通5G MEC邊緣云使能的應(yīng)用場景包括智慧校園、智能場館、智慧園區(qū)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等，可提供本地化、大帶寬、低時延的定制化方案和業(yè)務(wù)。

圖5 5G SA MEC邊緣云部署與網(wǎng)元關(guān)系

3.1 安防監(jiān)控

目前安防監(jiān)控領(lǐng)域，從部署安裝角度，一般傳統(tǒng)的監(jiān)控部署采用有線方式，有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋全部的攝像頭，布線成本高，效率低，占用大量有線資源。Wi-Fi回傳方式也被廣泛應(yīng)用，但是Wi-Fi穩(wěn)定性較差，覆蓋范圍較小，需要補充大量AP點以保證覆蓋和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)方式下需要將監(jiān)控視頻通過承載網(wǎng)和核心網(wǎng)傳輸至云端或服務(wù)器進(jìn)行存儲和處理，這種方式不僅加重了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，業(yè)務(wù)的端到端時延要求也難以得到有效的保障。目前大量的攝像采集終端都具備較強的數(shù)據(jù)采集能力和AI分析能力，一方面對攝像頭的整體架構(gòu)提出了較高的要求，如何在尺寸體積固定和耗電量較低的情況下，保證處理能力和便捷安裝，同時又盡可能地保障攝像采集端成本較低，是一個比較重要的問題。

圖6給出了安防監(jiān)控領(lǐng)域端到端格局示意。

基于上述訴求，可以將監(jiān)控數(shù)據(jù)分流到邊緣云業(yè)務(wù)平臺，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力和業(yè)務(wù)端到端時延。此外，視頻監(jiān)控還可以和人工智能相結(jié)合，在邊緣云搭載AI人工智能視頻分析模塊，面向智能安防、視頻監(jiān)控、人臉識別等業(yè)務(wù)場景。邊緣云低時延、大帶寬、快速響應(yīng)等特性可以有效彌補當(dāng)前基于AI的視頻分析中產(chǎn)生的時延大、用戶體驗較差的問題，實現(xiàn)本地分析、快速處理、實時響應(yīng)。采用邊緣云+AI處理的方式，輔以集中云進(jìn)行協(xié)同，一方面可以改采集接入方式為無線，部署安裝便捷，另一方面攝像采集端僅保留數(shù)據(jù)采集和少量數(shù)據(jù)清洗功能，將大量判決和計算工作放到邊緣云處理，降低了每個攝像頭的成本。同時邊緣云集群能夠大規(guī)模的對數(shù)以百計甚至數(shù)以千計的攝像頭采集的圖像進(jìn)行處理和判決，也大大降低了處理時延，提升處理準(zhǔn)確度。

圖7為基于邊緣云的邊緣業(yè)務(wù)平臺的AI視頻分析系統(tǒng)協(xié)同架構(gòu)。邊緣云對4G攝像頭采集的視頻進(jìn)行本地分流，降低對核心網(wǎng)及骨干網(wǎng)傳輸帶寬資源的占用，縮短端到端時延。集中云計算中心執(zhí)行AI的Training任務(wù)，邊緣云執(zhí)行AI的Inference，二者協(xié)同可實現(xiàn)本地決策、實時響應(yīng)，可實現(xiàn)表情識別、行為檢測、軌跡跟蹤、熱點管理、體態(tài)屬性識別等多種本地AI典型應(yīng)用。此外，有線攝像頭亦可以接入邊緣云智能分析平臺。

圖6 安防監(jiān)控領(lǐng)域端到端格局

圖7 MEC邊緣云+AI分析架構(gòu)圖

在圖7中，攝像頭采集數(shù)據(jù)，然后通過無線接入的方式傳輸至MEC邊緣云，邊緣云既可以在本地進(jìn)行判決，也可將源數(shù)據(jù)進(jìn)行少量清洗后上傳至本地視頻云。本地視頻云通過專線直連的方式，同公有云進(jìn)行連接，可將本地的視頻保存至公有云。當(dāng)用戶移動到MEC邊緣云覆蓋范圍外時，APP可通過運營商網(wǎng)絡(luò)從公有云獲取相關(guān)視頻數(shù)據(jù)，而在MEC邊緣云本地覆蓋范圍內(nèi)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出本地，不繞經(jīng)運營商核心網(wǎng)不出公網(wǎng)，降低了時延，減輕了運營商骨干網(wǎng)壓力。

未來這類方案可廣泛用于“雪亮工程”、小區(qū)監(jiān)控、電子圍欄、智能停車、公共安全等項目。

3.2 本地化業(yè)務(wù)分流

本地化業(yè)務(wù)，重點面向場館、港口、校園、企業(yè)網(wǎng)、園區(qū)等，為了數(shù)據(jù)安全要求MEC部署在企業(yè)園區(qū)內(nèi)部，且數(shù)據(jù)有選擇性地上集中云。本地化業(yè)務(wù)主要使用MEC邊緣云分流，能夠通過地址解析和分流規(guī)則匹配，使得園區(qū)內(nèi)流量本地卸載，無流量回傳，降低業(yè)務(wù)端到端時延。本地化部署MEC邊緣云，一般考慮邊緣DC和綜合接入機房。

企業(yè)網(wǎng)：日常移動辦公效率保障，流量不出園區(qū)內(nèi)網(wǎng)；企業(yè)通信、數(shù)據(jù)內(nèi)部傳輸與公網(wǎng)隔離，保證安全性。

港口：港口信息化需求，擬用蜂窩替代Wi-Fi以適應(yīng)更惡劣的環(huán)境；利用MEC接入更多港口終端數(shù)量，滿足碼頭應(yīng)用需求；MEC本地分流。

場館：覆蓋全場館，本地分流提供大帶寬視頻流量，文創(chuàng)平臺消息推送，精準(zhǔn)定位商鋪。

校園：校園類業(yè)務(wù)，AR教學(xué)、VR圖書館、線上內(nèi)容平臺、校園安全監(jiān)控等。

目前本地化業(yè)務(wù)使用較多的是MEC邊緣云的分流技術(shù)和云資源下沉。MEC邊緣云分流，4G網(wǎng)絡(luò)中，MEC部署于S1口，通過在MEP中配置data plane，即配置IP五元組、七元組規(guī)則的方式將業(yè)務(wù)分流至本地。5G中，MEC與5G UPF融合部署。MEC支持通過3GPP標(biāo)準(zhǔn)的AF Influence信令流程與PCF/NEF交互本地業(yè)務(wù)的路由規(guī)則，接收并處理本地UPF分流的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。分流的方式有基于上行分類器UL CL的分流和基于多歸屬IPv6前綴的分流。

如圖8所示，MEC邊緣云可通過目的IP和DNS域名配置將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流到本地專網(wǎng)，而另一個終端業(yè)務(wù)請求，由于域名沒有匹配，則MEC將報文透傳到核心網(wǎng)，訪問Internet。

圖8 MEC邊緣云分流

4 結(jié)束語

作為一項新的ICT融合技術(shù)，MEC邊緣云可以整合電信運營商的各類資源，為5G時代業(yè)務(wù)的快速部署和運行提供豐富的平臺能力。短期內(nèi)，運營商將快速實現(xiàn)5G NSA商用，因此整體MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)將不發(fā)生改變，僅接入側(cè)實現(xiàn)4G和5G基站多接入，但是需要考慮MEC邊緣云設(shè)備是否有必要演進(jìn)成支持計費、合法監(jiān)聽、CUPS等功能的形態(tài)。5G SA架構(gòu)是最為理想的MEC邊緣云組網(wǎng)架構(gòu)，UPF按需下沉，MEC邊緣云部署在UPF之后，有助于實現(xiàn)廣覆蓋和區(qū)域覆蓋，分流、計費等問題也將完全由UPF解決。MEC邊緣云的商業(yè)模式比較多樣化，運營商需要綜合考慮建設(shè)成本、商業(yè)效益、業(yè)務(wù)類型、合作分成等幾個方面，短期內(nèi)布局邊緣建設(shè)策略，長期要綜合運營商自身業(yè)務(wù)和第三方業(yè)務(wù)需求，逐步推進(jìn)邊緣建設(shè)。未來，運營商將重點賦能本地化業(yè)務(wù)，提供更多的能力開放功能，針對業(yè)務(wù)定制架構(gòu)和方案，在各個省分快速推廣和復(fù)制，以業(yè)務(wù)繁榮帶動整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展。