运营商5G MEC承载网建设的挑战和关键点

关东黑土豆

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撑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支撑综合接入（固网和移动），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

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平台支撑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）是支撑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来支撑。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来支撑多点通信（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撑边云协同。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（CCSA、ETSI、ITU等主阵地）布局标准，推动承载网规范化建设以支撑边缘计算产业发展。2019年11月ECNI发布了运营商边缘计算网络白皮书。

结束语

5G移动通信系统在支撑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/

编辑概况：

宋军博士：现为HUAWEI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）