趙之健，陳平聶，王修雄

（1.北京電信規(guī)劃設計院有限公司，北京 100048；2.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048；3.中訊郵電咨詢設計院有限公司 廣東分公司，廣東 廣州 510627）

0 引 言

5G網(wǎng)絡架構(gòu)綜合運用了模塊化、服務化以及轉(zhuǎn)發(fā)分離和控制，同時結(jié)合網(wǎng)絡切片、云原生、NFV/SDN等關鍵技術(shù)，其發(fā)展催生了MEC網(wǎng)絡架構(gòu)和部署。5G網(wǎng)絡的研發(fā)、應用及推廣對不同行業(yè)的智能化、數(shù)字化、新業(yè)態(tài)以及新技術(shù)的應用提供了極大驅(qū)動力[1]。

1 5G的MEC網(wǎng)絡架構(gòu)重構(gòu)必要性分析

從2G到3G、4G、LTE，全球的網(wǎng)絡通信技術(shù)不斷發(fā)展并實現(xiàn)了深度融合。我國三大運營商在這一過程中也進行了不斷革新，從2016年和2017年就開始著手建設智能化網(wǎng)絡，改變傳統(tǒng)的網(wǎng)絡運營模式和網(wǎng)絡架構(gòu)、部署，希望以此提升行業(yè)競爭力和運營商主體的網(wǎng)絡資源優(yōu)勢[2]。

為實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的全云化發(fā)展和部署，我國三大運營商就DC進行了大量改造，充分借助MEC技術(shù)、SDN/NFV技術(shù)等實現(xiàn)網(wǎng)絡設備虛擬化，同時引入網(wǎng)絡能力開放、網(wǎng)絡功能虛擬化實現(xiàn)5G網(wǎng)絡全面網(wǎng)絡重構(gòu)，目前已經(jīng)形成了具有代表性的DC通信云網(wǎng)絡架構(gòu)[3]。

2 MEC及5G應用功能特性

2.1 MEC

ETSI標準組在4G、5G網(wǎng)絡發(fā)展基礎上提出了多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）概念，作為新型架構(gòu)方式能夠在數(shù)據(jù)中心（Data Center，DC）基礎上進一步靠近用戶的邊緣位置，給用戶提供需要的云計算技術(shù)和用戶所需求的具體服務。該技術(shù)的應用真正實現(xiàn)了MBB核心網(wǎng)絡業(yè)務、用戶需求內(nèi)容及應用的統(tǒng)一部署調(diào)度，而且其靠近終端用戶網(wǎng)絡邊緣，實現(xiàn)了業(yè)務靠近用戶處理，另外還實現(xiàn)了網(wǎng)絡、應用及內(nèi)容的完美協(xié)同，保證用戶具備更加可靠和人性化的業(yè)務體驗[4]。

2.2 MEC的5G應用功能特性

MEC技術(shù)因其優(yōu)越性在5G網(wǎng)絡業(yè)務建設中具有很好的應用性，應用MEC技術(shù)后5G網(wǎng)絡的核心能力和主要功能特性如下所示。

2.2.1 本地業(yè)務分流

作為MEC技術(shù)的基本特性，其綜合利用了業(yè)務分流技術(shù)及不斷發(fā)展的網(wǎng)絡流量識別技術(shù)，這些新技術(shù)的綜合運用和協(xié)同實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡的差異化策略控制、合法監(jiān)聽以及流量/內(nèi)容計費的實際需求，保障了5G網(wǎng)絡業(yè)務應用的近距離部署，也為5G網(wǎng)絡業(yè)務應用本地化提供了重要基礎，滿足不同運營商和不同用戶網(wǎng)絡融合的任務場景需求。

2.2.2 內(nèi)容和業(yè)務緩存與加速

MEC技術(shù)的應用能夠充分結(jié)合用戶和不同業(yè)務適用習慣的需求進行調(diào)整，實現(xiàn)訪問內(nèi)容的本地緩存。以此來降低用戶訪問內(nèi)容資源和業(yè)務的具體時延，對提升用戶業(yè)務體驗和用戶服務質(zhì)量水平具有重要作用。除此之外，MEC技術(shù)在5G中的應用也有效減少了鏈路擁堵，降低了建設成本，優(yōu)化了5G網(wǎng)絡流量[5]。

2.2.3 高可靠、低時延服務

MEC技術(shù)在5G網(wǎng)絡中的應用有效實現(xiàn)了計算符合的網(wǎng)絡邊緣化遷移，同時還能夠提供邊緣智能服務及輔助計算，有效降低了終端成本、計算服務時延以及終端能耗。在目前車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云游戲以及AR等不同領域均具有很好應用性，很好地滿足了這些業(yè)務低時延、高可靠的業(yè)務性質(zhì)[6]。

2.2.4 網(wǎng)絡能力開放

MEC技術(shù)引入到5G網(wǎng)絡中后能夠?qū)崿F(xiàn)對無線網(wǎng)絡信息的實時感知，同時結(jié)合智能化處理技術(shù)和云計算技術(shù)能夠給第三方應用提供網(wǎng)絡開放能力，為提升用戶體驗、優(yōu)化業(yè)務水平以及加速應用創(chuàng)新提供了技術(shù)支持。

2.3 MEC的5G應用場景

ETSI在MEC技術(shù)提出的基礎上對應用場景進行了定義，主要集中在以下7個方面。一是視頻優(yōu)化。MEC技術(shù)的邊緣化應用能夠?qū)崿F(xiàn)無線分析應用，對于碼率適配和TCP擁塞輔助控制具有積極意義[7]。二是增強現(xiàn)實。MEC技術(shù)的邊緣應用能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭圖像處理，還能夠加速用戶位置處理，對用戶而言能夠?qū)崟r更新輔助信息。三是企業(yè)分流。根據(jù)用戶實際需求和企業(yè)業(yè)務情況深度分析用戶流量，實現(xiàn)科學分流。四是車聯(lián)網(wǎng)。將MEC技術(shù)應用到車聯(lián)網(wǎng)中能夠統(tǒng)計分析路側(cè)傳感器數(shù)據(jù)及車側(cè)傳感器數(shù)據(jù)，得到具有意義的時延敏感信息，同時能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)實時傳遞給周邊車輛。五是物聯(lián)網(wǎng)。MEC技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和聚合分析技術(shù)等應用于物聯(lián)網(wǎng)中，能夠統(tǒng)計物聯(lián)網(wǎng)相關設備消息，根據(jù)消息統(tǒng)計分析產(chǎn)生決策[8]。六是視頻流分析。利用MEC技術(shù)的邊緣化特征能夠優(yōu)化視頻分析處理能力，和傳統(tǒng)視頻流分析相比有效降低視頻采集成本，就核心網(wǎng)流量輸入輸出而言也有效減少。七是輔助敏感計算。MEC技術(shù)還具備高性能計算特征，因此在時延敏感數(shù)據(jù)處理中有積極意義，實現(xiàn)了結(jié)果向端設備的高速傳遞反饋。

3 基于5G的MEC網(wǎng)絡架構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡架構(gòu)

MEC具備典型優(yōu)勢，不僅業(yè)務部署靈活，而且具備低時延高帶寬、網(wǎng)絡處理以及本地化處理特征。如圖1所示，MEC網(wǎng)絡機構(gòu)能夠分為應用層、基礎設施層、管理層以及虛擬化層4層。

圖1 網(wǎng)絡架構(gòu)圖

其中基礎設施層的基礎設備是通用服務器，在MEC網(wǎng)絡架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)信息存儲、渲染以及計算，提供了重要硬件支持。虛擬化層中，在基礎設施層的基礎上信息能夠進入基礎設施層，該層中引入了網(wǎng)絡功能虛擬化技術(shù)，提供了MEC業(yè)務平臺的通信路徑。MEC管理層具有的典型功能包括生命周期管理、測量管理、全局業(yè)務編排以及基礎服務注冊等[9]。應用層主要面向不同的企業(yè)實際需求，根據(jù)業(yè)務需求提供不同應用服務，包括5G教育、智慧工業(yè)、視頻直播平臺以及AR場景應用等。

3.2 應用層級結(jié)構(gòu)

分流網(wǎng)關根據(jù)應用環(huán)境分為邊緣級分流網(wǎng)關和本地級分流網(wǎng)關兩種類型，其中邊緣級收費較本地級收費偏高（1.5～2倍），本地級分流網(wǎng)關的收費主要根據(jù)帶寬執(zhí)行。MEC云資源同樣根據(jù)應用環(huán)境能夠分為本地級MEC和邊緣級MEC兩種類型，同樣邊緣級MEC較本地級MEC資費更高（1.5～2倍），本地級MEC的資費根據(jù)云資源使用量執(zhí)行。平臺PaaS層能力主要包括應用服務能力和網(wǎng)絡服務能力，邊緣云的收費主要依據(jù)服務等級執(zhí)行，同時還與調(diào)用次數(shù)相關。定制邊緣云分MEC端到端整體解決方案，MEC行業(yè)云產(chǎn)品整體打包，參考ICT模式進行收費。云咨詢、規(guī)劃、集成實施服務的收費主要根據(jù)合同比例及項目總投資進行收取。

4 基于5G的MEC網(wǎng)絡部署及應用

4.1 MEC網(wǎng)絡架構(gòu)

在本文基于5G的MEC網(wǎng)絡架構(gòu)中，希望將其應用到工程管理當中，因此提出了MEC網(wǎng)絡架構(gòu)。將MEC網(wǎng)絡架構(gòu)分為接入層、匯聚層以及核心層3個層級。

4.2 智慧工地組網(wǎng)方案

在本文研究的基礎上提出了MEC測試床架構(gòu)，結(jié)合建筑工程施工現(xiàn)狀搭建了5G+MEC智慧工地實驗室測試環(huán)境。本文提出的組網(wǎng)方案架構(gòu)如圖2所示，將MEC測試床分為邊緣云、無線基站、CPE、邊緣計算Box以及現(xiàn)場設備5個層級。

圖2 5G+MEC智慧工地組網(wǎng)方案

4.2.1 邊緣云

在本地MEC邊緣云上進行智能Paas平臺和5G智能工地平臺的部署。5G智能工地平臺主要應用于工程項目的整體管理和管控，涉及安全教育、人員考勤、隱患整改以及風險警告等多個方面和維度。智能Paas平臺主要應用于施工現(xiàn)場設備的管理和接入、邊緣AI算法的引入、施工現(xiàn)場圖像識別等[10]。

4.2.2 無線基站

為保證整個網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能，必須要提供高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過相應的5G基站提供網(wǎng)絡接入。

4.2.3 CPE終端

通過5G終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和匯總，將這些數(shù)據(jù)達到之后傳遞到邊緣云中。

4.2.4 邊緣計算Box

5G IOT設備的連接和匯聚主要通過邊緣計算Box實現(xiàn)，但是目前并沒有統(tǒng)一的mMTC標準。為保證5G的快速接入，借助WiFi、以太網(wǎng)等在邊緣計算Box中實現(xiàn)對各類傳感器的有效匯聚。然后，基于5G NR實現(xiàn)數(shù)據(jù)向邊緣云的傳遞，最終CPE與邊緣計算Box合二為一。

4.2.5 現(xiàn)場終端

在系統(tǒng)和網(wǎng)絡架構(gòu)中設置設備監(jiān)控傳感設備、門禁監(jiān)控設備以及環(huán)境監(jiān)測傳感設備等，通過這些設備構(gòu)成完善的傳感器終端。

4.3 測試效果

對本文構(gòu)建的智慧工地平臺進行相應整合之后，最終形成了對工地和工程項目的安全管控，并且在本文提出的系統(tǒng)之間還必須要進行聯(lián)動。對本文提出的MEC網(wǎng)絡架構(gòu)系統(tǒng)進行了測試和應用。

5 結(jié) 論

基于MEC的5G網(wǎng)絡架構(gòu)方式還結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、LADN分流技術(shù)、IPv6 Multi-homing以及ULCL技術(shù)等，充分發(fā)揮了MEC優(yōu)勢，實現(xiàn)了5G應用的低時延、數(shù)據(jù)安全保障、大帶寬本地分流。