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2019/12/3 09:25

运营商5G MEC承载网建设的挑战和关键点

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5G 应用正在深入各行各业,“5G+边缘计算+AI”是运营商助力垂直行业数字化和智能化的新模式,这给运营商承载网带来了四大新挑战。运营商建设一个5G MEC Ready的承载网络需要重点落实六大关键点。

MEC是5G使能千行百业数字化转型的重要方式

应用本地化(数据不出园区),内容分布化(大带宽),计算本地化(低延迟),推动服务内容/应用/计算向边缘迁移,驱动了MEC(多接入边缘计算,Multi-access Edge Computing)发展和5G核心网的随流下移。        

图1  业务边缘化推动MEC发展和5G核心网下移

5G核心网采用数据转发面(UPF:User Plane Function)和控制面(SMF:Session Management Function)分离的灵活架构,即UPF可以按需灵活分布部署,一个控制面可以同时管理很多个UPF而不影响5G核心网的性能。这使5G 给MEC带来了以下新优势:

核心网UPF下移到企业园区,可以保证关键业务数据不出园区,更易提供低延迟承载方案;运营商可以为每个用户配置独立的UPF,给企业用户定制无线业务;

运营商开放5G通信服务可编程能力(如定位,无线通信能力),可以被企业用户调用集成到业务系统中,企业可以定制自己的5G创新应用;

下沉的5G MEC系统和企业网直接互联互通,使分布在两个网络系统上的应用可以实时地集成拉通,做出很多创新应用。

所以,5G MEC是5G在网络边缘更好使能各行各业的关键,是运营商助力垂直行业数字化和智能化的新模式,是运营商进入垂直行业的触点和重点场景。

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

1)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。

2)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。

3)MEC的UPF需要和中心云里的5G核心网控制面和管控系统通信,需要满足电信云的通信要求;MEC中的应用可能是DC中云计算的一部分,需要互通协同。这对运营商承载网提出了边云协同的新挑战。

4)MEC支持综合接入固网移动),提供无缝的FMC业务,需要承载网为MEC提供跨越移动承载网和固定承载网的网络连接,完成MEC和中心云、MEC间的业务互通,这对拥有移动承载城域网和固定承载城域网双平面的运营商,在网络架构和网络互通方面都提出了新挑战。(注:中国三大运营商都有两个城域网平面)

上述四大挑战,是5G MEC带来的新需求和新挑战。现有3G/4G承载网的数据传输模型已不再适用5G业务,不匹配MEC的本地化服务模型,承载网应是满足上述需求的MEC Ready网络。

运营商5G MEC网络架构模型和网络建设六大关键点

图3  MEC视角的运营商承载网架构模型

图3  MEC视角的运营商承载网架构模型

由于各运营商的承载网架构存在比较大的差异,本文提供了一个MEC视角的承载网架构模型:

5G核心网新增众多业务接口,流量模型变化大:图3红框里是MEC系统,MEC中的UPF需要通过N3(基站到UPF的数据接口),N4(5G核心网控制面到UPF的控制接口),N6(UPF到Internet的数据接口),N9(UPF到Anchor UPF的数据接口),LI(监听接口),OAM(UPF的管理接口)和相关的5G系统互联,VPN设计及连接关系复杂。这些5G标准中的业务接口,除了N3,都是新下移的核心网接口,5G承载网架构中需要重点考虑这些新增业务接口及流量模型。

边云协同:MEP平台支持运行运营商或第三方的业务,可能是复杂云业务的实时处理部分(云边缘),需要和中心云实时交互。图3上部的业务和通信系统,分布在城域网中心到区域中心间,各运营商的部署会略有不同。

上述5G MEC网络通信模型,要求运营商在建设MEC Ready的承载网时,要重点落实以下六大关键点:

1)最短MEC接入网:从基站到MEC UPF的N3业务流,运营商应该提供最短路径业务转发,在现场MEC场景应该通过在园区里的移动承载路由器直接把N3业务流转发给MEC,而不应该让N3业务流在运营商的网络中绕行。业务流无绕行的需求,一方面是为了低延迟和节约运营商网络带宽,另一方面是为了保证企业关键业务数据不出园区,如图4所示。这要求MEC接入点路由器能就近转发数据报文,因此运营商接入网设备具有路由能力(L3到边缘)是支持业务流无绕行传输的一个基本要求。

图4  MEC需要无绕行,低延迟接入网

2)低延迟分片:为满足MEC应用的低延迟和安全可靠性需求,运营商承载网需要为企业用户提供低延迟分片网络服务。MEC分片网络包括无线基站、移动承载网(基站到MEC间)和UPF系统,即企业业务流到MEC所经过的所有网元。经过的网元越少,分片的复杂度就约低,越有利于保证传输的低延迟。

3)MEC对外的多点通信:MEC和5G核心网(N4,OAM)、MEP管理平台以及其他MEC间的业务流都是多点到多点通信模式,都需要通过L3 VPN来支持。MEC的承载网络需要全网提供L3 VPN能力,包括接入网络在内,即L3 VPN能力延伸到边缘;而且L3 VPN需要跨越城域网和骨干网等多网段。MEC承载网无论在网元数量(大量UPF下移)还是网络覆盖面(从接入到骨干),都比4G承载网复杂很多,所以需要灵活、功能强大的L3 VPN来支持多点通信(如图5)。

图5 管控业务接口穿越多段网络

4)MEC系统中路由器的集成通信能力:小微型MEC是当前5G MEC的主流模式,因为成本和通信需求,MEC一般采用一层集成网络模型(如图6所示),而不像数据中心采用复杂的多层网络架构,但仍要提供所需的所有通信功能,如MEC中各设备间互通以及服务中VM间的L2和L3可靠连接,完成MEC和外部IP网络(IP RAN)的路由互通和可靠通信,以及边云协调通信。 一个UPF NFV(如UPF)可以运行多个VM来提高性能和可靠性, MEC路由器要提供多路负载均衡(ECMP),当前MEC的需求是16路负载均衡。

图6   ECN模型

5)边云协同: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)两网安全互通: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。

边缘计算网络基础设施组(ECNI)助力MEC产业发展

2016年11月边缘计算领域影响力最大的产业联盟-边缘计算联盟(ECC)成立,当前企业成员超过250家,涵盖工业制造、智慧城市、能源、ICT和学术等生态合作伙伴。

为了推动边缘计算承载网以及边缘计算产业发展,ECC和网络5.0联合成立了边缘计算物理基础设施联合工作组(ECNI),凝聚共识,结合网络5.0技术,聚焦边缘计算三大网络融合场景(运营商FMC场景、运营商网络&行业园区网融合场景、企业/工业现场网络IT/OT融合场景),构建边缘计算网络基础设施技术体系。ECNI以技术规范、白皮书、Testbed/PoC、Best Practice等为载体,以MEC Ready测试认证为抓手,通过外部组织协同(CCSAETSIITU等主阵地)布局标准,推动承载网规范化建设以支持边缘计算产业发展。2019年11月ECNI发布了运营商边缘计算网络白皮书。

结束语

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。

参考文献

[1]边缘计算产业联盟. 边缘计算参考架构3.0, 边缘计算产业联盟白皮书, 2018. 11.   http://www.ecconsortium.org/Lists/show/id/334.html

[2]边缘计算网络基础架构组,边缘计算产业联盟.运营商边缘计算网络白皮书,2019.11   http://www.ecconsortium.org/Lists/show/id/376.html

[3]Multi-access Edge Computing (MEC) Framework and Reference Architecture. ETSI ISG MEC. 2016

[4]TS 23.501, System Architecture for the 5G System (Release 15). 3GPP. 2018

[5]网络5.0, http://www.network5.cn/

作者简介:

宋军博士:现为华为数通产品线资深解决方案架构师,边缘计算联盟ECNI工作组联席主席。从1991年开始数据通信技术研究,在美国跨国运营商从事过网络规划工作,曾为国家CNGI项目专家工作组成员。(song.jun@huawei.com)

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