移动边缘计算促进5G发展的分析

2016/07/DTPT——————————收稿日期：2016-06-061概述在LTE现网条件下，对带宽要求较高的如4K/8K超高清视频、虚拟现实（VR）等内容难以承载；而诸如车联网、增强现实（AR）等要求时延极小的应用场景，更是难以在现有的移动网络中实现。从全球各大研究机构和标准化组织对5G需求的研究现状来看，在可预见的未来5G网络中，上述应用需求都应当得到满足［1-2］。于是，将上述对带宽、时延要求苛刻的业务数据的转发路径止于无线侧的理念越来越成为业界共识，而伴随该理念应运而生的移动边缘计算（MEC）则成为了未来5G网络提高用户体验的关键技术。ETSI对MEC的定义为：“在移动网边缘提供IT服务环境和云计算能力”［3］，强调靠近移动用户，以减少网络操作和服务交付的时延，提高用户体验。ETSI目前也有相应的行业规范组在负责相关标准制定。其他研究机构和标准化组织如NGMN、3GPP等，在研究和制定下一代移动通信网标准时也都有考虑MEC。NGMN的研究中相应的概念名为“智能边缘节点”，3GPP在RAN3和SA2子工作组中各自都有与MEC相关的立项。另外，国内标准化组织CCSA也有名为“面向服务的无线接入网”（SoRAN）的项目课题研究。除了高带宽和低时延的5G应用需求驱动，诸如内容感知、网络能力开放、C/U分离等技术，也都和MEC移动边缘计算促进5G发展的分析关键词：5G；移动边缘计算；内容感知；跨层优化；C/U平面分离doi：10.16463/j.cnki.issn1007-3043.2016.07.002中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-3043（2016）07-0004-05摘要：在可预见的未来5G网络数据量激增的背景下，为了满足更高带宽、更低时延等用户体验，移动边缘计算（MEC）技术正在引起业界相当多的重视。结合5G网络发展趋势分析了MEC的关键技术及其对5G的促进作用，就MEC的典型应用场景进行了举例说明，并给出了从4G到5G网络的MEC平滑过渡部署建议。Abstract：Withtheforeseenexponentialgrowthofdatainthefuture5Gnetwork，tosatisfythequalityofuserexperiencesuchashigherbandwidthandlowerlatency，thetechnologyofmobileedgecomputing（MEC）isgainingconsiderableattentionintheindus-try.ThekeytechnologiesofMECaswellasitspromotionon5Gareanalyzedcombinedwith5Gnetworkdevelopmenttrends.TypicalusecasesofMECaredescribedbyexamples.Besides，thedeploymentsuggestionsofMECarepresentedforsmoothtransitionfrom4Gto5Gnetwork.Keywords：5G；Mobileedgecomputing；Contentawareness；Cross-layeroptimization；C-plan/U-plansplit戴晶，陈丹，范斌（中国联通网络技术研究院，北京100048）DaiJing，ChenDan，FanBin（ChinaUnicomNetworkTechnologyResearchInstitute，Beijing100048，China）AnalysisofMobileEdgeComputingPromoting5GDevelopment本期关注MonthlyFocus戴晶，陈丹，范斌移动边缘计算促进5G发展的分析04邮电设计技术/2016/07有着紧密联系。对MEC关键技术与5G趋势技术进行结合分析，可以从多个角度得知MEC对5G发展具有促进作用。将MEC在现网中可部署的应用服务与5G发展趋势联系起来，同时考虑，有助于MEC从4G现网到未来5G网络的平滑过渡。2MEC的关键技术与5G趋势技术的联系分析本章将从几个不同的角度，包括MEC的关键技术如业务和用户感知、跨层优化等，以及诸如网络能力开放、C/U分离等5G趋势技术，来分析MEC对5G发展的促进作用。2.1业务和用户感知传统的运营商网络是“哑管道”，资费和商业模式单一，对业务和用户的管控能力不足。面对该挑战，5G网络智能化发展趋势的重要特征之一就是内容感知，通过对网络流量的内容分析，可以增加网络的业务黏性、用户黏性和数据黏性。同时，业务和用户感知也是MEC的关键技术之一，通过在移动边缘对业务和用户进行识别，可以优化利用本地网络资源，提高网络服务质量，并且可以对用户提供差异化的服务，带来更好的用户体验。其实，为了改变哑管道的不利地位属性，部分运营商目前已经在现网EPC中开展了业务和用户识别的部分相关工作，主要依靠深度包解析（DPI）［4］得到的URL信息进行关键字段匹配，目前第三方后向收费的资费模式也正处在尝试和逐步推进的过程中。与核心网的内容感知相比，MEC的无线侧感知更加分布化和本地化，服务更靠近用户，时延更低，同时业务和用户感知更有本地针对性。但是，与核心网设备相比，MEC服务器能力更受限。对于DPI的计算开销［5］能否承受，怎样减小开销（比如采用终端或核心网辅助解析的方式将部分应用层信息传递到低层协议头中）等问题，都有待研究形成业界共识。此外，对HTTPS加密数据的DPI目前还不成熟，相关的解析标准也还在制定中。MEC对业务和用户的感知，将促进运营商传统的哑管道向5G智能化管道发展。2.2跨层优化跨层优化在学术界已经有相当多的研究工作［6］，但该思想应用于现网还相对不多，MEC为此提供了契机。MEC由于可以获取高层信息，同时由于靠近无线侧而容易获取无线物理层信息，十分适合做跨层优化。跨层优化是提升网络性能和优化资源利用率的重要手段，在现网以及5G网络中都能起到重要作用。目前MEC跨层优化的研究主要包括视频优化、TCP优化等。移动网中视频数据的带宽占比越来越高，这一趋势在未来5G网络中将更加明显。当前对视频数据流的处理是将其当做Internet一般数据流处理，有可能造成视频播放出现过多的卡顿和延迟。而通过靠近无线侧的MEC服务器估计无线信道带宽，选择适合的分辨率和视频质量来做吞吐率引导，可大大提高视频播放的用户体验。另一类重要的跨层优化是TCP优化。TCP类型的数据目前占据Internet流量的95%至97%。但是，目前常用的TCP拥塞控制策略并不适用于无线网络中快速变化的无线信道，造成丢包或链路资源浪费，难以准确跟踪无线信道状况变化［7］。通过MEC提供无线低层信息，可帮助TCP降低拥塞率，提高链路资源利用率。其他的跨层优化还包括例如对用户请求的RAN调度优化（比如允许用户临时快速申请更多的无线资源），以及对应用加速的RAN调度优化（比如允许速率遇到瓶颈的应用程序申请更多的无线资源）等。2.3网络能力开放网络能力开放旨在实现面向第三方的网络友好化，充分利用网络能力，互惠合作，是5G智能化网络的重要特征之一。除了4G网络定义的网络内部信息、QoS控制、网络监控能力、网络基础服务能力等方面能力的对外开放外，5G网络能力开放将具有更加丰富的内涵，网络虚拟化、SDN技术以及大数据分析能力的引入，也为5G网络提供了更为丰富的可以开放的网络能力。由于当前各厂商设备各异，缺乏统一的开放平台，导致网络能力开放需要对不同厂商的设备分别开发，加大了开发工作量。ETSI对MEC的标准化工作中很重要的一块就是网络能力开放接口的标准化，包括对设备的南向接口和对应用的北向接口。MEC将对5G网络的能力开放起到重要支撑作用，成为能力开放平台的重要组成部分，从而促进能力可开放的5G网络的发展。2.4C/U分离MEC由于将服务下移，流量在移动边缘就进行本地化卸载，计费功能不易实现，也存在安全问题。而本期关注MonthlyFocus戴晶，陈丹，范斌移动边缘计算促进5G发展的分析052016/07/DTPTC/U分离技术通过控制面和用户面的分离，用户面网关可独立下沉至移动边缘，自然就能解决MEC计费和安全问题。所以，作为5G趋势技术之一的C/U分离同时也是MEC的关键技术，可为MEC计费和安全提供解决方案。MEC相关应用需求的按流量计费功能和安全性保障需求，将促使5G网络的C/U分离技术的发展。2.5网络切片网络切片作为5G的网络关键技术之一，目的是区分出不同业务类型的流量，在物理网络基础设施上建立起更适应于各类型业务的端到端逻辑子网络。MEC的业务感知与网络切片的流量区分在一定程度上具有相似性，但在流量区分的目的、区分精细度、区分方式上都有所区别，如表1所示。MEC与网络切片的联系还在于，MEC可以支持对时延要求最为苛刻的业务类型，从而成为超低时延切片中的关键技术。MEC对超低时延切片的支持，丰富了实现网络切片技术的内涵，有助于驱使5G网络切片技术加大研究力度、加快发展。3MEC典型应用场景分析根据第2章的分析，MEC典型应用场景主要的技术指标特征是高带宽和低时延，同时在本地具有了一定的计算能力；商业模式特征主要包括通过业务和用户识别使能的第三方业务区别化（对不同的第三方业务差异化地提供网络资源、开放网络能力），用户个性化（对不同用户差异化的前向或后向收费），以及与具体的部署、服务位置有关的本地情境化。表2归纳了MEC的几种典型应用及其所具有的特征。3.1视频缓存与优化该应用的目的在于视频播放加速，提高用户体验，尤其有助于4K/8K超高清视频和VR等对带宽要求高的内容源。牵涉到如下3种可能应用到的技术。a）本地缓存。将内容缓存到靠近无线侧的MEC服务器上，用户发起内容请求，MEC服务器检查本地是否有该内容，如果有则直接服务；否则去Internet服务提供商处获取，然后内容可缓存至本地供其他用户访问。该技术的核心问题在于内容的命中率，从而决定缓存设备的投资回报率。b）基于无线物理层吞吐率引导的跨层视频优化。实质是下层信息传递给上层，根据物理层无线信道的质量，MEC服务器决定为UE发送视频的清晰度、质量等，在减小网络拥塞率的同时提高链路利用率，从而提高用户体验。c）用户感知。通过在移动边缘用户感知，可以确定用户的服务等级，实现对用户差异化的无线资源分配和数据包时延保证，合理分配网络资源提升整体的用户体验。当然，差异化的用户等级服务也可实现比如前向免流量、后向收费等新的资费和商业模式。3.2本地流量爆发本地IP流量爆发类应用特别适合于本地超高带宽和超低延迟的业务［8］。当UE附着网络并从核心网获取IP地址后，UE为某项业务应用初始化IP请求。接入网可以通过识别数据包的地址、端口（IP五元组）或UEID，并且基于这些信息与本地数据服务器建立IP连接。典型场景例如球场、赛场等实时直播，多角度拍摄的视频经过MEC服务器向本地用户转发，用户可以随意选择观看，实时多角度观察了解赛事状况。类似的场景还有热点区域实时路况的视频转发等。3.3监控数据分析当前的视频监控采用以下2种典型的数据处理方式。a）在摄像头处理，缺点是要求每个摄像头都具备视频分析功能，会大大提高成本。b）在服务器处理，缺点是需要将大量的视频数据表1网络切片与MEC的流量区分比较表2几种应用案例所具有的MEC典型特征流量区分目的流量区分精细度流量区分方式网络切片逻辑上区分为网络的不同切片按业务类型区分（如eMBB类型、uRLLC类型、mMTC类型等）一般认为按PDN连接类型（APN）进行流量区分MEC仅决定是否进行流量卸载按业务、按服务提供商、按用户区分均可支持（精细度更高）依赖于L3/L4信息（典型如IP五元组）以及应用层信息区分数据流MEC应用案例视频缓存与优化本地流量爆发监控数据分析增强现实大型场所的新型商业模式技术指标特征高带宽√√√√√低时延√√√√本地高计算能力√√商业模式特征