移动边缘计算综述

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移动通信的边缘计算

在5G时代,移动网络服务的对象不再是单纯的手机,而是各种类型的设备,如平板、移动车辆和各种传感器等。服务的场景也多样化,比如移动宽带,大规模机器类型通信、任务关键型互联网等。因此,在移动性、安全性、时延性和可靠性等多个方面,移动网络都必须满足更高的要求。

多访问边缘计算(MEC)(也称为移动边缘计算)是一种边缘计算,通过将其带到网络边缘来扩展云计算的功能。MEC源自ETSI(欧洲电信标准协会)计划,该计划最初专注于在移动网络上放置边缘节点,但现在已扩展到包括固定(或最终融合)网络。

移动边缘计算(MEC)是一种基于移动通信网络的全新的分布式计算方式,构建在RAN侧的云服务环境,通过使一定的网络服务和网络功能脱离核心网络,实现节省成本,降低时延和往返时间(RTT), 优化流量,增强物理安全和缓存效率等目标。基于MEC,终端用户可以获取更加极致的体验,更加丰富的应用以及更安全可靠的使用。

传统的云计算发生在远离用户和设备的远程服务器上,而MEC允许进程在基站,中心办公室和网络上的其他聚合点中进行。

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通过将云计算的负载转移到各个本地服务器,MEC有助于减少移动网络的拥塞并减少延迟,从而提高最终用户的体验质量(QoE)。

移动边缘计算综述

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正如弗雷斯特在2018年的一份报告中强调的那样,“边缘计算的兴起是为了应对一系列云计算相关的挑战。”包括:

1、越来越需要低延迟和高可靠性

2、快速扩张的IOT

3、日益流动和分布的劳动力

4、带宽和连接限制

5、数据传输和存储的高成本

6、不断演变的资料私隐规定

下面提供边缘计算的简单定义。包括在边缘计算中定义的一些其他关键术语。

边缘计算:边缘计算是一种物理计算基础架构,位于设备和超大规模云之间的频谱上,支持各种应用程序。边缘计算使处理能力更接近最终用户/设备/数据源,从而消除了前往云数据中心的旅程并减少了延迟。

电信边缘计算:由电信运营商管理的分布式计算,可能会扩展到网络边缘以外并扩展到客户边缘。客户可以运行低延迟的应用程序以及在靠近数据源的地方缓存或处理数据,以减少回程流量和成本。

本地边缘计算:由网络运营商为应用程序和功能管理的客户场所中的资源计算。这些功能在虚拟化环境中作为跨分布式边缘体系结构的基于云的操作运行。本地边缘计算可在本地保留敏感数据,同时仍可利用边缘云提供的弹性。

边缘云:边缘计算之上的虚拟化基础架构和业务模型。边缘云具有云和本地服务器的优势,因为它具有灵活性和可扩展性,并且能够处理由于最终用户活动的意外增加而导致的工作负载突然增加。

私有云:云部署模型,其中通过私有网络向一组专用用户提供计算服务。私有云还提供了公共云的优势,例如可伸缩性和敏捷性,但主要区别在于私有云通过内部云基础架构托管提供更高的安全性和数据隐私性。

网络边缘:这是企业拥有的网络(如无线LAN或数据中心)连接到第三方网络(如Internet)的地方。

技术现状和发展趋势

根据欧洲视听与电信产业研究院DATE预测,2020 年全球连接将增至800亿。设备连接到物联网之后,业务场景的应用需求就会产生,并且各种设备会交互感知。在这跨越式发展的过程中,更多的连接,更大的流量,更多的应用,都促使网络的革命性发展。

移动边缘计算综述

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近年来,为解决某些特定场景的问题,如低时延、数据本地分析和处理、带宽和成本要求等,移动边缘计算(MEC)开始逐步成型。2014 年ETSI正式提出MEC的标准草案,并发布MEC技术白皮书和具体应用场景,随后3GPP组织将MEC的关键功能确定为5G未来网络的一个重要研究方向。

移动边缘计算具有本地化、近距离、低时延、位置感知、能够获取网络上下文信息等特点,为产业链各环节创造新的价值,整个产业链的各方都能够在合作中受益,从而打造全新的产业生态系统。

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在标准组织里,目前ETSI在推动整体MEC技术标准的发展,3GPP于2006.年正式接受MEC作为5G架构的关键课题。同时,所有产业链的参与者都有共识认为下一代网络或者5G网络中,边缘计算将是一个重要的组成部分,当前阶段更多是业务驱动,发现更多的场景。由电信运营商、IT厂商等发起成立的产品联盟和开源组织还包括边缘计算产业联盟、Open EDGE Computing、OpenFog等。

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当前边缘计算还处在起步阶段,还面临发展中的一些问题,多数电信公司才刚刚开始推出MEC网站

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MEC的实际市场规模而言,尽管对多个来源的预测存在一些差异(上/下界),但总体趋势是,全球MEC市场将在未来几年内实现显著增长。

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在4G标准中,针对本地应用,3GPP 最早引入了LIPA/SIPTO (本地IP接入,本地IP分流)方案,将用户的业务流数据直接从家庭基站进行接入,不经过运营商的核心网络,此后3GPP将SIPTO方案用于宏蜂窝网络并完成标准化,但LIPA/SIPTO方案以APN为粒度,依赖于终端APN的手动配置。在4G网络架构演进中,3GPP提出了CUPS (控制面和转发面分离)立项并于2017年3月结项,CUPS方案旨在4G网络架构下进一步区分各个网元节点的控制面功能和用户面功能,并进行分离,一个控制面可以连接多个用户面,建立连接以及做数据转发的时候,控制面根据APN等信息选择合适的用户面节点,包括更靠近无线网的用户面。在无线侧标准方面,3GPP在Rel-14中成立了CASD(无线智能感知与分发)研究项目,对本地转发/本地缓存以及跨层优化等MEC应用场景.从无线侧角度进行了研究并制定了标准化方案,该研究项目于2017年3月顺利结项,相关研究内容在Rel-15新成立eVideo项目中正在展开标准化工作。

在5G Rel-15标准中,5G端到端架构设计初始将MEC本地分流作为需求和特性设计,提出可基于UPlinkelassifier、 LADN ( local area data network)以及IPV6 multi-homing本地分流网方案。

同时无线侧在3GPP Rel-15提出支持边缘计算功能,目前正在开展无线侧标准化方案研究以辅助实现端到端本地分流网方案。

在5G网络架构中,非3GPP接入与3GPP接入进行统一网络架构设计。其中非3GPP接入通过N3IWF功能接入5G核心网,接受网络的统一管理控制。MEC作为统一业务平台,可承接多种接入方式下的应用。5G核心网支持对非3GPP接入下的本地会话的授权鉴权。

面向5G新兴业务的无线侧和应用层侧跨层信息交互和联合优化,计划在Rel-16推动无线侧相关3GPP标准化工作,同时在5G Rel-16阶段将对网络能力开放进行规划。

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从标准化来看,基于4G网络架构下的技术目前都无法有效满足MEC完整功能的实现,例如CASD可以实现本地业务缓存及分流和无线跨层优化,但是.在流量计费等方面还需要通过特有方案来实现,而CUPS可以实现本地转发和流量计费,但是下沉的网关需要跟核心网进行互通以及需要终端进行多APN设置,而这些都需要网络和终端进行一定的改造,因此在4G网络中针对应用场景和业.务需求进行MEC功能设计时,需要对具体的场景和需求进行特定方案设计。

5G网络以新业务需求和使能技术为驱动力,开展全面的创新设计,边缘计算的理念天然融入其中。从标准化目前的角度来看,5G架构将UPF作为基础架构组成部分实现用户面的本地转发,并基于虚拟化平台实现,未来在网络中部署位置可以下沉至汇聚层,但并未涉及无线侧和应用侧的跨层联动优化,相关无线信息能力开放和精准定位工作将在Rel16计划开展。MEC平台可集成5G UPF功能,针对业务流实现数据转发,同时MEC平台借助无线信息开放,实现无线侧和应用层跨层信息交互和联合优化。

系统构成及工作原理

与传统云计算需将计算任务卸载到云服务器不同的是,移动边缘计算卸载和存储资源都在靠近用户的边缘侧进行,不仅减少了传统云计算回传链路的资源浪费,而且大大降低了时延,满足了终端设备计算能力的扩展需求,保证了任务处理的高可靠性。

MEC系统如图所示,关键组件包括MEC服务器和移动设备(也称为终端用户、客户端、服务订购方)。MEC服务器通常是由电信运营商进行部署的、与终端用户非常接近的小型数据中心,通过网关经由互联网连接到数据中心,并且可以与无线接入点进行协同合作。移动设备和服务器可以使用先进的无线通信和网络技术建立可靠的无线链路。

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MEC的出现使得传统电信蜂窝网络和互联网业务得到了深度融合,减少了移动业务交付时的端到端时延,挖掘出无线网络的潜在能力,进而提升用户体验。MEC模式将给电信运营商在运作模式上带来–系列全新的变革,继而推进电信运营商建立新型的产业链和网络生态圈。

移动边缘计算的出现同时推动了物联网、5G和运营商个性化业务的发展。

在欧洲电信标准化协会( EISI)制定的“MEC全球标准003版本(GS MEC 003)中,ETSI定义了移动边缘计算基于网络功能虚拟化(NFV)的参考架构。根据ETSI的定义,移动边缘计算侧重的是在移动网络边缘给用户提供IT服务的环境和云计算的能力,意在靠近移动用户来减少网络操作和服务交付的时延。移动边缘计算架构分为3级:系统层、主机层和网络层。ETSI提出的系统架构中展示了MEC的功能要素和每个功能要素之间的参考节点。

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英特尔对MEC的整体架构也做了定义:MEC处于无线网络接入点和有线网络之间,因为传统的无线接入网拥有业务本地化和近距离部署的优势,从而带来的是高带宽和低时延的传输能力。MEC模式下通过将网络业务“下沉”到更加接近用户的无线网络接入侧,直接的好处就是用户能明显感受到传输时延减小,网络拥塞情况被显著控制。MEC提供应用程序编程接口(API),对第三方开放基础的网络能力,使得第三方可以根据业务需求完成按需定制和交互。

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边缘在哪里?边缘跨越了终端设备和云/互联网之间的任何地方。但是,电信边缘计算只是其中的一部分。

在公共网络内外都有电信边缘计算的多个潜在位置。这些包括客户房屋,手机信号塔,街道机柜以及访问和核心网络中的网络聚合点。将电信的边缘计算基础架构放置在何处的决定取决于三个因素:

a)电信公司当前的网络体系结构
b)虚拟化路线图,您可以在其中规划网络应用程序的数据中心设施
c)电信公司必须满足的需求和用例。

例如,手机信号塔靠近客户边缘,并且比街柜覆盖的区域更大。这些将适合自动驾驶汽车的低延迟通信-让汽车根据当前环境以及未来的发展趋势做出实时响应。

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关键技术

虚拟化技术

虚拟化技术是一种资源管理技术,将计算机的各种实体资源(CPU、内存、磁盘空间、网络适配器等)予以抽象、转换后呈现出来并可供分区、组合为一个或多个电脑配置环境,由此打破实体结构间不可分割的障碍,使用户可以比原本配置更好的方式来应用这些电脑硬件资源。虚拟化技术中使用hypervisor实现了应用软件环境与基础硬件资源的解耦,使得可以在同一个硬件平台上部署多个虚拟机,从而共享硬件资源,多个虚拟机之间通过虚拟交换机实现健壮、安全和高效的通信,并通过指定的物理接口实现数据流量的路由。

虚拟化技术与网络的结合催生了网络功能虚拟化(NFV)技术,该技术将网络功能整合到行业标准的服务器、交换机和存储硬件上,并且提供优化的虚拟化数据平面,可通过服务器上运行的软件实现管理从而取代传统的物理网络设备。NFV使得MEC平台中多个第三方应用和功能可以共平台部署,各种应用和服务实际上是运行于虚拟化基础设施平台上的虚拟机,极大地方便了MEC实现统一的资源管理。

云技术

虚拟化技术促进了云技术的发展,云技术的出现使得按需提供计算和存储资源成为可能,极大地增加了网络和服务部署的灵活性和可扩展性。现今大多数移动手机应用都是基于云服务设计的,值得一提的是,云技术与移动网络的结合还促进了Cloud-RAN(C-RAN)这一创新性应用的产生。C-RAN将原本位于基站的基带处理单元等需要耗费计算和存储资源的模块迁移到云上,在很大程度上解决了基站的容量受限问题,提高了移动网络的系统能量效率。MEC技术在网络边缘提供计算和存储资源,网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)和云技术能够帮助MEC实现多租户的共建。由于MEC服务器的容量相对于大规模数据中心来说还是较小,不能提供大规模数据中心带来的可靠性优势,所以需要结合云技术引入云化的软件架构,将软件功能按照不同能力属性分层解耦地部署,在有限资源下实现可靠性、灵活性和高性能。

软件定义网络(SDN)技术

SDN技术是一种将网络设备的控制平面与转发平面分离,并将控制平面集中实现的软件可编程的新型网络体系架构。SDN技术采用集中式的控制平面和分布式的转发平面,两个平面相互分离,控制平面利用控制-转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制,并向上提供灵活的可编程能力,这极大地提高了网络的灵活性和可扩展性。

当前已有很多研究致力于将SDN技术与移动网络相结合。SDN作为关键技术,在5G网络的研究中也被广泛采用,在5G核心网测试平台Open5GCore的设计中就引进了SDN技术将LTE EPC下的服务网关(S-GW)和PDN网关(P-GW)分别抽象成了用户平面网关(SGW-U,PGW-U)和控制平面网关(SGW-C,PGW-C),从而提高了网络的灵活性和可扩展性。

移动边缘计算综述

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MEC部署在网络的边缘,靠近接入侧,这意味着核心网网关功能将分布在网络的边缘,这会造成大量接口的配置、对接和调测。利用SDN技术将核心网的用户面和控制面进行分离,可以实现网关的灵活部署,简化组网。另外,SD-MEC有专门的控制器对系统进行管控,从而降低了管理的复杂性,同时使得新服务的部署变得更加灵活。

应用

边缘计算的核心是构建更加通用、灵活并且支持多生态业务的分布式IT资源。边缘计算在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等基础设施,并为边缘应用提供云服务和IT环境服务。相比于集中部署的云计算服务,边缘计算解决了时延过长、汇聚流量过大等问题为实时性和带宽密集型业务提供更好的支持。随着5G和工业互联网的快速发展,新兴业务对边缘计算的需求十分迫切。在众多垂直行业新兴业务中,对边缘计算的需求主要体现在时延、带宽和安全三个方面。目前智能制造、智慧城市、直播游戏和车联网4个垂直领域对边缘计算的需求最为明确。

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自动驾驶汽车功能对于自动驾驶汽车

MEC可用于直接与车辆共享有关道路基础设施,行人/其他汽车/动物的位置以及天气状况的信息,而不必与中央云服务器交互。将MEC与AI / ML结合使用将使自动驾驶汽车实时了解其周围情况。MEC提供的低延迟对于自动驾驶车辆安全运行至关重要,因为车辆无法承受等待在云中处理信息的风险。

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物联网(IoT)

为了使IoT设备的硬件复杂性降低并延长设备的电池寿命,可以把原本需要远程处理的计算密集型任务卸载到边缘服务器中去执行,并在服务器处理完后将结果返回给用户。另外,一些IoT应用程序需要获得系统的分布式信息用于执行计算任务。MEC能帮助loT设备很好地解决这个问题。MEC服务器自身承载着高性能的计算能力并能够收集分布式的信息,所以通过它们的部署能够显著简化loT设备的设计复杂度。loT设备可以不需要具有强大的处理能力,也.不需要自己从多个数据源接收信息用来执行比较复杂的计算。loT的另一个重要特征是运行设备的异构性,不同的终端设备运行着不同形式的协议。所有的设备应该.是由一个低延迟聚合点(网关)完成管理工作,MEC服务器就可以充当这个网关的角色。

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企业混合现实(MR),增强现实(AR)和虚拟现实(VR)应用程序

AR / VR中的MEC可以支持远程工作者在现场执行维护和维修任务。MEC解决方案将在头盔或移动设备上的现场工作人员的显示器上提供与他们正在修理的特定资产有关的丰富信息的叠加。如今,3D模型太重而无法在终端设备上渲染,并且由于延迟太长而无法在云中完成。MEC允许处理数据并在设备外进行3D模型的潜在渲染,从而允许在工作人员的视野中扩展数字孪生模型,并允许远程专家注释从耳机或移动设备流式传输的图像/视频实时设备。

MEC支持的另一个企业MR应用程序是针对建筑,工程和施工团队的多用户协作。通过渲染团队将在边缘云中共同工作的模型,它可以实现实时协作。这样可以减少延迟,特别是因为这些3D设计通常是巨大的文件。MEC部署还允许通过分布式网络在其他利益相关者之间轻松共享。

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云游戏和多人游戏

MEC会将密集的计算/图形处理从专用游戏控制台或随着云游戏发展而来的数据中心移至网络边缘。玩家可以在网络覆盖范围内的任何地方从瘦客户端访问相同质量的游戏。对于游戏工作室和开发人员而言,由于MEC提供极低的延迟,因此云游戏成为一种可行的方式,当与新的订阅模式结合使用时,云游戏可为更广泛的受众提供高端游戏体验的访问权限,并可能带来新的收入来源。

实时无人机检测

越来越需要解决方案来检测无人机何时进入安全的地理围栏区域,并触发管理站点的安全团队所定义的必要警报/操作。从2018年英国盖特威克机场无人机事件可以看出,机场,监狱和医院可能是这项技术的主要采用者,因为它们需要能够立即对威胁做出反应,这通过MEC成为可能。使用MEC可以减少识别外来无人机和映射其路径的延迟,从而确定其是否正在接近禁区。MEC会将来自无人机的数据保持在更靠近其来源的位置,从而减少了发生违规或安全威胁时做出响应所花费的时间。

视频分析

由于摄像机数量和素材质量的提高,城市/企业中视频监控的使用日益增多,数据量也在不断增长。与将视频流量路由到中央控制以进行分析相比,MEC可以在网络边缘实现本地流量和分析的突破。这可以聚合来自不同类型摄像机的视频流,并可以启用其他视频分析应用程序,包括实时面部识别,资产监控和人行道分析。MEC减少了将原始素材传输到云/中央服务器所需的成本,数量和时间,并基于分析实现了实时触发。

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随着未来移动通信网络的快速发展,将兴起越来越多的新型应用场景和办公娱乐方式,用户也将产生更多的需求,MEC作为一种新兴的技术已成为各大电信运营商、设备厂商、软件开发商和各行业研究人员共同关注的热点。

原创文章,作者:sunyaqun,如若转载,请注明出处:https://www.dallk.cn/1495.html

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