UPF 与MEC 合设部署及组网研究

张建华

（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530007）

0 引 言

5G 作为新一代的移动网技术，不仅能够满足个人用户对个人用户（Customer to Customer，C2C）的语音业务和数据业务，而且能够满足企业用户对企业用户（Business to Business，B2B）的多样化业务场景需求。例如，5G 技术契合了传统制造企业智能制造转型对无线网络的应用需求，能够满足工业环境下设备互联和远程交互的应用需求[1]。工业自动化控制是制造工厂中最基础的应用，核心是闭环控制系统。5G 技术可以提供极低时延、高可靠以及海量连接的网络服务，使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）作为更靠近客户侧的云网融合边缘节点，可同时为固定网络用户和移动网络用户提供就近业务服务，能够满足5G 低时延、大带宽以及高计算复杂度业务的需求。目前，推动5G、MEC、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等技术与工业互联网融合创新，驱动工业网络化、数字化及智能化发展，实现工业互联，是我国制造行业发展的主流方向[2,3]。

1 MEC 与UPF 合设/分设部署及可行性分析

1.1 5G 核心网和MEC 均基于NFV 架构部署

网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术是一种新型网络技术，能够增强网络弹性，提升业务部署速率。将信息化技术（InformationTechnology，IT）领域的虚拟化技术引入通信技术（Communications Technology，CT）领域，利用标准化的通用设备，能够实现各种网络设备功能。

将先进的NFV 技术引入5G 核心网，灵活搭建各种网元，采用通用服务器部署基础设施，并采用虚拟化和云化部技术部署网元。

1.2 5G 与MEC 技术的有关规定

第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）不定义MEC，但5G 标准将对边缘计算的支持作为5G 网络的一项重要特征，在网络架构中实现核心网转发和控制分离，用户平面功能（User Plane Function，UPF）可按需下沉，并在5G 用户面选择/重选、本地分流、网络能力开放、服务质量（Quality of Service，QoS）以及计费等方面引入了一系列支持边缘计算的关键技术。目前，3GPP 对边缘计算的支持还处于不断完善的过程。

1.3 UPF 相当于MEC 的数据平面

MEC 的虚拟化基础设施不仅能够为MEC 应用提供计算、存储和网络资源，还提供数据平面转发。根据从MEC 平台接收的流量路由规则，在应用、服务、3GPP 网络、其他接入网、本地网络以及外部网络之间转发数据路由。

MEC 业务系统作为5G 系统的边缘网络，部署在N6 接口点，由UPF 负责将边缘网络流量转发到MEC。对MEC 而言，UPF 是分布式的和可配置的数据平面，在5G 网络部署MEC 的过程能够起到关键作用。

在5G 网络部署MEC 时，由UPF 担任数据平面的角色，MEC 通过5G 核心网影响UPF，实现流量牵引[4]。

1.4 产品成熟度

目前，中兴通讯股份有限公司已有一体化UPF+MEP 产品（即UPF 与MEC 中的MEP 平台合设），运营商集团也正在研发和测试一体化设备。

2 MEC 与UPF 合设/分设方式分析

除去编排、管理以及运营支撑模块，NFV 架构可以简单分成硬件设备层、虚拟化层、应用层3 层架构，基于这3 层架构分析MEC 与UPF 的合设方式。

MEC 和UPF 均可以看成是NFV 应用层部署的软件，其中MEC 又可以拆分为MEC 平台（Mobile Edge computing Platform，MEP）和MEC 应用（Mobile Edge Computing Application，MEC App），MEP 属于CT 类网元，能够为MEC App 的发现、发布、使用以及服务提供环境；MEC App 属于IT 类应用，能够为应用系统（通常是第三方应用系统）提供服务。UPF 属于CT 类网元，能够处理协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话的用户平面路径，支持用户终端（User Equipment，UE）业务数据的转发。

虽然逻辑上UPF 与MEC 业务系统分离和松耦合，但在实际建设时，根据MEC 与UPF 是否合设和共享基础设施类型，存在以下3 种方案。

2.1 MEC 与UPF 合设且共用基础设施

MEC 系统将UPF 包括在内，MEP 与UPF 由同一个厂商建设，如提供UPF 核心网功能的厂商。MEC与UPF 共享NFV 运营商边缘云基础设施，进行统一管理，有利于充分利用资源，可节约部分投资。MEC与UPF 合设如图1 所示。

图1 MEC 与UPF 合设

2.2 MEC 与UPF 部分合设

MEC 业务系统分为CT 类虚拟化网络功能Virtualised Network Function，VNF）与IT 类应用2 个业务服务。其中，CT 类VNF（即MEP）与UPF 共享NFV 边缘云，IT 类应用独立建设IT 边缘云，满足IT类边缘业务部署的灵活性需求。但是，该方案增加了边缘业务统一管理的复杂度。

2.3 MEC 与UPF 分设且不共用基础设施

MEC与UPF分离部署，支持分别由不同厂商建设，并且UPF 作为5G 核心网网元，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保障5G网络的安全。

2.4 3 种方式对比分析

3 种方式对比如表1 所示。

表1 3 种方式对比

3 UPF 与MEC 协同部署方案探讨

网络能力开放是5G 网络的一个重要特性，在很多情况下，5G 网络的服务和能力能够对外开放，如监控、配置、策略以及计费等情况。

3GPP 规定MEC 应遵循5G 整体架构，并满足本地路由、话务分流、会话和业务连续性、用户面选择和重选、网络能力开放、QoS 和计费等功能，使MEC可以作为一个外部实体，与5G 网络进行交互，并可通过公开应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）的方式，给在MEC 平台上运行的第三方应用提供无线网络信息、位置信息、业务使能控制等多种服务[5]。

UPF 和MEC 下沉部署可以满足低时延、大带宽、本地分流或数据不出园区的客户业务需求。若客户的业务终端使用5G 接入，要求实现低时延、业务数据本地分流或不出园区，则需要下沉部署UPF，根据客户要求并结合成本和运维条件等因素，选取地市共享UPF 或独享UPF。若将客户低时延和本地化需求的业务应用系统部署在客户私有的内网平台，则无须部署MEC；若客户计划使用运营商提供的边缘云部署应用系统，则部署MEC；若客户应用系统计划使用5G 网络的开放功能，获取监控和配置等能力，则建议部署MEC。虽然5G 和MEC 的能力开放技术尚未成熟，但是可以提前部署MEC，从而减少业务需求出现时升级改造的难度。目前，相当一部分客户只使用5G专网，即只部署UPF，未部署MEC，因此运营商可以将应用系统部署在客户内部私有云平台，以此引导客户部署MEC，发展边缘云业务，制造新的业务和收入的机会。

UPF 和MEC 的部署模式可分为2 种，分别是独享型UPF 和独享型MEC 组网方案、共享型UPF 和独享型MEC 组网方案，具体如下。

3.1 独享型UPF 和独享型MEC 组网方案

该方案适用于对数据隔离要求严苛、业务量较大、价格不敏感以及投资可回收的本地分流客户，如大型企业园区和智慧工厂等。综合考虑业务时延和客户要求等因素，选择部署位置。优先建议部署在运营商机房，如边缘机房或综合业务目标局机房等，若客户强烈要求数据不出园区，则选择部署在客户机房。根据地图距离测算，并结合现网测试数据，估算广西壮族自治区数据中心（Data Center，DC）网络覆盖边界平均距离，空口时延波动较大，选择时延为8 ms，传输时延为200 km/ms，路由按每跳1 m 计算，时延数据估算如下：边缘DC 为50 km 时延约为18 ms，综合业务目标局为5 km 时延约为13 ms。

建议使用MEC 与UPF 部分合设的方式进行部署，即UPF与MEP共用服务器，MEC App独立使用服务器。与全部合设方案相比，该方案的应用App 与服务器在物理方面是隔离状态，可以提高5G 网络的安全性。同时，服务器需要尽量部署在同一个机房，共用交换机和防火墙。UPF+MEP 按照10 Gb/s、20 Gb/s 以及50 Gb/s 流量模型，对应部署3 台、4 台以及5 台服务器。根据MEC App 根据业务应用系统需求，部署若干台计算服务器、图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）服务器（AI 识别和机器视觉场景需要）、存储服务器（视频存储需要）等，部署1 套交换机（业务交换机和管理交换机）和相应的防火墙等安全设备。根据业务需求，防火墙也可使用串接方式与企业内网互通。此外，若MEC App和UPF+MEP部署于不同局所，则需增设交换机。

3.2 共享型UPF 和独享型MEC 组网方案

该方案适用于对应用系统隔离度要求高且业务量大的客户，如工业制造行业的客户。UPF 与MEC平台之间采用专线对接。客户共享UPF，独享MEC平台资源，可以按照相关需求，将应用和数据存储部署在客户本地。根据客户业务需求、客户分布以及UPF 至MEC、MEC 至客户之间的传输资源综合评估情况，将MEC 平台部署在地市机房、边缘机房、综合业务目标局或客户侧机房。根据UPF 部署的位置，估算时延数据如下：区域DC 为500 km 时延约为33 ms，地市DC 为150 km 时延约为23 ms，边缘DC为50 km 时延为19 ms。

建议采用MEC 与UPF 分设的方式进行部署，即UPF 与MEC 分别部署服务器和交换机。由于MEC 和UPF可能来自不同厂商，采用分设的方式进行部署时，实施和维护的界面会更加清晰，有利于后期的运维保障。此外，共享型UPF 涉及多个客户，将客户独享的MEC 进行物理隔离，有利于保障5G 网络的安全。

4 结 论

通过分析MEC 与UPF 合设的可行性，梳理MEC 与UPF 合设、部分合设、分设的部署方式，并在此基础上探讨独享型UPF 和独享型MEC 组网方案、共享型UPF 和独享型MEC 组网方案、共享型UPF 和共享型MEC 组网方案以及UPF 与MEC 的合设/分设方式等，形成具有一定参考意义的部署方案，为今后UPF 和MEC 的建设提供一定的参考。