揭秘边缘计算新晋“网红”——5G MEC深度解读第一弹

边缘计算的概念出现较早，随着5G的发展，其服务的目标扩展到生产性领域，为适应垂直行业网络个性化和计算本地化的特点，5G与MEC的结合带来想象空间，得到了广泛的关注。本文分析了算力提供的方式演进，5G MEC的驱动因素，以及5G MEC的系统实现和标准进展，提出如下基本观点：

1、算力提供从中心到边缘、从集中到分布、从分散到协同是伴随信息革命第二阶段智能化而发生的，其最高目标是实现随时、随地、按需地获得算力。

2、5G连接类型从人-人类型到物-物和物-人的变化推动数据处理更多在边缘，业务类型向高带宽低时延发展，业务领域从消费性领域扩展到生产性领域，是驱动5G MEC的主要业务因素。

3、5G低时延要求在技术上要求业务处理本地化，网络软件化和虚拟化则是驱动5G MEC的主要技术因素。

4、算力从云端迁移到边缘，给具备强大网络、通信机房基础设施、本地维护队伍等独特竞争优势的运营商带来新的机会，这也是驱动5G MEC受到通信运营商普遍重视的商业因素。

5、相对于4G，5G定义了更清晰的MEC系统架构和功能，标准探讨的范围也更广泛，有助于凝聚业界力量构建标准化的边缘计算服务，但如何融入行业中，发展出蓬勃的应用，仍然需要业界的思考和共同努力。

全文6300字，预计阅读15分钟

文 | 无界

01、边缘计算定义和基本概念

如果说工业时代是机器延伸了人类的肢体，使得社会生产力大幅提升，那么信息时代则是由信息处理技术发展推动的，以计算机为代表的各种计算设备使得人类的大脑得到延伸，再一次使得社会生产力阶跃式提升。我们都知道，工业时代经过了几次革命，以电力为能源的机器催生了工业文明的巅峰发展。同样，信息革命也正在经历第二阶段智能化的变革，那么作为信息存储和处理的基本能力--算力，就将成为类似于电力的基础设施。

人类寻求计算工具的努力由来以久，从远古即开始采用的结绳记事、算盘算筹、计算尺，到机械计算机，直到1946年第一台真正意义上的电子计算机ENIAC在美国诞生，这台机器使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺，重达28吨，功耗为170kW，其运算速度为每秒5000次的加法运算，造价约为487000美元。跟随电子技术的发展，先后经历了晶体管、集成电路，直到大规模集成电路的发展，大幅提高了计算机的计算能力、集成度，从此才逐渐走向每个人的工作和生活。

算力的提供在云计算技术发展起来之前，基本有两种形态，一种是需要高性能计算的场合，如天气、军事、科技领域，发展出了超级计算机，超算能力一度成为衡量国家科技实力的指标之一。另外一种则通过采购通用和专用服务器构建成企业数据中心，满足企业数字化、信息化的需求。随着计算机可以使用的领域越来越广阔，对算力的要求也更灵活。在此背景下发展出了云计算技术，通过将存储、计算、通信等基础能力虚拟化的方式，为需求方提供弹性的计算能力，这实际上就将算力像电力一样的提供了，大量的计算机构成云数据中心，用户通过通信网络可以便捷的使用算力，并可以根据需求灵活的变更所需算力的数量，基本就是像将用电设备接上电一样。

计算降低了企业使用算力的门槛，可以不用庞大的投资去建设数据中心，以及准备专门的维护团队，使得大量的初创企业能够更快的将产品进行部署，将采购设备改为采购计算服务。好处还不止如此，基于服务的模式，这种提供计算、存储、网络的服务被称为IaaS（基础设施及服务），还发展出了PaaS（平台及服务）、SaaS（软件及服务），将平台能力、软件能力都像服务一样的方式提供，这极大的降低了创新的门槛，只要专注于某一领域的需求，将能更便捷和低成本的构建应用并完成在线发布，所有用户即可以使用个人电脑和智能终端使用这些应用，显然，移动互联网的大发展推进了云计算的发展，本身也从云计算受益良多。

云计算最早是集中的方式提供，但是用户可能分布在全球的各个角落，而且作为重要的基础设施，很多国家也都对数据的保存制定了法律法规，因此必须给用户提供可选的服务区域，以尽量靠近用户并满足不同国家法律的要求。云服务商的解决方案是设置区域和可用区，以全球领先的亚马逊云服务AWS为例，全球提供了22个区域（另外还发布了5个区域），以及69个可用区。

然而这仅是从满足法规规定的角度来设置的，对提供公众用户的服务而言可能是足够的，但要扩展到更深度的产业领域则出现了明显的问题。实际上，即使是在公众服务上，也出现了一些问题，如随着视频内容消费的发展，高带宽的视频中心式的部署，当大量用户从不同区域接入时，给通信网络造成了很大的负担，从而也影响了用户的体验。解决方案是存储下沉，这也就是CDN（内容分布式网络），将热门的内容下沉缓存到更靠近用户的地方，提升业务体验。

除了CDN提供的存储下沉，计算下沉对于一些实时性要求较高的业务更加重要，也正是因此，产业领域提出了雾计算、边缘计算的概念，又针对使用场景的不同提出了移动云计算、移动边缘计算，尽管其定义并不完全一样，但其本质都是将计算能力下沉。5G和边缘计算结合紧密，因此我们重点探讨边缘计算。

实际上，ETSI和5G主要的标准组织3GPP都进行了边缘计算的规范化，并进一步扩展了原本移动边缘计算MEC的概念为Multi-access Edge Computing（多接入边缘计算），并不局限于移动场景。ETSI对MEC的定义为：指在包含一种或者多种接入技术的接入网络中，靠近用户的网络边缘，提供IT业务环境和云计算能力的系统。

由此定义可以看出，MEC具备两大特点：一是支持多种连接方式，强调MEC的连接性，二是靠近用户，强调MEC的实时性。边缘计算联盟ECC（Edge Computing Consortium）和工业互联网产业联盟AII（Alliance of Industrial Internet）在发布的边缘计算参考架构白皮书中归纳了MEC的CROSS功能，即：连接的海量与异构（Connection）、业务的实时性（Real-time）、数据的优化（Optimization）、应用的智能性（Smart）和安全与隐私保护（Security）[1]。

02、5G边缘计算的驱动因素

边缘计算的概念出现较早，并在传媒领域开创了CDN的成功应用，但真正得到产业界的广泛关注还是在物联网、智能化兴起之后，而以实现万物智能互联的5G更是将MEC作为其基本能力，和网络切片一起被认为是5G两大关键能力，这是几方面因素驱动的。

业务因素

首先，5G时代面向的主要连接类型发生变化，使得数据的处理更多的在边缘。5G以前的移动通信实现了人与人之间的普遍连接，据GSMA在《2020年移动经济报告》中的数据，截止到2019年底，全球移动用户数量达到52亿人（约占全球总人口的67%），而这一趋势正在放缓，预计到2025年将增长至58亿（约占全球总人口的70%）。与之形成鲜明对比的则是物联网连接数，GSMA预计，2019-2025年，全球物联网连接数量将翻一番以上，达到近250亿个，全球物联网收入将增加两倍以上，达到1.1万亿美元[2]。而物联网连接由于其处理数据处理的本地特性，即边缘数据的半衰期可能非常低（例如，在事件发生的几毫秒内最有价值)，或者可能价值很低（例如，静态场景的视频监控），需要边缘计算来对大量的本地数据进行处理，只转发有意义的数据或元数据到数据中心。此外，物联网连接应用主要面对企业，目前大部分企业数据是在企业数据中心或云上进行集中处理，边缘计算能够有效降低这种远离应用设备带来的延迟（网络处理和传输速度），满足应用的需求。

其次，5G时代的主要业务类型也在发生变化，4G时代主要以低速的移动互联网业务为主，而5G提供了最高100倍于4G通信带宽，使得在公众业务上，以4K、8K的高清视频直播、AR/VR、云游戏等媒体娱乐类应用成为最吸引用户的业务，这在先行发展5G的国家，如韩国的运营数据中得到验证。垂直行业业务上，以高清视频监控、机器视觉、远程AR辅助、远程医疗等高带宽、低时延业务成为最具想象力的发展方向。随着网络带宽的需求提升，以及灵活的分流和计算需求（如云游戏渲染、高清视频的本地预处理），传统CDN技术也在向边缘计算方向发展。

最后，连接范围扩展，连接和业务类型从个人消费走向生产领域，对隐私/安全的要求变得更高。这个因素对某些行业来说可能是直观重要的，比如一些传统高安全的行业，如电网，对安全有严格的行业和归家规范要求。以及一些新兴的应用，如车联网，由于其操作的关键性和其连接的用户将更多的个数数据上传到网络中。还有如以高清视频监控的本地智能处理、机器视觉的工业生产数据，使得这些数据变得更加私密（个人健康、面部或语音识别数据、私人场所的互动）或机密（关键的工厂内部数据）。从物理上将这些数据保存在本地，或者通过边缘计算的预先处理、存储和/或丢弃适当的数据来满足保护隐私的监管需求，减少数据泄露风险，就成为能够进入这些领域至关重要的因素。

技术因素

低时延的实现需要将计算从中心向边缘下沉。随着主要连接类型从人与人的连接向物-物连接扩展，业务类型向更高带宽、更低处理时延发展。5G提供了面向这类业务的URLLC应用场景，通过在核心网、传输网、无线接入网各个子域采用不同的技术实现。比如在核心网可以通过简化内部网元处理，传输网采用高速转发的FlexE技术，在无线网则通过灵活的子载波间隔、mini slot、免调度等技术减少数据在5G网络中传输的端到端时延，从各个子网来说，核心网转发时延约在0.5ms级别；无线接入网的处理时延视采用的技术集，基本在双向极端的1ms到普遍的15ms之间；传输网时延以光传输为例（5G主要采用的承载技术），主要由几个部分组成，固定的5us/km光纤固有传输时延、光网络设备的处理时延，以进入L1处理的光传送网（OTN）设备为例，基本单节点在10us级（复杂封装结构下可能达到100us级），基于对光网络时延构成的量化分析，光纤传输时延占据光网络电路时延的90%以上，因此光网络时延的首要优化举措是路由优化，尽可能降低路由长度[3]。而5G网络中通过MEC将网络中的数据在无线接入网卸载，进行本地处理，或者通过MEC将负责数据转发的用户面功能（UPF）下沉到边缘，接入行业用户的数据中心，是实现低时延的关键技术。

5G网络SDN/NFV化、云网融合、算力网络等趋势推动边缘计算和5G深度结合。为实现更灵活的网络，5G引入SDN/NFV技术，对核心网、传输网和无线网进行了重新定义，SDN的架构能够让网络可以灵活互换使用云计算和边缘计算的资源，满足敏捷和动态系统需求，为用户提供最佳的服务。而实际上5G标准也在网络架构中明确定义了MEC。而网络运营商面对主要用户从个人向行业的转变，纷纷推出云网融合战略，力图构建通信和算力一体化的算力网络，这使得5G不再是传统的通信网络，而是以多层次灵活部署的算力为中心，通过各种接入手段和传输手段实现算力的按需投送，就像电网为用户输送电力一样的提供算力，这使得边缘计算得到了运营商前所未有的重视。

商业因素

边缘计算除了是一种技术以外，也体现为一种商业模式。应用的需求让边缘计算得到了很多行业的关注。对于垂直行业，关注现场计算，ECC（边缘计算产业联盟）定义为：靠近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连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。对于IT云商则关注边缘网关，阿里云主导的信标委在其白皮书中将边缘云定义为：基于云计算技术的核心和边缘计算的能力，构筑在边缘基础设施之上的云计算平台。边缘云的基础设施包括但不限于：分布式互联网数据中心（IDC）、运营商通讯网络边缘基础设施，边缘侧客户节点（边缘网关，家庭网关）等边缘设备机器对应的网络环境。而对通信运营商，则关注MEC，ETSI 将其定义为：在包含一种或者多种接入技术的接入网络中，靠近用户的边缘，提供IT业务环境和云计算能力的系统。

垂直行业解决方案提供商、IT云商、通信运营商基于各自理解均提供了不同的产品、服务和应用。而随着5G的发展，给通信运营商摆脱移动互联网时代“哑管道”的机会。GSMA在其《5G时代的边缘计算：中国的技术和市场发展》报告中提出，部分算力从云端迁移到边缘，很大程度上可以视为以运营商为中心的技术转移，这种技术转移基于以往网络软件化和虚拟化等的发展成果，并在5G部署中发挥作用[4]。而看起来，通信运营商确实具备一些独特的竞争优势，一方面是其强大的网络，另一方面是其遍布全国的各级通信机房，还有其本地维护队伍。这给在尽管认识到云计算重要性，但却在公有云上丧失先机而普遍折戟成沙的通信运营商带来了逆袭的机会，各大运营商尤其是中国运营商将其提高到很高的地位，并大力推动边缘计算应用生态成熟就不难理解了。

03、5G边缘计算实现和标准进展

一项技术要成熟商用，尤其是涉及到需要多方协同推进的技术，标准化是必不可少的过程。致力于实现MEC标准化的组织主要有两类，一类是基金组织的开源项目，如Linux基金会的Edge X，开放网络基金会（ONF）的CORD项目，另一类是通讯行业的标准组织，主要是ETSI（欧洲电信标准协会）和5G的主要标准组织——3GPP，以及中国通信标准化协会（CCSA）。

ETSI在2014年启动了MEC标准项目，旨在移动网络边缘为应用开发商与内容提供商搭建一个云化计算与IT环境的服务平台，并通过该平台开放无线侧网络信息，实现高带宽、低时延业务支撑与本地管理。2017年底，ETSI MEC完成了Phase I阶段基于传统4G网络架构部署，定义边缘计算系统应用场景、参考架构、边缘计算平台应用支撑API、应用生命周期管理与运维框架、以及无线侧能力服务API（RNIS/定位/带宽管理）。2019年完成了PhaseII阶段，将MEC由原来的移动边缘计算（Mobile Edge Computing）改为了多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing），聚焦5G、Wi-Fi、固网等新业务及需求，工作重点覆盖MEC in NFV参考架构、端到端边缘应用移动性、网络切片支撑、合法监听、基于容器的应用部署、V2X支撑、Wi-Fi与固网能力开放等研究项目，定义网络能力API，采用Open API进一步开源，并与3GPPWi-Fi、GSMA等组协作，推进MEC产业化。

ETSI MEC标准化的内容主要包括以下内容：研究MEC需求、平台架构、编排管理、接口规范、应用场景研究等，定义的系统架构如下图所示。

主要包括：

NFVI/VIM：基于ETSI NFV框架，虚拟化平台，提供应用、服务、MEP等的部署环境。

Data plane：EPC/5GC/Bras的转发面(GW-U/UPF/BNG-U)，提供分流、计费、监听等网络功能。

MEP：MEC应用的集成部署、网络开放等中间件能力，可托管5G网络能力、业务能力等MEC服务。

MEPM：MEC平台网管实施MEP的监控、配置、性能等管理以及对边缘计算应用的规则和需求进行管理；虚拟化基础设施管理器负责虚拟化资源的分配、管理和释放。

MEAO+NFVO+VNFM：提供应用编排。

ME App：部署在ME Host上的Service或3rd APP

3GPP主要从QoS框架、会话管理、高效用户面选择、网络能力开放、计费等方向对MEC开展研究。R14阶段，3GPP主要做了CU分离状态的一些规定，将控制面和用户面进行分开，实现通过MEC进行分流。已冻结的R15中提出了MEC对核心网的能力要求，包括：用户面选择（根据DNAI选择UPF）、分流（ULCL/Multi-homing）、业务连续性（SSC mode）、AF通过NEF请求分流过程、通过NEF能力开放、Local Area Data Network等。

ETSI和3GPP共同定义了5G MEC的系统架构，如下图所示。

MEC与5G的结合，涉及到NEF、PCF、SMF、UPF等网元或功能。控制面上，MEC平台作为AF与核心网控制面（PCF/NEF等网元）对接，调用5G网络提供的能力，同时可以通过边缘MEP平台，为边缘应用提供5G网络能力。用户面上，5G网络UPF通过N6接口对接MEC边缘主机，本地分流功能由UPF实现。具体来说，有以下要点：

MEC应用编排（MEAO）与AF，可通过NEF或PCF进行交互，完成分流规则的配置。
通过LDAN、UL CL或者IPv6多归属等方案实现边缘UPF的选择及特定数据业务分流。
会话管理、QoS管理、连续性管理、计费、监听等遵照5GC流程。
5G MEC的部署编排应与5G网络NFVO-MANO统一考虑。
MEC能力开放应与NEF能力开放采用统一接口，仅需支持边缘侧网络能力开放。

3GPP在后续标准版本中将继续对5G MEC进行研究，R16主要在5GC/5G NR的增强，对核心网和NR的核心要求，包括RAN的能力开放、5G增强的移动宽带媒体分发机制、5GC网管增强支持MEC，比如N6口配置能力、CAPIF增强支持多API provider等。R17主要是5GS增强，主要包括：AS地址发现、AS切换、I-SMF插入、策略和计费增强、CAPIF针对MEC进行增强、UE和AS的应用层接口增强、为典型的MEC应用场景（如V2X，AR/VR ,CDN ）提供部署指南等。

参考文献：