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MEC技术原理及其应用浅析
[ 通信界 / 陕西联通 席晓 / www.cntxj.net / 2018/11/18 11:09:23 ]
 

随着国内4G网络的正式商用,用户在移动场景下高速率交互能力得到了大幅度提升。物联网、智能制造及云计算等新兴产业快速的发展已催生了一大批行业应用规模化落地应用。这些新产业对4G移动网络的需求越来越旺盛,随着网络覆盖范围的扩大、带宽的增强、资费的下降,万物互联的物联网触发了新的生产模式和商业模式,催生了移动网络新的数据生产和消费方式;离散制造、流程制造等智能制造亟待需要靠近现场、能提供可靠性高、实时性、准确性强的系统,以实现移动互联网智能制造系统深度融合。

随着云计算技术的成熟与快速应用,现在大部分应用系统都采用云计算的架构来构建,一些传统架构的应用系统也在逐步向云平台迁移,采用云平台架构来集中化的建设应用系统优化了传统架构的诸多缺点,但是这种集中化的建设方式在靠近用户的网络边缘也存在许多不足之处。线性增长的云计算能力无法匹配爆炸式增长的海量网络边缘数据;传输网络带宽负载急剧增加造成较长的网络延迟,难以满足控制类数据、实时数据和流式等数据的传输需求。

随着移动互联网的快速发展,越来越多的用户习惯通过多样化的移动终端来使用移动网络中的应用和观看网络中各种高清视频,并且各类行业应用的APP铺天盖地的发展,这些APP应用及高清视频会消耗大量的网络资源和带宽,而目前运营商的传统网络架构还不能完全满足如用户所愿的业务体验,如何满足用户移动互联网化的各种业务需求、提高用户的业务体验,为用户提供差异化的服务,成为运营目前移动网络架构发展演进的难题。

移动边缘计算MEC(Mobile Edge Computing)将虚拟化的平台引入移动网络中,能有效实现业务锚点下沉,缩短业务响应时间,很好地解决目前4G移动网络中业务发展存在的诸多问题,还能提供将传统移动网络的通信能力开放,为开展网络能力相关的创新业务应用奠定良好的基础。

MEC技术概述

移动边缘计算MEC是把移动网络和互联网两者技术有效融合在一起,在移动网络侧增加了计算、存储、数据处理等功能;构建了开放式平台以植入应用,并通过无线API开放移动网络与业务服务器之间的信息交互,移动网络与业务进行了深度融合,将传统的无线基站升级为智能化基站;MEC的部署策略尤其是距离用户的相对地理位置可以有效实现低延迟、高带宽等,MEC也可以实时获取移动网络信息和更精准的位置信息来提供更加精准的位置服务。

MEC系统通常包括以下部分:

MEC系统底层:基于网络功能虚拟化NFV技术的硬件资源和虚拟化层架构,分别提供底层硬件的计算、存储、控制功能和硬件虚拟化组件,完成虚拟化的计算处理、缓存、虚拟交换及相应的管理功能。

MEC功能组件:承载业务的对外接口适配功能,通过API完成和基站及上层应用层之间的接口协议封装,提供流量旁路、无线网络信息、虚拟机通信、应用与服务注册等能力,具备相应的底层数据包解析、内容路由选择、上层应用注册管理、无线信息交互等功能。

MEC应用层:基于网络功能虚拟化的虚拟机应用架构,将MEC功能组件层封装的基础功能进一步组合成虚拟应用, 包括无线缓存、本地内容转发、增强现实、业务优化等应用, 并通过标准的API和第三方应用APP实现对接。

如下图所示,MEC系统通常位于无线接入点及有线网络之间。在电信蜂窝网络中,MEC系统可部署于无线接入网与移动核心网之间。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。MEC系统通过部署于无线基站内部或无线接入网边缘的边缘云,可提供本地化的云服务,并可连接其它网络如企业网内部的私有云实现混合云服务。MEC系统提供基于云平台的虚拟化环境,支持第三方应用在边缘云内的虚拟机(VM)上运行。相关的无线网络能力可通过MEC服务器上的平台中间件向第三方应用开放。

 

MEC系统架构

MEC技术原理

移动边缘计算MEC可利用无线接入网络就近提供用户所需服务和云端计算功能,而创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境,加速网络中各项内容、服务及应用的快速下载,让用户享有不间断的高质量业务体验。

MEC系统原理如下图所示,每个用户终端(UE)发起内容调用申请时,传统的内容获取需要经过基站接入后,通过核心网(CN)连接目标内容,再逐层进行传递完成终端和该目标内容间的交互,同一个基站下的其他终端如要发起同样的内容调用,上述调用流程和连接将重复发送,这样,一方面占用了路径上的各级网络资源,另一方面也增加了相应的时延。

引入MEC技术后,通过在基站侧叠加MEC服务器,由MEC服务器和目标内容直接完成内容提取和缓存,这样当同一个基站内其他终端进行相同内容调用时,将可以直接从MEC服务器中予以获取,不再通过核心网重复获取,有效节省了核心网侧的系统资源,同时由于业务内容的下沉将显著缩短相应的业务响应时延。

MEC系统原理示意图

MEC技术优势

可以提供更低的时延。由于业务缓存的内容大幅度接近用户终端设备,大大缩短了业务接续和响应时延,从而实现对网络实际状态进行快速反馈,用以改善用户业务体验,同时减少网络中其他部分的拥塞。

可提供位置感知。MEC服务器可以使用获取的无线网络的信令信息来确定每个连接设备的位置,可为后续基于位置的服务、分析等业务应用奠定良好基础。

可获取网络内容信息。MEC服务器获取的实时网络数据如空中接口条件、网络参数等,可以作为能力开放给应用程序和服务,从而为开发新的应用程序通过开发API获得网络能力信息以帮助移动用户获得基于位置的兴趣点、商业信息以及业务消费习惯等提供了技术可行性。

MEC典型应用场景分析

4k高清视频、视频直播及VR等对网络时延要求很高的业务场景。在这种业务应用中,MEC服务器和各业务系统可进行实时交互,能获取视频业务中的热点内容并在本地缓存,MEC服务器对网络中的实时数据进行深度的解析,并和本地缓存内容进行详细地对比,如果申请访问内容已在本地缓存中,则直接将缓存内容及时推送给申请用户,网络中的热点内容可以根据用户访问情况进行动态实时更新。这样以来,一方面可以有效降低内容访问时延,缓解网络压力;另一方面可以依托对内容的定向缓存,能显著提升用户的业务体验,挖掘基于视频内容的增值价值。

对于如视频教学系统、各种论坛、邮件、FTP等在本地频繁访问的业务系统,用户如果访问的是非内部网络内容,MEC服务器通过详细地解析,可识别为非本地业务,则直接将业务转发至核心网,进行业务的访问。

用户如果访问的是本地业务,MEC服务器通过深度的包解析,可识别为本地业务,则将业务转发至本地网络,进入相应的内容和应用服务器访问。这样避免了通过外部互联网访问本地内容的路由迂回,能有效降低用户访问业务的时延, 提升用户的业务体验, 能有效缓解传输网和核心网的压力。

对于室内多样化业务的应用场景,比如飞机场、规模较大的商住区、大型的场馆、地铁及高铁等这些场景下不同的用户业务需求也不同,面向所有用户的各类业务需求,可以部署LTE小站加MEC服务器,将应用、服务和内容下沉至无线接入网,拉近应用、服务和内容与用户之间的距离,有效降低无线接入网到核心网的传输带宽压力,使得室内的业务交互可以更直接、更高效、更优质,从而为用户提供高品质业务体验,提高室内网络投资收益。

随着云计算技术的快速发展、完善成熟及在数据中心的应用,运营商及各大互联网企业的云数据中心快速建成并投入使用,由于云计算具有能有效降低成本、保证数据安全、业务部署快速灵活等特点,越来越多的政府、企业将各类应用向云数据中心迁移,云数据中心新的应用不断地涌现,同时在云端部署应用,它的局限性也慢慢地暴露出来,业务部署在云数据中心,给用户到数据中心之间的传输网造成很大的压力,业务高峰期时,用户的业务体验极差,有时甚至无法访问相应的应用,如果在各大云数据中心引入MEC技术,将传统的无线基站升级为智能化基站,把云数据中心的计算、网络及存储等弹性资源从核心网下沉到分布式基站,在靠近用户的无线网络侧增加计算、网络及存储等资源处理等能力,将能有效降低用户访问业务时的延迟,缓解云数据中心传输网和核心网的压力,MEC边缘计算和云计算技术相互协同,将能有效地提升云数据中心的业务体验。

云数据中心引入MEC技术架构示意图

由于MEC服务器获取了网络侧和用户的信令、位置等海量数据信息,可以和大数据系统进行对接,作为大数据系统的无线数据输入源之一,为大数据运营提供准确的用户位置信息、信令交互等大量有价值的数据。

目前,MEC正逐步从实验室研究阶段走向现网实验阶段,随着系统架构、API接口、商业模式、所承载的应用等进一步完善,以后必将在现网部署商用,会进一步提升4G甚至5G无线网络的业务应用体验,有效带动无线网络的价值增值。

 

作者:陕西联通 席晓 合作媒体:通信界 编辑:顾北

 

 

 
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