5G时代，运营商的边缘计算困局

作者：SDNLAB君 2020-02-25 00:18:20

网络

通信技术

边缘计算 随着5G的不断发展，未来5G将广泛应用于各行各业，不过，这也给运营商的承载网络带来了四大新挑战。为了构建5G MEC Ready承载网，运营商需要解决六个关键问题。

随着5G的不断发展，未来5G将广泛应用于各行各业，新的“5G +边缘计算+ AI”模式的出现也促使运营商助力垂直行业实现数字化、智能化转型。不过，这也给运营商的承载网络带来了四大新挑战。为了构建5G MEC Ready承载网，运营商需要解决六个关键问题。

MEC是5G时代行业数字化转型的关键

应用本地化(不向园区外传输数据)、高带宽内容分发和低延迟计算本地化都促进了服务内容、应用程序和计算向边缘的迁移，从而推动了多接入边缘计算(MEC)的发展和5G核心网下移。

图1 将服务迁移到边缘促进了MEC的发展和5G核心网下移

5G核心网采用的是用户平面功能(UPF)和会话管理功能(SMF)分离的灵活架构。通过这种方式，UPF可以按需灵活部署。一个SMF可以同时管理多个UPF，同时保证5G核心网的高性能。5G为MEC带来了许多新优势，包括：

• 核心网UPF下移到企业园区，以确保关键服务数据不出园区，并提供低延迟承载解决方案。运营商可以为每个企业独立配置UPF，从而为企业用户定制无线业务。
• 运营商提供开放、可编程的5G定位、无线通信等5G通信服务功能，企业用户可以使用并集成到企业服务系统中，企业可以定制自己的5G创新应用程序。
• 下沉的5G MEC系统与企业网络直接互连，使分布在两个网络系统上的应用程序能够实时集成和简化，并促进定制创新应用程序的开发。

运营商5G MEC承载网络的四大挑战

传统4G承载网，因为流量主要是南北向的，很多运营商采用L2+L3方式，已经不再适合5G MEC流量本地化需求。5G MEC对运营商承载网络提出了四大新挑战：

图2 运营商5G MEC承载网的新挑战

• 现场MEC(部署在企业园区)是一个新的应用场景，运营商在企业园区内的基站和MEC之间需要有低时延连接，企业重要业务数据不能出园区，这对运营商接入网提出了新的挑战。
• 5G MEC中UPF的下移导致了5G核心网的业务端口下移(如N4，N6，N9， 5GC OAM等接口)，使4G时代原来在骨干网上的(无线核心网)L3 VPN下移到UPF接入点上;同时UPF的大量分布式部署，增加了L3 VPN的覆盖范围。运营商承载网需要支持L3 VPN下移和覆盖广泛的L3 VPN网络，以适应5G MEC大量部署的新挑战。
• MEC的UPF需要与其控制平面(SMF)以及中心云中5G核心网的管理和控制系统进行通信，并满足电信云的高性能通信要求。MEC应用程序可能是数据中心(DC)中云计算的一部分，并部署在边缘。他们需要与此云计算应用程序互连和协作，这给运营商承载网上的边云协同带来了新的挑战。
• MEC支持固网和移动网络上的集成访问，并提供无缝的固定-移动融合(FMC)服务。承载网需要为MEC提供跨移动和固定承载网络的连接，以提供MEC与中心云之间以及MEC之间的服务互通。这对网络架构提出了新的挑战，特别是对于同时拥有移动承载城域网和固定承载城域网的运营商。

运营商5G MEC网络架构模型和网络建设的六个关键问题

图3 从MEC的角度看运营商承载网架构模型

不同运营商的承载网络架构是多种多样的。以下几节从图1-3中的MEC角度介绍了承载网络架构模型。上述5G MEC网络通信模型要求运营商在构建MEC承载网时解决以下六个关键问题：

(1) 最短MEC接入网：运营商需要为从gNB到MEC UPF的N3接口服务流提供最短的路径。在现场MEC模式下，需要直接通过园区中的移动承载路由器将N3接口服务流转发到MEC。除了确保低延迟并节省运营商网络上的带宽外，这还确保了企业的关键服务数据不会离开园区，如图4所示。这需要MEC访问路由器通过最短路径转发数据包。为此，要求MEC接入路由器提供必要的路由功能(L3到边缘)。

图4 MEC需要低延迟的接入网

(2) 低延迟切片：为了满足MEC应用程序对低延迟、高安全性和高可靠性的要求，运营商的承载网需要为企业用户提供低延迟切片网络服务。MEC切片网络包括gNB，移动承载网络(在gNB和MEC之间)和UPF。即企业业务流到MEC所经过的所有网元。数据包通过的网元越少，切片越简单，传输延迟越短。

(3) MEC多点通信：MEC与5G核心网(N4和OAM接口)、MEP管理平台以及其他MEC间的业务流都是多点对多点通信模式，并且需要L3 VPN支持。MEC承载网络需要在整个网络(包括接入网)上提供L3VPN功能;也就是将L3 VPN连接到网络边缘。此外，L3 VPN需要跨越多个网段，如城域网和骨干网。与4G承载网络相比，MEC承载网络在网元数量(大量UPF下移)和网络覆盖面(从接入到骨干)都要复杂得多。因此，需要一个灵活而强大的L3 VPN来支持多点通信，如图5所示。

图5 跨多个网络的管理和控制服务接口

(4) 集成在MEC系统路由器中的通信功能：小型和微型MEC在5G MEC中是常规的。由于成本和通信需求，MEC通常使用一层集成网络模型(如图6所示)，而数据中心一般使用复杂的多层网络体系结构。MEC的路由器需要提供所有必需的通信功能，例如MEC中的设备之间的互通，VM之间第2层和第3层的可靠连接，与外部IP网络(IP RAN)的互通和可靠通信以及边缘云协同作用。UPF作为网络功能虚拟化(NFV)可以在多个VM上运行，以提高性能和可靠性。MEC路由器需要为目前的高性能UPF提供等价的多路径路由(ECMP)，以实现16路径负载平衡。

图6 MEC网络模型

(5) 边缘与云的协同作用：MEC UPF作为5G核心网的一个下沉数据面， MEC中的应用作为云业务的一个下沉实时处理单元，都需要运营商承载网提供可靠的云边通信能力，还需要在自动化部署和运维方面支持边云协同。UPF的云边协同可以参考电信云的承载方案。

(6) 两个网络之间的安全互通：运营商MEC网络需要和企业网互通，让企业可以把5G通信能力和MEC应用集成到企业的业务系统中。现在一般是通过MEC里面的路由器来和企业网互通，网络安全是企业网和运营商网络都非常关注的问题，需要采用基于防火墙的网络安全方案。

总结

5G移动通信系统在支持垂直行业方面做了很多改进，如低延迟无线通信、灵活的核心网架构、超级上行等，是区别于4G的最主要特征。MEC是运营商助力垂直行业数字化和智能化的新模式。MEC是智能在网络上广泛分布的开始，在未来万物互联的智能世界里，基于边缘计算的智能会在网络上星罗棋布。

4G承载网是基于2C(面向普通手机用户)思路建设，流量模型是简单的南北向、无线核心网集中模型，没有考虑面向垂直行业的MEC网络需求，因此5G MEC承载网络建设不是4G网络的简单带宽升级。