第 3 章 5G 网络架构
| 3.6 5G 网络重构关键技术 |
3.6.1 SDN——控制与转发分离
3.6.3 移动边缘计算（MEC）——业务本地化
移动通信的飞速发展促进了各种新型业务的不断涌现，除了传统的移动宽带、 物联网之外，移动通信催生了许多新的应用领域，如 AR/VR、车联网、工业控制、 IoT 等，同时，对网络带宽、时延等性能也提出了更高的需求，网络负荷进一步加重。
到 5G时代，三大应用场景和小于1ms的时延指标，决定了5G业务的终结点不 可能都在核心网后端的云平台，而需要向用户端靠近；其次，物联网的核心是使万物 互联，而随着连接数的快速增长，一方面意味着海量数据的产生，另一方面物联网 设备往往还需要智能计算，帮助物联网更好地实现物与物之间的传感、交互和控制。
欧 洲 电 信 标 准 化 协 会（ETSI，European Telecommunication Standard Institute）于 2014 年提出了移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）， 在 Mobile Edge Computing——Introductory Technical White Paper 中， ETSI 对于 MEC 的标准定义是：在移动网边缘提供 IT 服务环境和云计算能力。 NGMN 和 3GPP 等研究机构和标准化组织在研究下一代移动通信网标准时也都 考虑了 MEC，NGMN 将相关概念命名为“智能边缘节点”，3GPP 在 RAN3 和 SA2 子组中都有 MEC 相关立项，国内标准化组织 CCSA 也有“面向服务的无 线接入网”（SoRAN）的课题研究。移动边缘计算基本概念如图 3-35 所示。
移动边缘计算作为 4.5G/5G 网络体系架构演进的关键技术，为无线接入网 提供 IT 和云计算能力，使业务本地化、近距离部署成为可能，无线接入网由此 而具备了低时延、高带宽的传输能力，业务面下沉可有效降低网络负荷以及对 网络回传带宽的需求，从而实现缩减网络运营成本的目的，同时也使得业务应 用更靠近无线网络及用户本身，更易于实现对网络上下文信息（位置、网络负荷、无线资源利用率等）的感知 和利用，从而可以有效提升 用户的业务体验，并给予运 营商通过 MEC 平台将无线网 络能力开放给第三方业务应 用以及软件开发商、为创新 型业务的研发部署提供平台的能力。
MEC 的实现取决于 MEC 平台的能力。MEC 平台提供了计算资源、存储容 量、网络连接线，并且可以获取用户业务流和无线网络状态信息。ETSI 定义的 MEC 服务平台如图 3-36 所示，主要包含 MEC 托管基础设施层、MEC 应用平 台层和 MEC 应用层：
（1） MEC 托管基础设施层，基于 NFV 的硬件资源和虚拟化层架构，提供 底层硬件的计算、存储、控制功能和硬件虚拟化组件（包括基于 OpenStack 的 虚拟操作系统、KVM 等），完成虚拟化的计算处理、缓存、虚拟交换及相应的 管理功能；
（2） MEC 应用平台层，由 MEC 的虚拟化管理和应用平台功能组件组 成。其中，MEC 虚拟化管理采用以基础设施作为服务（IaaS，Infrastructure as a Service）的思想，实现 MEC 虚拟化资源的组织和配置，为应用层提供 一个资源按需分配、多个应用独立运行且灵活高效的运行环境。应用平台的功 能组件承载业务的对外接口适配功能，通过 API 完成和基站及上层应用层之间 的接口协议封装，提供流量旁路、无线网络信息、VM 通信服务、应用与服务 注册等能力，具备相应的底层数据分组解析、内容路由选择、上层应用注册管 理、无线信息交互等基础功能，相应的 API 采用网管 SNMP，通过 Get/Set Request/Set Response 消息实例完成参数及信息交互。
（3） MEC 应用层，基于网络功能虚拟化 VM 应用架构，将 MEC 功能组 件进一步组合封装成虚拟的应用（本地分流、无线缓存、增强现实技术、业务 优化、定位等应用），并通过标准的接口开放给第三方业务应用或软件开发商， 实现无线网络的能力开放与调用。
MEC 关键技术主要包括计算卸载技术、无线数据缓存技术和基于软件定义 网络（SDN）的本地分流技术等。上述关键技术是 MEC 系统实现计算处理实 时化、数据处理本地化、信息交互高速化的前提和基础。
1．计算卸载技术
计算卸载技术是 MEC 系统实现终端业务实时化处理的重要手段。计算卸载 是指将部分计算功能由移动设备迁移到 MEC 服务器执行，其主要过程包括卸 载决策、卸载执行、结果回传等。其中，卸载决策是指某项计算任务应如何进 行高效卸载，是计算卸载理论基础；卸载执行是如何将计算能力在 MEC 服务 器和终端进行划分，是计算卸载的核心；结果回传是将计算任务处理结果下发 给终端用户，是计算卸载最终实现并完成的关键。利用计算卸载技术，通过将 业务计算及时卸载到移动边缘计算服务器进行计算处理，能够有效扩展移动设 备的即时计算能力，降低计算延迟，并增加移动终端的电池寿命。因此，高效 的计算卸载策略在边缘计算技术中扮演着不可或缺的角色。
计算卸载的基本设计原理是，当终端发起计算卸载请求时，终端上的资源 监测器检测 MEC 系统的资源信息，整理出可用的 MEC 服务器网络的资源情况， 包括服务器运算能力、负载情况、通信花销等，根据上述接收到的服务网络信息， 终端内部的计算卸载决策引擎决定哪些任务为本地执行，哪些为边缘计算节点执行，最后，根据计算卸载决策引擎的决策指示，分割模块将任务分割成可以 在不同设备独立执行的子任务。
计算卸载技术的应用能够有效降低计算任务的时延，扩展移动设备的计算 能力，并减少移动设备的能量消耗。因此，探寻高效的计算卸载策略是 MEC 系统等相关研究的重点。
2．无线数据缓存技术
内容缓存策略和内容传输策略是无线数据缓存技术需要解决的两个重要问 题。其中，内容缓存策略是指网络边缘节点对于热点数据的选取和缓存机制， 内容传输策略是指网络边缘节点将其缓存的热点数据分发给申请用户的传输机 制，两个问题相互影响、相互耦合。在已有的相关研究中，已对微小基站端的 内容缓存策略和内容传输策略进行了研究，并指出无线数据缓存技术能够有效 减少海量数据在核心网内的冗余重复传输，降低传输时延。需要指出的是，虽 然微小基站的无线数据缓存技术能够将网络的业务负载从核心网内卸载至网络 边缘节点处，并以此减轻承载网的链路阻塞，但在内容传输阶段，数据业务的 发送仍然需要大量占用接入网的基带资源和射频资源，无线网络的整体性能因 此无法获得进一步突破。
为解决上述问题，相关研究者考虑了位于用户终端处的无线数据缓存技术， 以解决微小基站端的无线数据缓存技术的瓶颈，并通过探索设备到设备（D2D） 通信机制下的内容缓存策略和内容传输策略，实现基站端基带资源和射频资源 的释放，进一步提升移动通信网络的传输性能。其中，有代表性的方向有如下 两个：方向一研究了基于速率门限的 D2D 内容传输策略，通过选取具有高传输 速率的 D2D 数据链路进行数据传输，最大化 D2D 网络的数据承载概率，并在 该策略下对最优内容缓存策略进行了求解；方向二考虑了基于载波监听接入机 制的 D2D 内容传输策略，通过为可能冲突的终端用户设定随机退避时间，减少 D2D 传输链路间的相互干扰，并在此基础上对最优的内容缓存策略进行了求解。
3．基于 SDN 的本地分流技术
基于 SDN 的本地分流技术是 MEC 系统实现网络信息交互高效化的有效措 施，其核心思想为：首先，SDN 控制器从本地或从策略服务器获取预先设置的 分流策略；其次，SDN 控制器根据数据流描述信息和分流策略，生成分流规则 流表；最后，分流网关根据分流规则流表将相应的数据流进行最终分流。相比 于传统的本地分流技术，基于 SDN 的本地分流技术能够根据终端用户的实际需 求和 MEC 系统的资源部署情况有效实现数据业务的本地化处理，缩短网络对 终端用户的响应时间，保证终端用户数据业务需求的连续性，并大幅度降低核 心网的数据流量压力，提升终端用户的服务体验。
基于 SDN 的本地分流技术的优势之一是能够快速适应由终端用户的移动性 引起的网络拓扑的变化，有效保证终端用户的业务连续性。具体来说，当终端 用户的位置发生变化时，基于 SDN 的本地分流技术能够根据感知到的网络接 入点的改变重新生成路由转发策略，并将其以流表的形式下发至交换机。由于 基于流表的转发机制实时性强且配置灵活，基于 SDN 的本地分流技术能够有 效处理由终端用户位置变化引起的网络接入点的切换，从而保障终端用户的服 务体验。综上所述，在 MEC 场景下，MEC 服务器通过感知计算、缓存和网络 的实时状况，利用 SDN 实现了网络资源的有效分配，以及数据业务的高效调度 与分发。因此，基于 SDN 的本地分流技术是 MEC 业务本地化未来发展的重要 趋势。
目前，MEC 的主要应用包括本地内容缓存、基于无线感知的业务优化处理、 本地内容转发、网络能力开放等，主要是应用在时延敏感、实时性要求高、大 数据量等场景，比如 V2V、AR、企业、MCDN、室内、IoT 等，通过在基站 侧引入智能计算能力，运营商和网络业务提供商的难题将有效缓解，业务体验 更有保障，同时无线资源的管理更加智能和优化，不同等级的服务都可以实现。
在 5G 时代，MEC 的部署方案通常来说有两种方式，一种是 MEC 服务器 部署在 GW-UP 处，另一种是 MEC 服务器部署在 NodeB 之后。
1．MEC 服务器部署在 GW-UP 处
5G 网络核心网 C/U 功能分离之后，U-Plane（对应 GW-UP）功能下移（可 以下移到 RAN 侧，也可以下移到 CN 的边缘），C-Plane（对应 GW-CP）驻留 在 CN 侧。MEC 服务器部署在 GW-UP 处，相对于传统公网方案，可为用户 提供低时延、高带宽服务。
2．MEC 服务器部署在 NodeB 之后
MEC 服务器部署在 NodeB 之后（一个或多个 NodeB），使数据业务更靠 近用户侧。如图 3-37 点划线所示，UE 发起的数据业务经过 NodeB、MEC 服 务器 1，然后到 Internet（第三方内容提供商服务器）。计费和合法监听等安全 问题需要进一步解决。 移动边缘计算通过在无线接入网内提供云化的计算、存储、通信服务能力， 实现了近距离、超低时延、高带宽以及实时访问无线网络信息的服务环境，并 实现了网络从接入管道向信息化服务使能平台的跨越，是 5G 的关键技术之一。 目前，移动边缘计算仍面临着安全性、公平性、互操作性、移动性管理等方面 的研究挑战，但已可预见，移动边缘计算必将成为 5G 乃至未来移动通信系统 不可或缺的重要组成部分。
