中国联通边缘计算技术白皮书之欧阳计创编.docx

1、中国联通边缘计算技术白皮书之欧阳计创编时间：2021.02.11创作：欧阳计中国联通边缘计算技术白皮书1 概述白皮书愿景及目标当前，信息通信技术向各行各业融合渗透，数字化信息已成为关键生产要素，经济社会各领域向数字化转型升级的趋势愈发明显。5G网络与云计算、大数据、虚拟增强现实、人工智能等技术深度融合，将连接人和万物，成为各行业数字化转型的关键基础设施。5G包括三大应用场景：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）和uRLLC（超可靠低时延通信）。其中，eMBB聚焦对带宽有极高需求的业务，例如高清视频、VR（虚拟现实）和AR（增强现实）等，满足人们对于数字化生活的需求；mMTC聚焦

2、对连接密度要求较高的业务，例如智慧城市、智慧农业、智能家居等，满足人们对于数字化社会的需求；uRLLC聚焦对时延极其敏感的业务，例如自动驾驶、工业控制、远程医疗等，满足人们对于数字化工业的需求。IDC最新统计报告显示，到2020年将有超过500亿的终端与设备联网，而到2018年，就将有50%的物联网网络将面临网络带宽的限制，40%的数据需要在网络边缘侧分析、处理与储存。多接入边缘计算（Multi-Acess Edge Computing，MEC）是在靠近人、物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化

3、、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。在3GPP R15中，基于服务化架构，5G协议模块可以根据业务需求灵活调用，为构建边缘网络提供了技术标准，从而使得MEC可以按需、分场景灵活部署在无线接入云、边缘云或者汇聚云。MEC可为移动运营商提供以下价值：通过对4K/8K、VR/AR等高带宽业务的本地分流，降低对核心网络及骨干传输网络的占用，有效提升运营商网络的利用率；通过内容与计算能力的下沉，运营商网络将有效支撑未来时延敏感型业务（车联网、远程控制等）以及大计算和高处理能力需求的业务（视频监控与分析等），助力运营商实现从连接管道向信息化服务使能平台的转型；MEC作为边缘云计算环境和网络能力开放

4、平台，将为运营商构建网络边缘生态奠定基础。MEC虽然是5G网络的使能技术，但由于架构及平台的开放性，MEC亦可在现阶段部署于LTE网络，为移动运营商提供增值服务。2017年6月，中国联通携手诺基亚、腾讯、INTEL首次在上海“梅赛德斯-奔驰文化中心”成功搭建网络边缘云系统，。利用LTE现网验证了基于MEC的多角度视频直播和主播互动业务。测试数据表明，场馆内直播时延仅有0.5秒，相比时延大于30秒的传统互联网直播方式，大幅度改善了用户的实时观看体验，也为中国联通面向5G网络的智能场馆解决方案推广与建设打下坚实的基础。本白皮书基于5G业务需求及MEC产业进展，定义了中国联通对MEC平台能力和应用场

5、景的需求，给出了中国联通4G网络MEC部署策略建议，及面向5G网络的演进规划。我们期望与产业各界共同探讨MEC商业合作模式，共建网络边缘生态，全面推动5G业务的蓬勃发展。白皮书状态本白皮书为1.0版本，虽然还不够全面，并可能存在需要继续修订的地方，但仍希望这一版本的发布能对产业界有所帮助。随着MEC技术标准的冻结及5G试商用网络的部署，新的研究内容可能会被加入到后续版本中，欢迎各界同仁提出修改意见和建议。2 MEC驱动力及挑战分析行业及市场发展需求2.1.1业务及技术驱动（1）业务驱动LTE网络的设计目标及用途十分单一，即以尽可能高的无线速率交付高速移动宽带服务，而伴随着移动互联网和物联网的快

6、速发展，5G业务将呈现出需求多样性的特点。如图2.1所示，3GPP定义了5G的三大应用场景，即eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）和uRLLC（超可靠低时延通信）。一方面，5G将为用户提供超高清视频、下一代社交网络、VR和AR等更加身临其境的业务体验，促进人类交互方式再次升级。另一方面，5G将以智慧城市、智能家居为代表的典型应用场景与移动通信深度融合，预计千亿量级的设备将接入5G网络。此外，5G还将以超低时延、超高可靠性等优势，与车联网、工业互联网、移动医疗、能源等垂直行业应用相结合。总体上看，5G业务的多样性决定了5G网络有能力支持极速移动超大宽带、物联网海量连接、超可靠超低

7、时延连接的需求，同时提供一个更灵活、更智能、可编程、可拓展的网络，以应对新业务和新应用。图2.1 5G三大应用场景在5G网络高容量热点场景中，用户体验速率达1Gbit/s，峰值速率达10Gbit/s，流量密度达10Tbit/s每平方千米以上。例如，高清视频、智慧城市、B2B业务等对宽带接入需求是几十到数百Mbit/s，而4K视频、3D视频、AR、VR等对网络带宽的要求高达几十Gbit/s，这将对无线回传网络造成巨大的压力。因此需要将业务向网络边缘尽可能下沉（例如，边缘云数据中心或更靠近基站侧），以实现业务的本地分流。此外，在5G uRLLC低时延场景中，所期望的端到端时延在毫秒数量级上（目前L

8、TE网络端到端传输时延和业务处理时延在50ms以上），这也需要将业务下沉至网络边缘，以减少网络传输和多级业务转发带来的网络时延。MEC作为5G演进的关键技术，可以在更靠近客户的移动网络边缘提供云计算能力和IT服务的环境，具备超低时延、超大带宽、本地化、高实时性分析处理等特点，从而降低对核心网络及骨干传输网络的占用，并降低端到端时延。（2）技术驱动5G网络通过大数据、云计算技术使能移动网络能力的对外开放，实现业务面向平台化的运营。图2.2从四个维度构建了5G电信云架构，分别为虚拟化的网络功能（NFV）、软件定义的网络（SDN）、无线网络的云化（Cloud-RAN），以及自动管理与协同系统。NFV

9、通过硬件和软件的解耦合，实现了网络功能和网管的虚拟化。SDN通过控制和业务的分离，实现了在数据中心和传输节点传输和控制资源的按需重分配，使网络具备可编程能力。Cloud RAN基于通用的IT硬件架构，通过集中化管理以及虚拟化的软件功能，提供面向移动业务的前传和回传网络。自动管理和协同系统通过业务和网络的全局协同，管理云网络业务的生命周期、优先级和服务品质。图2.2 5G电信云架构逻辑图云计算、NFV、SDN和ICT等技术催生了MEC的发展。MEC系统的核心设备是基于IT通用硬件平台构建的MEC服务器，通过部署于无线基站内部或者无线接入网边缘的云计算设施（即边缘云）提供本地化的公有云服务，并可连

10、接其他网络（如企业网）内部的私有云实现混合云服务。RAN的云化（Cloud-RAN）及虚拟化（V-RAN）为MEC的部署提供了一个合适的切入点。例如，部署在一个零售中心的小型Cloud-RAN可以同时部署MEC功能来管理本地化的应用，使得应用、服务和内容在位置上更贴近终端用户。5G网络架构本身就是面向业务和用户的网络，通过网络切片可以根据业务的需求对网络资源进行灵活编排和弹性化资源管理，如uRLLC业务可以通过边缘网络切片来实现。2.1.2商业及产业驱动移动业务的快速增长和运营成本的压力倍增促使整个电信业寄希望于新技术和新产品的引入，以提升用户体验、增加利润、优化网络运营和提升资源利用效率。面

11、对eMBB的高流量和mMTC的海量连接，网络运营商不得不考虑网络拥塞的可能，并思考如何通过本地分析和处理的方式来减缓其对网络安全和业务回传的影响。企业客户也希望能够提供给他们的客户更加有效、更加安全和更低时延的网络连接。内容与服务供应商也面临网络延时过大对用户体验的挑战，而这些挑战在某些应用中是至关重要且必须解决的。另外，越来越多的智能手机应用和内容被移到云端，终端客户接入云端服务器的时延和带宽必须被优化，以保证消费者丰富多彩的应用和内容体验，而这需要网络运营商和应用服务提供商的更紧密合作。这种合作很自然地导致应用/内容在更贴近客户的网络边缘进行部署。为此，MEC产业参与者正在积极进行新技术和

12、新产品的验证、测试和部署，着眼于降低网络时延、提高网络安全，同时提供更加敏捷的新功能开发和部署平台等，这些通力合作对提高终端用户体验和网络效率起到了很大的帮助。为了吸引更多参与者的加入以推动整个MEC产业发展，MEC产业标准化也在稳步推进中。从2014年10月MEC产业化标准组成立至今，已经有超过70家的标准化成员单位，涵盖了主流运营商、通信和网络设备供应商、IT/中间件厂商、软件厂商和OTT 应用厂商等，几乎包括了完整的移动互联网产业。成员单位共同提出并设计了丰富的应用场景，充分发掘了移动网络边缘计算的独特价值潜力。2016年4月3GPP SA2已经正式接受MEC为5G架构之关键技术。MEC

13、商业和产业的发展将得益于商业转型、技术演进和产业协作，最终这些努力将体现在越来越广泛的创新市场，比如智慧医疗、车联网、工业自动化、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、游戏和IoT服务等领域。MEC通过部署在RAN边缘的IT服务环境提供了基于位置的云计算能力和实时的内容信息。这种开放的IT服务环境将使移动运营商和内容服务供应商提供的应用和服务集成到更多的供应商的MEC平台上，这种通用架构将促使更多创新的应用在更广领域进行快速部署，并给相关参与者提供更多的价值。终端用户通过MEC实时的网络连接和内容获取，可获得极速的个性化用户体验；移动运营商通过将MEC平台计算能力开放给第三方OTT提供商或者应用

14、开发者，并提供服务给移动用户、企业和垂直行业，从而可以重新定义其在整个产业链中的角色，带来新的收入和提供更多高附加值的服务，并开拓新的市场机会；OTT提供商和独立的应用开发商通过MEC开放标准的平台可以快速开发新的应用、缩短开发周期，为终端用户提供近乎零延时的极速体验。所有MEC价值链中的参与者最终将得益于MEC创造的市场环境，并通过覆盖众多行业的应用促使经济的持续发展。电信运营商网络挑战分析2.2.1竖井式网络架构难以满足业务发展需求伴随着移动互联网、物联网及行业应用的爆发式增长，未来移动通信网络将面临千倍数据流量增长和千亿设备互联需求，传统的4G竖井化架构已不能满足业务的发展需求，正在向扁

15、平化的端管云架构下演进。5G网络采用NFV和SDN技术，进行网元功能的分解、抽象和重构，5G网络将形成由接入平面、控制平面和转发平面构成的IT化的新型扁平化平台，网络向控制功能集中化和转发功能分布化的趋势演进。转发面将专注于业务数据的路由转发、具有简单、稳定和高性能等特点，以满足未来海量移动流量的转发需求；控制面采用逻辑集中的方式实现统一的策略控制，保证灵活的移动流量调度和连接管理，集中部署的控制面通过移动流控制接口实现对转发面的可编程控制。5G网络控制面和转发面的分离，使网络架构更加扁平化，转发面网关设备可以采用分布式按需的部署方式，通过多元化、多级的业务流向从根本上解决4G网络竖井化单一业

16、务流向造成的传输和核心网负担过重的问题。在控制平面的集中调度下，转发平面通过灵活的网关锚点、边缘内容与计算等技术实现端到端海量业务数据流的低时延、高带宽、均负载的传输，从而提升网内分组数据的承载效率与用户业务体验。ETSI、3GPP、NGMN等5G组织已经将边缘计算作为5G架构的一部分，并开展了研究和标准化工作。边缘计算可驱动电信网络架构分布化，实现运营商业务本地化处理，提升网络数据处理效率，满足终端用户的极致体验，并满足垂直行业网络低时延、大流量、高安全性等诉求。例如，低时延的自动驾驶业务要求核心网的网络功能和业务处理功能下沉到靠近接入网的边缘，以减少中间层级，实现低时延的业务处理；在需要大

17、带宽的AR/VR视频播放场景中，需要把视频缓存在靠近接入侧边缘的节点，以节省大量的传输带宽，提升网络处理效率；在需要通过视频加速提升用户体验，或者通过Toobar植入推送信息的应用场景中，可以通过MEC的开放平台快速集成第三方应用。2.2.2ICT融合驱动运营商改变“哑管道运营”格局移动互联网打破电信运营商原有的围墙花园模式，OTT多种多样服务类型的快速出现以及相应业务量的急剧增长，促使移动通信网络逐渐管道化，运营商对用户的掌控力度将逐步减弱，沦为数据“哑管道”的趋势加剧，成为移动互联网中产值较低的环节。运营商当前以计数据流量为主的资费模式，相对于OTT灵活的商业模式显得较为单一。在流量指数增

18、长的MBB时代，运营商设备投资增长（正比于流量增长）与收入增长之间的“剪刀差”日益明显。电信运营商需把握ICT融合商机，从业务创新、平台整合、生态系统构建和商业模式摸索等多方面进行转型，实现从“流量红利”向“数字红利”进而向“信息红利”的转变。一方面，通过构建智能管道来实现网络资源的可视、可管、可经营。运营商需对移动互联网流量数据进行检测分析，汇聚用户行为特征，采用控制策略，使管道产生附加值。此外，还需提炼高价值业务应用或开展针对性的业务推送和推广，提升用户体验，引导用户行为，实现流量的精细化管理。另一方面，通过统一API接口打造业务使能平台，与OTT及第三方应用开发商密切合作，为用户提供端到

19、端应用解决方案，增强用户粘性。在ICT融合的浪潮中，构建统一的云计算基础设施，提供以计算、存储、网络和安全为主要功能特征的服务能力，是电信运营商改变“哑管道运营”格局的必然选择。作为IT和CT融合的产物，MEC是运营商数字化转型的利器，可助力运营商快速搭建起与OTT或应用开发商合作的桥梁。电信运营商不仅可以将MEC平台的存储、计算能力开放给应用开发商和内容提供商，为他们提供全新的业务开发环境及用户体验；也可以将无线侧eNB信息封装成各种服务（例如，RNIS、位置服务、带宽管理服务等），运行在MEC平台之上，开放给企业和垂直行业使用，从而提供更多的增值服务，实现网络价值的最大化。3 中国联通ME

20、C平台能力和应用需求MEC平台能力需求MEC虚拟化平台位于无线接入网与移动核心网之间，可利用无线基站内部或无线接入网边缘的云计算设施（边缘云）提供本地化的公有云服务，并能连接位于其它网络（如企业网）内部的私有云从而形成混合云。MEC平台基于特定的云计算系统（例如，OpenStack）提供虚拟化软件环境用以规划管理边缘云内的IT资源。第三方应用以虚拟机（VM）的形式部署于边缘云，能够通过统一的API，获取开放的无线网络能力。MEC平台由业务域及管理域构成。业务域用于支持第三方应用的运行。管理域负责对MEC平台的业务域进行管理。3.1.1业务域MEC平台的业务域包括数据平面（Data Plane，

21、DP）和API使能。1）数据平面：DP在无线接入网及核心网之间提供数据转发通路，实现数据流量的本地卸载，并为第三方业务主机提供网络虚拟化支持以及提供MEC平台内部各功能组件之间的数据转发。DP必须具备对GTP-U数据流的解析处理能力：在上行数据方向，DP应首先对来自基站的GTP分组进行解析，并根据业务需求进行转发。在下行数据方向，DP应将来自第三方业务的数据封装至正确的GTP隧道，以便移动终端能够通过基站进行接收。此外，DP还需包括以下功能：无线接入网可能引入IPsec，对回传线路上的业务数据进行加密，因此DP需要支持IPsec加解密功能；移动终端的运动可能导致其网络接入点位置的变化，从而引起

22、业务会话中断，因此DP必须支持特定的转发能力以实现业务数据的连续传输；DP必须能够提供备份链路。当部分功能失效时，用户的业务数据仍可通过备份链路进行传输，从而避免网络中断。2）API使能：API使能实现了无线网络能力向第三方应用的开放。不同的网络能力通过特定的API对外开放，对API的调用既可来自外部的第三方应用，也可来自MEC平台的内部功能。特定的网络能力被抽象为特定的API，其访问调用必须得到监控及管理，确保只有经过授权的第三方才能获得可信的能力调用服务。从调用对象角度来看，API使能主要分为五类：面向无线接入设备（如eNB）的API；面向移动核心网设备（如S/P-GW）的API；面向运营

23、商业务及运营支撑系统（如BSS及OSS）的API；面向MEC平台内部组件（如DP）的API；面向用户业务数据流（如DNS查询请求）的API。API使能必须实现面向第三方应用的友好化及智能化，提升第三方的开发体验，使得网络能力能够得到快速便捷的调用，并保证网络可对外部调用请求进行高效智能的响应。如图3.1所示，中国联通致力于打造MEC统一API业务平台，标准化MP1、MM9等接口，为第三方应用提供统一的API，引领各设备厂商的MEC平台具备相同的平台开放能力，使得第三方应用商可以提供兼容部署的应用软件版本。图3.1中国联通MEC统一API业务平台此外，API使能还应在支持网络能力开放方面保持足够

24、的灵活性，随着网络功能的进一步丰富，可实现持续开放，而不必对第三方应用平台及网络系统自身进行复杂的改动。考虑到目前主流的在线应用主要基于Web框架实现。为便于第三方调用，API使能可被拆分为基于HTTP操作的逻辑资源，并嵌入特定的HTTP会话内随业务数据一起交付。第三方应用平台（如OTT）可基于已有的生产环境进行调用，无需修改自身平台架构及业务逻辑。3.1.2管理域管理域负责对MEC平台进行管理，包括数据平面控制，API使能控制，资源使用统计及第三方业务部署管理。一方面，管理域应支持运营商及第三方用户通过基于Web的控制面板手动选择和配置资源，或者提供API支持基于编程方式的选择和配置服务。另

25、一方面，管理域可根据MEC平台的实际运行状况，基于预先设定的规则，对业务域进行动态实时控制。1）数据平面控制：管理域需要对数据平面进行监控管理，从而保证MEC平台在路由转发行为上的可控可管。2）API使能控制：对API的调用必须经过管理域的授权才可进行。一方面，第三方应用必须事先向管理域进行相关的API使能注册，才能调用该API。另一方面，管理域需要对特定API的安装进行许可，并监控其运行状态。3）资源使用统计：包括IT资源使用统计，API调用统计及数据流量统计。IT资源使用统计指对第三方租用的虚拟主机进行IT资源用量（例如，CPU，内存）统计。API调用统计指对第三方调用API的情况进行统计

26、，根据API类型的不同以及发起API调用的来源（即MEC平台内调用、MEC平台外调用）不同，按照不同规则（调用次数、订阅时间）进行统计。数据流量统计指对数据平面在本地导出的数据流量进行统计，具体形式包括离线统计，内容统计及实时统计。本白皮书4.2.2章节会对流量实时统计方案进行阐述。4）IT基础资源管理：管理域通过虚拟机监控器对边缘云内的物理和虚拟IT 基础结构进行集中管理，实现资源规划部署，动态优化及业务编排，包括对边缘云的IT资源池（如计算能力，存储及网络等）进行管理，以及对虚拟化技术提供支持。MEC典型应用需求（1）移动视频QoS优化目前LTE蜂窝网络所承载的视频内容和管道之间缺乏交互，

27、用户体验很难达到最佳。一方面，由于无线侧信道和空口资源变化较快，难以动态调整应用层（HTTP/DASH）参数以适配无线信道的变化。同样，传统的TCP拥塞控制策略是针对有线环境设计的，也不能准确适应无线信道的变化。另一方面，eNB对应用层内容不可知，无法为不同类型的业务动态进行无线资源的调度，也不能为同一类型业务的不同用户提供差异化的QoS，例如，eNB为每个在线视频用户分配相同的QCI、MBR和GBR。图3.2基于MEC平台实现视频跨层优化MEC平台可以通过北向接口获取OTT视频业务的应用层及TCP层信息，也可以通过南向接口获取RAN侧无线信道等信息（RNIS、Location Service

28、等），进一步通过双向跨层优化来提升用户的感知体验，从而实现运营商管道的智能化，如图3.2所示。（2）移动CDN下沉当前移动网的CDN系统一般部署在省级IDC机房，并非运行于移动网络内部，离移动用户较远，仍然需要占用大量的移动回传带宽，服务的“就近”程度尚不足以满足对时延和带宽更敏感的移动业务场景。如图3.3所示，运营商可以MEC平台内部部署边缘CDN系统，OTT以IaaS的方式租用边缘服务器节点存在自身的业务内容，并在自有的全局DNS系统将服务指向边缘CDN节点。图3.3基于MEC实现移动CDN下沉（3）VR直播在大型的电竞、球赛、F1赛车、演唱会等直播场景，用户对时延及沉浸式体验有较高的要求

29、。如图3.4所示，MEC平台可实现VR视频源的本地映射和分发，为观众提供高品质的VR视频体验。并可通过多角度全景摄像头为观众带来独特的视角体验。例如，距离球场较远位置的球迷可以通过实时VR体验坐在VIP位置的观看感觉。另外，MEC的低时延、高带宽优势可避免在观看VR时因带宽和时延受限带来的眩晕感，并且可减少对回传资源的消耗。图3.4基于MEC平台实现VR直播（4）增强现实（AR）现有的AR解决方案中，用户需先下载安装巨大的APP来进行AR的体验，但手机的内存、电量和存储容量局限了AR的发展。如图3.5所示，MEC平台通过网络数据（如RAN侧反馈的Location 信息）确定用户位置，利用本地A

30、R服务器提供实时的AR内容匹配计算和推送，实现本地实景和AR内容频道实时聚合，带给客户全新的独特用户体验。此外，通过本地位置相关的AR内容的快速灵活部署和发现，可构成MEC全新的就近内容提供和广告商业模式。图3.5基于MEC平台实现增强现实（5）视频监控与智能分析监控视频的回传流量通常比较大，但是大部分画面又都是静止不动或没有价值的。如图3.6所示，通过MEC平台对视频内容进行分析和处理，把监控画面有变化的事件和视频片段进行回传，并且把大量的价值不高的监控内容就地保存在MEC服务器上，从而节省传输资源，可有效地应用于车牌检测、防盗监控、机场安保等场景。图3.6基于MEC平台实现视频监控与智能分

31、析（6）V2X应用5G网络对uRLLC场景下V2X的远程车检与控制时延要求为20ms，对自动驾驶时延要求为5ms，边缘计算是5G网络中降低时延的使能技术。如图3.7所示，通过LTE蜂窝网络和MEC车联平台的本地计算，在紧急情况时下发告警等辅助驾驶信息给车载单元OBU，相比现有网络延时，车到车时延可降低至20ms以内大幅度减少车主反应时间，对挽救生命和减少财产损失具有重要的现实意义。此外，通过MEC车联平台还可实现路径优化分析、行车与停车引导、安全辅助信息推送，和区域车辆服务指引等。图3.7基于MEC平台实现LTE-V2X应用（7）工业控制移动互联网的迅猛发展促使工业园区对无线通信的要求越来越强

32、烈，目前多数厂区/园区通过WiFi进行无线接入。然后，WiFi在安全认证、抗干扰、信道利用率、QoS、业务连续性等方面无法进行保障，难以满足工业需求。如图3.8所示，结合蜂窝网络和MEC本地工业云平台，可在工业4.0时代实现机器和设备相关生产数据的实时分析处理和本地分流，实现生产自动化，提升生产效率。由于无需绕经传统核心网，MEC平台可对采集到的数据进行本地实时处理和反馈，具有可靠性好、安全性高、时延短、带宽高等优势。图3.8基于MEC平台实现工业控制4 中国联通LTE网络MEC部署策略LTE网络MEC组网架构在LTE网络中，MEC服务器有两种形态：1）作为基站的增强功能，通过软件升级或者新增版卡，与基站集成的的内置方式；2）作为独立设备，部署在基站后或网关后的外置方式。图4.1为中国联通LTE网络中典型的MEC端到端组网架构，MEC服务器位于基站与核心网之间，通过解析S1消息实现业务的分流。基站和核心网之间通常经过多个传输环：接入环、汇聚环、和核心环。根据业务类型、处理能力，网络规划等需求，将MEC部署于网络中的合适位置。图4.1 LTE网络中MEC端到端组网架