5G MEC浅析

“ 5G的发展已经如火如荼的进行了很长一段时间，针对5G的业务也在在慢慢展开，MEC作为其中一个比较重要的应用也在慢慢开展。”

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快到飞起的5G速度

可能很多同学都知道5G的速度非常快，能达到1Gbps的下载速度，到底为什么相对于4G 300Mbps的速度，能有这种质的飞跃，主要有以下几个方面：

1、毫米波技术：

传统的4G网络通信频率集中在3KHz-6GHz的频段，而随着通信设备的数量的增加（2020年预计将有500亿台设备需要接入无线网络），带宽不够分配，网络变得拥挤，网速会越来越慢。毫米波技术将可用频谱从6GHz扩展到300GHz，将带宽扩展了上百倍，大大提高了可承载的设备数。同时，在频谱分配上，将日常用户的使用频段（24GHz-40GHz）和关键业务，例如自动驾驶、远程医疗等对网络延迟非常敏感的应用的使用频段（60GHz-70GHz）区分开，避免了相互之间的干扰。如此在5G时代，不仅网速大幅提升，网络延迟也会大幅降低。

2、Massive MIMO（大规模多输入多输出）技术：

MIMO就是通信里的多收多发技术，这个技术出现得很早了，早在3G时代就有这个概念了，大白话就是基站有多个发射天线，手机有多个接收天线，但是3G时代多天线只是用来增强信号质量，对于下载速率并没有质的提升。为什么到了4G/5G时代MIMO才火了呢？是因为从4G开始MIMO技术有了质的飞跃，在发射端通过矩阵变换将多个数据流进行解耦（也就是在空间传输时不会互相干扰），这样就可以在相同的时频资源（同时、同频、相同的物理空间）上发射不同的数据流，可以自行脑补一下男女声二重唱，大概就是这个意思。这是个很了不起的技术，之前的通信技术同频通信必然出现干扰，但是4G这个MIMO技术一下子就让下载速率直接翻倍了,4G技术物理层的极限速率只有75Mbps，就是因为加了这个2X2MIMO才有了75*2 = 150Mbps的下载速率，4G时代最新的协议版本甚至可以做到4X4MIMO，也就是基站可以使用相同的时频资源给用户发射4个不同的数据流，原来的下载速率是75M那么现在直接乘以4，就是300Mbps，现在很多一线城市宣传的4G+ 300Mbps就是这个东西。

3、3D波束成形技术：

3D波束成形技术（beam forming），波束赋性，是一种天线技术。是把军用的有源相控阵天线技术用于民用的一个典型应用，通过多天线组成阵列，调用不同的天线振子组合并给每个振子加上不同的相位偏置，就能让电磁波随意改变方向、形状，每一个物理天线振子，可以用来发射或接收，实际应用中为了加大发射和接收的增益实际上是把3个天线振子组合为一个振子组使用，图中每一个天线单元，里面包含两组天线振子，如果你把它拆下来它也能独立完成信号收发功能，5G的一面天线包含32个这样的单元，也就是有64组天线振子可以使用，这也就是64T/64R的含义。一个5G天线阵列可以同时发射多个波束，也可以调用全部能量发射一个波束，如果需要的话64T/64R的天线硬件是可以同时发射64个波束的。但是受限于射频芯片和器件的处理能力，5G目前的协议标准和硬件技术，一个天线阵列可以同时发射16个数据流,对应16个波束，也就是说下载速率是4G的16倍，150Mbps*16= 2400Mbps,所以目前的5G技术能够达到的最大下载速率应该是超过2Gbps的,但是受限于功耗和硬件成本,大规模商用的设备一般只做到8个流,所以下载速率只有150Mbps*8=1200Mbps,抛去信令开销也就是1Gbps。但是同学们的手机一般是达不到1Gbps，因为手机的功耗和空间限制，目前的旗舰手机也最多只有4个接收天线，基站能发8个流但是你也只能收4个，所以下载速率还要打折扣只有150Mbps*4 = 600Mbps，但是5G在发射端信号调制又做了改进，直接上了256QAM调制（这个就是另一个很长的故事了，这里就不展开了），原来4G时代使用的64QAM一个射频符号只带6个bit，现在能携带8个bit，所以峰值速率从150Mbps 变成了200Mbps。所以如果现在5G手机在射频这一块的做工没有缩水，还是可以测到200M*4=1Gbps的速度的。

 

通过Beam forming技术可以让基站发射出上图这样的信号，给每个用户一个专属的窄波束，只对准你的手机，只传你的数据，单个用户可以享受基站全部频谱带宽，而不用与其他用户共享，五星级VIP待遇,这样是不是你收到的信号会更强？对其他用户的干扰会更少?这就是Beam forming应用在5G上的意义所在。

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什么是MEC

关于什么是MEC，“华为章鱼” 概念可以说是最佳答案。

抛开喷墨、变色伪装这些基本技能不提，章鱼还能从瓶子内部打开瓶盖逃走，上演各种精彩绝伦的逃跑计划，或者悄悄把不喜欢的食物扔进排水口，它们甚至可以主动改变自己的RNA，进而改变体内蛋白质的特性和功能以适应环境变化。

好吧，章鱼的确很聪明，很特别，但这些跟边缘计算有什么关系？

其实，章鱼就是用“边缘计算”来解决实际问题的。

作为无脊椎动物中智商最高的一种动物，章鱼拥有巨量的神经元，但60%分布在章鱼的八条腿（腕足）上，脑部仅有40%。

也就是说：

回到人类的边缘计算。具体来讲，边缘计算将数据的处理、应用程序的运行甚至一些功能服务的实现，由网络中心下放到网络边缘的节点上。

一直以来，公共和企业设施的监测和维护消耗着大量的人力、物力成本；电力、制造等行业数字化转型中对海量数据的实时、智能处理也有着强烈需求。

如果用常规模式构建物联网，随着设备的迅速增加，网络边缘侧所产生的数据量级将非常巨大。这些数据如果都交由云端的管理平台来处理，将会：

如果能像章鱼一样，采用边缘计算的方式，海量数据则能够就近处理，大量的设备也能实现高效协同的工作，诸多问题迎刃而解。因此，边缘计算理论上可满足许多行业在敏捷性、实时性、数据优化、应用智能、以及安全与隐私保护等方面的关键需求。

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MEC的应用场景

边缘计算有哪些应用道理我们都懂了，具体该用在哪里呢？

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，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。

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。运营商可以将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。

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。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。

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。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AR 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。

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。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。

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。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。

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。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。

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MEC在5G网络中的部署

MEC在ETSI的定义里面是包括了用户数据平面功能以及边缘计算平台功能，而3GPP的5G架构里面主要是定义了UPF网元，UPF作为核心网的用户面下沉网元，更多是网络功能。目前两大组织也在考虑MEC与UPF的融合，一般认为5G网络下MEC与UPF的关系如下图所示：

UPF是MEC系统的一个组成网元，MEC系统还包括MEC平台、MEC平台管理、MEC服务、MEC应用、边缘云基础设施以及MEC编排(其中MEC平台、MEC服务和MEC应用均是面向MEC业务服务提供，我们统称为MEC业务系统)，UPF负责将边缘网络的流量分发导流到MEC业务系统，逻辑上UPF与MEC业务系统是分离、松耦合的，实际建设时对于MEC与UPF是否合设集成部署与统一承载存在以下多种方案：

1.MEC与UPF集成部署，基于ICT综合边缘云统一承载：建设包括UPF在内的统一MEC系统， MEC系统的建设也通常被锁定在提供UPF的核心网厂家，MEC业务系统与UPF共享NFV电信边缘云基础设施以及统一纳管，节约部分投资，另外靠近基站的边缘接入点资源比较紧张，集成部署有利于资源的充分利用。但是该方案需要既可以满足UPF等NFV高性能网络转发处理需求，还需要支持IT类业务应用的容器化部署与编排管理、边缘AI类以及视频类业务应用的GPU/FPGA等加速及异构计算处理，之前主要面向网络通信处理的NFV电信云需要扩展成为ICT综合边缘云，包括MANO也需要相应的扩展。

2.MEC与UPF分离部署，基于不同的边缘云各自承载：MEC业务系统与UPF分离部署，支持分厂家建设，支持引入IT厂家或者自研提供MEC业务系统，并且UPF作为5G核心网元，与承载自有及第三方业务应用的MEC业务系统物理隔离也有利于5G网络的安全保障。但是该方案下MEC业务系统如果提供网络流量业务链处理类服务，不能与UPF共享网络处理，有一定的重复投资，并且部分资源受限的边缘点也很难建设提供两朵边缘云，两朵云的利用率不如集成部署的统一边缘承载方案。

3.MEC与UPF部分共享部署：MEC业务系统分为CT类VNF与IT类App两大类业务服务，其中CT类VNF与UPF统一承载集成部署，IT类App独立部署。对于CT类业务服务共享NFV边缘云，仍然由运营商网络运维部门负责统一运营管理。同时独立建设IT边缘云，满足IT类边缘业务灵活性，这部分IT边缘云可以考虑由运营商负责公有云的部门统一集约运营。这种模式的问题在于增加了边缘业务的统一管理复杂度，同时部分融合业务也很难简单的划为IT类还是CT类业务，比如远程驾驶控制等。

目前运营商的业务试点中多种模式都有采用，而未来统一规划建设部署时采用哪种方案为主或者在不同的边缘层级上采用不同方案，目前尚未定论，有可能是更靠近基站的边缘点集成部署统一承载，而更靠近中心的边缘点会采用部分共享部署方案。

 

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