5G边缘计算演进

2018/11/DTPT——————————收稿日期：2018-10-085G边缘计算演进MECin5GEvolution关键词：边缘计算；5G；CAPIFdoi：10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.013中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-3043（2018）11-0068-06摘要：边缘计算是5G应用下沉的关键技术支撑，ETSIMEC以LTE网络为原型，提出边缘计算参考架构、基本功能与特性。但MEC目前依然存在商用化问题，尤其MEC面向5G部署时。提出MECin5G演进时面临的挑战以及5个关键技术点：MEC作为ApplicationFunction、MEC服务开放框架、MEC服务南向接口、MEC容器化演进、MECin5G部署，并进一步提出了相应的解决方案。Abstract：Edgecomputingisthekeytechnologyfor5Gapplicationsinking.ETSIMECintroducestheedgecomputingreferencearchitec-ture，basicfunctionsandfeaturesbasedonLTEnetwork.Butrightnow，therearestillsomeissuesinMECcommercialization，especiallywhenMECisdeployedin5G.ItproposesthechallengesfacedbyMECin5Gevolutionandfivekeytechnicalissues：MECasApplicationFunction，MECserviceexposureframework，MECservicesouthboundinterface，MECcontainerization，MECin5Gdeployment，andfurtherproposescorrespondingsolutions.Keywords：MEC；5G；CAPIF0前言2014年，ETSI启动基于LTE的边缘计算标准项目MEC（MobileEdgeComputing），并于2017年升级为Mult-accessEdgeComputing以满足5G、Wi-Fi、固网多接入需求。其目的是为了降低传输时延、缓解网络拥塞，让运营商能够在移动网络内部引入MEC，以无线接入网边缘位置融合计算、存储、网络以及无线网络服务API能力，就近提供边缘智能业务。MEC可利用无线接入网边缘云提供本地化云服务，并能连接非运营商网络（如企业网）私有云从而形成混合云。MEC主机基于NFV提供虚拟化软件环境，管理第三方应用资源。第三方应用以虚拟机（VM）形式部署于边缘云，通过统一的服务开放框架获取无线网络能力。在LTE网络中，MEC部署在基站后，包括接入环、汇聚环等位置，通过解析基站与核心网之间的S1接口消息，实现业务分流至MEC主机上的第三方应用。目前，MEC正在往5G、Wi-Fi、固网等多接入边缘系统方向演进。1MEC参考架构解析MEC系统架构分为Mobileedgehostlevel和Mo⁃bileedgesystemlevel2个不同层次的level。其中Hostlevel一般分布式部署，比如在eNodeB机房或者接入/汇聚机房。而Systemlevel一般集中式部署，比如核心网或者更集中的位置。第三方App部署在Mobileedgehost提供的虚拟化资源之上。Systemlevel中，CFSPortal是运营商面向第三方客户订阅并监控边缘App的门户。UserappLCMproxy接收App在UE侧客户端发起的操作。OperationsSup⁃黄强，李宁（中兴通讯股份有限公司，上海201203）HuangQiang，LiNing（ZTECorporation，Shanghai201203，China）移动边缘计算MEC黄强，李宁5G边缘计算演进引用格式：黄强，李宁.5G边缘计算演进［J］.邮电设计技术，2018（11）：68-73.68邮电设计技术/2018/11portSystem接收来自CFSPortal和UserappLCMproxy的App实例化或实例终止请求，决定是否授权请求，并负责将App镜像加载到MEOrchestrator。MEOrches⁃trator负责应用编排部署，决定App部署在哪些MEHost上。Hostlevel中，MEHost通过VirtualizationInfra⁃structure给App提供虚拟化计算、存储和网络资源。MEPlatformManager负责App生命周期管理、MESer⁃vice配置以及MEPlatform基本运维。MEPlatform的TrafficRulesControl和DNShandling通过Mp2接口实现DataPlane的业务分流控制。MEPlatform通过应用使能接口（Mp1）让App发现、通知、消费MEService。其中MEService包括无线网络信息服务、位置信息服务、带宽管理服务等一系列无线网络能力服务。综上所述，MEC系统通过参考NFV框架提供MEC管理，通过MEHost上虚拟化基础设施向App提供实例化资源，通过Dataplane加载App分流规则进行业务分流，通过MEPlatform上的MEService开放无线网络能力服务，并通过Mp1接口将MEService开放给App消费。2MEC面向5G的挑战ETSIMEC2014年刚开始定义参考架构时，运营商网络正处于4G建设阶段。其独立的部署架构特性很好地满足了4G网络本地分流需求，并在预商用测试中通过室内定位等无线网络能力服务满足了边缘业务性能优化与增强。然而，MEC在面向商用和5G演进中，却遇到了挑战，主要有以下几个方面：a）本地分流：MEC直接实现了本地分流，但没有制定数据计费以及合法监听的完备标准，这是5G商用化必须面对的。b）服务开放框架：MEC通过Mp1向App开放无线网络能力服务，Mp1是一个独立的服务开放框架。但运营商5G网络还有其他能力也需要开放，比如核心网的策略配置能力。MEC需要考虑如何将边缘无线网络能力服务与整个运营商的能力开放框架有机结合起来。c）服务南向接口：MEC定义了面向App的无线网络能力服务，即MEService。但MEC并没有定义这些服务到底如何获取5G无线接入网络信息和能力。d）容器化演进：MEC目前基于虚拟机部署第三方App，而越来越多的垂直行业应用正在以Container方式部署，因此5G时代，MEC需要满足这些应用部署需求。e）MECin5G部署：5GRAN既有CentralUnit和DistributedUnit分离架构，也有单基站模式，MEC在5G系统部署时需要考虑5GRAN架构演进。上述5点是MEC面向5G演进时需要思考并解决的问题，这些问题有些需要在3GPP5G系统架构演进中找到方向，有些需要与开源社区紧密结合，整个MEC产业界正在通过各个标准与工业组织协作中寻找突破。3MECin5G演进3.1MEC作为ApplicationFunction3GPPSA2在R15中定义了5G系统架构（见图1）。该架构有以下几个特点。a）通过5G核心网控制面与用户面分离，用户面网元UPF可以灵活地下沉部署到网络边缘，而策略控制PCF以及会话管理SMF等控制面功能可以集中部署。通过UPF可以解决边缘业务分流的计费以及合法监听问题。b）定义了ServiceBased的服务化接口，网络功能既能产生服务，也能消费服务。这些服务化接口大大降低了系统接口交互成本。c）对于授信域ApplicationFunction直接开放网络功能的服务接口，对于外部非授信域ApplicationFunc⁃tion，则通过NEF开放网络功能能力，让AF可以影响5G核心网的业务路由与策略规则。当5G网络支撑边缘计算时，ApplicationFunction向非授信域（NEF）或者向授信域（PCF）发送AFRe⁃quest，其中包含目标DNN和S-NSSAI、应用ID、N6路由需求、应用位置（DNAI信息集）、UE信息、应用移动性指示、空间和时间有效条件等一系列参数。PCF根据AF提供的这些信息参数，结合自身策略控制，为目图15G系统架构UPF（R）ANN4N2N1SMFAMFNSSFNEFNRFPCFNnssfNnefNnrfNpcfNudmAUSFUDMAFNafNsmfUEDNNamfNausfN6N3移动边缘计算MEC黄强，李宁5G边缘计算演进692018/11/DTPT标PDUSession业务流生成PCC规则，通过SMF为其选择一个合适的UPF（如靠近用户附件的位置），并配置UPF把目标业务流通过N6接口传输到目标应用实例。同时，5G核心网通过用户面管理事件消息通知AF有关UPF位置改变信息，这样AF可以对应改变应用的部署位置。此时，ApplicationFunction相当于应用控制器的角色，提供应用与网络控制面之间的交互。MEC提供应用基础设施资源编排、应用实例化、应用规则配置等功能，其功能相当于应用控制器。因此，当MEC部署在5G系统中时，MEC自然可以充当ApplicationFunction角色，代表部署在MEC上的应用与5G系统控制面交互。从MEC角度，UPF可以作为MECHost中Dataplane的具体实现。然而，UPF受到SMF/PCF控制，为了消除其中的分歧，2018年3月ET⁃SIMEC通过了5GCoreConnectFeature，将MEC作为AF影响5G核心网的特性进一步标准化。5GCoreConnectFeature具体内容包括：a）MEC系统可以代表应用向5GNEF发送业务路由以及策略控制请求。b）MEC系统可以从5GNEF或者其他核心网网络功能接收通知（UPpathmanagementevent通知），根据通知消息信息（如DNAI标识的UPF位置），MEC可以选择一个MECHost并在其上实例化的一个应用。c）MEC系统可以从5GNEF或者其他核心网网络功能接收通知（UPpathmanagementevent通知），MEC可以利用通知内容支持应用实例重定位到一个特定MECHost。然而，目前MEC系统还没有针对5GCoreConnect特性设计具体的功能块。从系统设计角度Systemlev⁃el域可以有5GCoreConnect特性的配置及交互能力，同时也要在Hostlevel域开放能力让应用可以直接提供5GCoreConnect特性交互信息。图2展示了未来一种可能的MEC在5G系统中的功能与交互架构。在MECSystemlevel加入5GCoreconnectproxy作为Systemlevel管理域与5G核心网交互的代理模块，实现与5G核心网控制面消息交互与流程处理。这是因为，MEC作为一个多接入系统，还需要处理与Wi-Fi、固定接入网络等其他系统的交互消息，而OSS负责运维，MEOrchestrator负责编排，从功能设计角度，将5GCoreConnect特性用一个代理模块单独实现，可以让MEC针对5G系统的交互独立升级演进，以减少对OSS与MEOrchestrator的技术影响。当MEC系统在一定区域内的MEHost集上实例化App之后，5GCore⁃Connectproxy可以将该App以及App实例分布信息（如一组DNAI信息）通过AFRequest发送给5G核心网，当UE向移动网络发起该App的业务请求时，5G核心网就能选择合适边缘位置的UPF，该UPF连接的MEHost上部署了相应的App实例。同时，当UE移动导致UPF位置改变时，5GCoreConnectproxy可以接收从5G核心网发送过来的UPpathmanagementevent消息，该消息指示了目标UPF位置信息，MEC根据该信息判断是否需要在相应的目标MECHost上新建该应用实例或者重定位该应用实例。在MECHostleve