《多接入边缘计算（MEC）及关键技术》读书笔记 | 第3章 MEC系统架构及部署组网策略

第3章 MEC系统架构及部署组网策略 3.1 MEC系统架构 3.1.1 MEC系统框架

• 主要包括MEC系统级、MEC主机级以及网络级
• 系统级主要负责管理整个MEC系统资源以及接收来自终端以及第三方的业务请求；主机级负责管理MEC主机的资源以及MEC平台和应用的配置管理；网络级保证了MEC主机与外部网络的连通性

3.1.2 MEC系统架构

• 各功能实体间有3类接口
  • Mp接口：与MEC平台的接口
  • Mm接口：与MEC平台管理单元的接口
  • Mx接口：与MEC系统外部实体间接口

3.1.2.1 MEC功能实体

• 虚拟化基础设施
  • 除提供计算、存储和网络资源等资源外，同时具备数据面转发功能，可根据MEC平台下发的数据流路由规则，实现应用、服务器与3GPP网络、本地网络、外部网络之间的灵活数据路由转发
• MEC平台
  • 实现MEC应用发现、发布、使用以及提供MEC服务
  • 完成数据面路由转发规则的控制
  • 完成DNS代理/服务器的配置
  • 支持诸如无线网络信息服务、位置信息服务以及带宽管理等服务，并为MEC应用提供存储以及时间等服务
• MEC应用
  • 与MEC平台间交互可以使用MEC服务或者提供MEC服务
• MEC系统级管理单元
  • MEC编排器
    • 核心功能实体，可以看到整个MEC系统的拓扑、MEC主机、可用的资源以及可用的服务
    • 完成MEC应用加载上线的准备工作，如准备虚拟化基础设施资源、MEC应用的实例化生成及终结、MEC应用在不同MEC主机间迁移
  • 运营支撑系统
    • 运营商的运营支撑系统，实现MEC系统的控制管理，以及接收第三方服务门户和用户应用对MEC应用的实例化生成或者终止的请求
  • MEC应用生命周期管理代理
    • 实现相关MEC应用的加载、实例化、终止和迁移等，选择性支持系统内和系统内外间迁移
    • 仅支持来自移动网络内部的用户请求
• MEC主机级管理单元
  • MEC平台管理单元
    • 包括MEC平台运维管理、MEC应用规则与需求管理、MEC应用生命周期管理
  • 虚拟化基础设施管理单元
    • 负责虚拟化基础设施计算、存储、网络等虚拟化资源的分配、管理以及释放
    • 选择性支持MEC应用在MEC系统与外部云环境间的迁移
• 用户应用
  • 终端上的应用程序，通过MEC应用生命周期管理代理与MEC系统进行交互
• 第三方服务门户
  • 让第三方客户根据自身需要选择和订购一系列的MEC应用

3.1.2.2 MEC系统接口

• MEC平台相关接口
  • Mp1：服务注册、服务发现和服务通信。标准化具有非常重要的意义
  • Mp2：下发数据流规则配置数据面
  • Mp3：控制MEC平台之间的通信
• MEC管理相关接口
  • Mm1：触发MEC应用的实例化生成或终止
  • Mm2：MEC平台配置、故障和性能管理
  • Mm3：MEC应用的生命周期、MEC应用规则和要求的管理以及可用MEC服务的跟踪
  • Mm4：主机虚拟化资源的管理，包括可用资源的跟踪以及MEC应用程序镜像的管理
  • Mm5：MEC平台以及MEC应用规则和需求配置
  • Mm6：管理虚拟化资源，实现MEC应用生命周期管理
  • Mm7：管理虚拟化基础设施
  • Mm8：处理来自移动网络内部用户对于MEC应用的请求
  • Mm9：管理用户请求的MEC应用
• MEC外部接口
  • Mx1：用于第三方请求运行MEC应用
  • Mx2：用于移动网络内部用户请求运行MEC应用或实施应用迁移

3.1.2.3 MEC服务

• 无线网络信息服务
  • 提供诸如实时的无线网络信息、用户面相关的测量及统计信息、MEC系统服务的用户上下文及无线承载信息以及相关信息变化时的指示
• 位置信息服务
  • 提供MEC系统服务范围内特定或者所有用户的位置信息、特性位置的用户信息列表以及无线站点位置信息
• 带宽管理服务
  • 特定MEC应用、特定优先级的数据流提供带宽的管理分配
• MEC系统可以通过增加相应的MEC服务或者部署相应的MEC应用来实现网络边缘能力的开放，进而满足业务应用的需求

3.1.3 基于NFV的MEC系统架构

• MEC平台与MEC应用以VNF的形式运行在NFVI上，MEC原有的部分编排以及生命周期管理任务交给NFV编排器以及VNF管理单元完成
  • MEC平台管理单元将MEC平台和MEC应用的生命周期管理功能分别交给NFV管理编排单元中的多个VNFM单元进行管理
  • MEC编排器变化为MEC应用编排器MEAO，原基础设施资源方面的编排任务则转交给NFV管理编排单元中的NFVO完成
• 引入了Mv1、Mv2以及Mv3
  • Mv1：与NFV中的Os-Ma-nfvo接口类似
  • Mv2：用于MEC应用生命周期管理相关信息通知
  • Mv3：用于MEC应用生命周期管理、初始化和配置等

3.2 5G MEC系统架构 3.2.1 3GPP对于MEC的支持

• 5G网络架构需要通过支持如下功能以达到边缘计算的目标
  • 本地路由：通过UPF的选择完成用户数据流路由至本地边缘网络
  • 业务疏导：基于特定业务流分流规则，将数据流疏导至边缘网络中的业务应用中
  • 用户面选择/重选：基于类似AF网元提供的业务应用标识、数据网络名称等信息进行用户面选择或重选
  • 业务连续性以及会话连续性：解决用户移动以及业务应用迁移带来移动性问题
  • 网络能力开放：5G核心网和AF网元间通过网络能力开放网元NEF相互提供信息
  • QoS和计费：5G PCF对路由至本地网络的数据流提供QoS控制和计费支持

3.2.1.1 AF对数据路由的影响

• AF通过N5接口向PCF发送请求，或者通过NEF向PCF发送请求，PCF将请求信息转换成PDU会话建立的策略，从而影响SMF进行UPF的选择以及PDU会话的建立
• AF发送的请求信息包括：
  • DNN和S-NSSAI
  • 应用标识或者数据流过滤信息
  • N6接口数据路由规则
  • 用户面数据路由到的目标应用的潜在位置，用DNAI列表来表示
  • 用户数据需要被路由的终端用户的信息
  • 进行用户面数据重路由的时间信息
  • 进行用户面数据重路由时，终端的位置信息

3.2.1.2 基于位置的本地网络发现

• 终端用户可以通过多个PDU会话，完成DN和LADN的同时接入与访问。当终端移除LADN区域时，断开原PDU会话连接

3.2.1.3 单个PDU会话多个PDU会话锚点

• ULCL方案
  • SMF通过N4接口对UPF增加UL CL功能和PDU会话锚点，并通过SMF提供给ULCL的数据流过滤规则，完成边缘数据流识别与分流
  • 上行数据流疏导至不同的PDU会话锚点，下行数据流，ULCL负责完成数据流合并后发送给终端用户
• IPv6多归属方案
  • SMF在IPv6多归属场景下增加BP分支点和PDU会话锚点
  • BP根据不同的IPv6前缀将不同的上行数据流疏导至不同的PDU会话锚点，并将来自不同PDU会话锚点的下行数据流合并后发送给终端用户
• ULCL和IPv6多归属，都可以实现通过不同PDU会话锚点对同一数据网络进行访问，或对不同数据网络的访问

3.2.1.4 会话及业务连续性

• SSC模式一
  • PDU会话锚点，不会因为终端用户的移动而发生改变，即用户的IP地址保持不变
• SSC模式二
  • 离开原UPF区域，触发释放原有PDU会话，并指示终端用户选择新的UPF与同一数据网络建立新的PDU会话
  • 仅有一个PDU会话且具备多个PDU会话锚点时，额外的PDU会话锚点会被释放并重新分配
• SSC模式三
  • 允许在新的PDU会话建立完成前依然保持用户与原PDU会话锚点间的PDU会话，此时同时拥有2个锚点和会话，最后可以释放掉原PDU会话
  • 仅有一个PDU会话且具备多个PDU会话锚点时，额外的PDU会话锚点会被释放并重新分配
• 基于LADN的本地边缘网络接入方案，可通过SSC模式三，保证业务的连续性
• 基于IPv6多归属以及ULCL方案的本地边缘网络接入，则可以将原PDU会话锚点配置成SSC模式一，通过BP分支以及ULCL功能保证本地边缘网络的接入

3.2.2 5G MEC融合架构

• MEC可部署在地市级本地DC（边缘级）、本地DC（接入级），甚至直接部署5G CU DU一体化的基站上，与5G CU合设
• MEC对数据流灵活路由等功能的需求主要UPF选择/重选等负责满足，MEC在提供业务应用本地化、本地计算/存储能力以及网络边缘信息的感知与开放方面则主要由MEC主机以及对应的平台、平台管理单元等实现
• MEC本地数据流的计费、内容合法监听通过5G UPF负责支持

3.3 5G MEC部署组网策略 3.3.1 5G网络部署策略

• 中心级：IT系统和业务云
• 汇聚级：5G网络的控制面功能。省级业务云也可以同时部署
• 边缘级：数据面网关功能。MEC、5G部分控制面功能以及固网vBRAS也可以部署。固网部分CDN资源也可以部署
• 接入级：5G接入CU、4G虚拟化BBU、MEC以及固网vOLT

3.3.2 5G MEC总体部署策略

• 根据业务应用的时延、服务覆盖范围等要求，同时结合网络设施的DC化改造趋势，将所需的MEC业务应用以及服务部署在相应层级的数据中心

3.3.3 不同场景下的MEC部署方案

• eMBB
  • MEC部署的位置可以从一体化基站至地市级DC或者接入级DC
• uRLLC
  • 部署位置可从基站至接入级DC
• mMTC
  • 部署范围从基站到省级数据中心，甚至可以部署在MTC终端簇头节点，实现MTC终端数据/信令的汇聚处理

3.4 5G MEC面临的问题与挑战

• 基于MEC的本地分流
  • 数据流识别方法、本地业务分流规则以及本地业务分流控制面及用户面的业务流程
  • 如何实现本地数据流/内容的计费、合法监听以及差异化策略控制
  • 在4G网络中实现基于MEC的本地分流
• 基于MEC的缓存与加速
  • 缓存模式：本地DNS、重定向、透明代理，需要明确选择合适的缓存模式
  • 缓存效率：缓存算法优化缓存性能，提升缓存命中率
  • 缓存通道：规划一条从MEC至远端业务服务器间的缓存通道
  • 缓存内容再生：基于MEC的计算存储能力，实现同一视频内容版本的缓存以及不同分辨率的内容再生
• 基于MEC的网络能力开放
  • 感知、获取网络上下文信息，通过分析处理形成MEC平台具备的网络能力，通过开放接口的研究及标准化，加速创新型业务应用的开发及上线
• MEC场景下的移动性管理
  • 终端移动、负载平衡等导致应用迁移、终端在MEC覆盖区域与非MEC覆盖区间移动
• 基于MEC的固移融合
  • 基于MEC的灵活回传路径选择、基于业务要求的接入和回传解耦，如何针对这两个场景，保证用户会话以及业务的连续性
• 基于MEC的计算卸载
  • 上传数量的大小、传输的时延、MEC计算时间、计算结果反馈的数据量大小、反馈数据的传输时延、MTC终端的计算时间、MTC终端计算所需能耗等因素，对是否进行计算任务卸载以及对哪些计算任务进行卸载等问题产生很大影响

3.5 小结

• 本章首先详细介绍了ETSI MEC系统架构、功能模块以及3GPP通过哪些功能实现对边缘计算的支持。其次，基于上述分析讨论，给出了5G MEC融合架构，并结合5G典型应用场景的时延要求以及未来网络设施的DC化趋势，给出了5G网络的组网策略、5G MEC的总体部署策略。除此之外，选取了3种典型的业务进行了MEC部署策略的详细分析。最后，讨论分析了5G MEC未来应用可能面临的问题及挑战，给出了潜在的技术点及研究方向，供读者参考。