多接取邊緣運算(MEC)技術

工研院資通所 陳建成、陳昀暄


隨著行動裝置的普及與網路生態的改變,使用者使用網路服務的需求持續增加,另一方面,對於網路服務的回覆時間容忍度也越益嚴格。然而,在現存的4G網路環境中,使用者透過行動裝置欲存取網際網路上的服務封包皆須透過基地台(Base Station)、後端骨幹網路(Backhaul)及電信核心網路(Evolved Packet Core, EPC),如此的傳輸流程將難以達到未來5G的服務需求標準。因此,可在較接近終端使用者位置來提供運算及儲存能力的邊緣運算(Edge Computing)技術被視為達到未來5G服務需求標準的重要關鍵技術。

未來5G行動網路  服務需求標準前所未有

思科(Cisco)技術白皮書內指出2016年到2021年間,預測全球每月將會有近4×107兆位元組的行動資料流量需求[1]。對於大量使用者及資料流量的未來5G行動網路,國際電信聯盟(ITU-R)訂出了低延遲、高容量及良好使用者經驗三大特性的5G服務需求標準。以低延遲特性為例,無線端的延遲時間標準是1毫秒,而點對點的延遲時間標準是5~10毫秒[2][3]。對應到現有4G網路架構圖,如圖1所示,所有網路封包都要經過後端骨幹網路及電信核心網路,實在難以達到5~10毫秒的延遲時間要求;再者,為了達到每10平方公里具有10Tbps流量傳輸能力的服務標準,電信網路營運商勢必得花費大量建置成本來提升後端骨幹網路及電信核心網路。

圖1 4G網路架構

一、百家爭鳴的邊緣運算技術

基於雲端虛擬化技術持續地蓬勃發展,為符合更多應用服務對於低延遲時間或移動性管理的需求,進而衍生了邊緣運算技術。邊緣運算技術是將小型邊緣伺服器放在終端用戶和雲端運算平台之間,透過從進入雲端運算平台之前先卸載下一些工作負載到邊緣運算平台,藉由邊緣運算平台提供即時分析,同時減少部署開支,並加速催生眾多需要極低延遲時間的應用服務。而行動雲端運算(Mobile Cloud Computing, MCC)、霧運算(Fog Computing)和多接取邊緣運算(Multi-access Edge Computing, MEC)都是延展雲端虛擬化技術下的邊緣運算技術。

在行動雲端運算技術中,主要是研究如何改善傳統雲端環境下在接近終端裝置處,利用虛擬的小型伺服器裝置(Cloudlet)來支援終端裝置的移動性(Mobility)問題,因此行動雲端運算技術又被簡稱為Cloudlet技術。而霧運算是由思科(Cisco)所提出的一種邊緣運算技術,目前是著重於與物聯網(Internet of Thing, IoT)應用進行結合。多接取邊緣運算則是考量與行動核心網路整合的邊緣運算技術。許多需要極短延遲時間的應用服務可從邊緣計算中獲取更佳的服務品質與優勢,像是虛擬實境(Virtual Reality, VR)與擴增實境(Augmented Reality, AR)的應用服務、無人機的遠端遙控、自動駕駛汽車的資訊運算與共享都是邊緣運算技術的應用場景[4]。

多接取邊緣運算(MEC)技術演進

以下內容則是針對多接取邊緣運算進行進一步的介紹。

2-1. MEC國際標準制訂
延續雲端虛擬化技術的發展,歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)的網路功能虛擬化標準工作組(NFV ISG)致力於將電信網路中的網路功能進行虛擬化,並提出一個更為彈性布建軟硬體及開放性標準介面的網路功能虛擬化架構。透過制訂標準化介面的網路功能虛擬化創新系統(Ecosystem)為電信網路開啟了新的商業模式。基於此網路功能虛擬化架構,ETSI更進一步的建立行動邊緣運算技術標準工作組(Mobile Edge Computing Industry Specification Group, MEC ISG),此工作組致力於提供應用服務及內容供應商在行動網路的邊緣處即可享受到雲端的運算能力。為了擴展更大的終端裝置服務範圍,2017年ETSI MEG ISG更將原來的行動邊緣運算技術(Mobile Edge Computing)更名為多接取邊緣運算技術(Multi-access Edge Computing)。

2-2.MEC部署
隨著不同的部署需求,MEC運算平台可被部署於無線網路節點(Radio Node)、匯流聚合節點(Aggregation Point)、或是核心網路端(Core Network)[5]。以MEC運算平台部署在基地台端為例,如圖2所示,終端使用者利用行動裝置來存取網際網路上的服務時,基地台接收到行動裝置訊號後,可由部署在基地台端的MEC運算平台先行判斷該服務封包是否可由MEC運算平台提供服務,或仍需要經過後端骨幹網路及電信核心網路以存取雲端服務。透過MEC技術的流量卸載(Traffic offload),不僅可提供使用者更快速的服務回覆時間,更可以減少需要經過後端骨幹網路及電信核心網路的服務封包所占用的大量頻寬,進而可減少網路建置的成本。

圖 2 MEC部署應用環境

2-3.ETSI MEC系統架構與驗證案例

ETSI MEC ISG於2015年提出一個MEC系統架構[6],至今2018已陸續發表了11個概念性驗證(Proofs of Concept, PoC)來驗證該MEC架構是具可行性,其中,2018年第一季最新收錄的第10個PoC為台灣工業技術研究院資訊與通訊研究所K組與Linker Network、遠傳電信針對RAN頻寬管理所共同開發的服務感知MEC平台(Service Aware MEC Platform to Enable Bandwidth Management of RAN),該PoC顯見工研院資通所的MEC技術開發能量及ETSI MEC ISG對此團隊技術貢獻的肯定。以下,則以2015年實際體現在英國倫敦溫布利(Wembley)體育場場域中,由Nokia、英國電信營運商EE及應用服務供應商Smart Mobile Labs共同開發的「基於MEC技術之視頻剪輯重播平台」的經典PoC為例[7][8],介紹MEC系統架構及其應用。

  •  動機:體育場經營者希望提供不在現場的觀眾觀看體育賽事時能更有臨場感,而提高除了現場售票收入以外的收益。除了安置更貼近比賽場地的攝影機來接收更佳的現場直播品質,電信營運商及體育場經營者更有興趣提供觀眾能在行動裝置上看重播及看競賽者其他動態的應用情境。
  •  現存技術問題:現行的LTE網路在傳送此類的內容時,仍須以秒為單位的高延遲時間,無法提供良好的使用者體驗。而主要的瓶頸是傳輸路徑中後端骨幹網路的頻寬與傳輸路徑。
  •  解決方案:在ETSI MEC系統架構中,如圖3所示,行動邊緣伺服器(Mobile Edge host)包含行動邊緣平台(Mobile Edge platform)及提供行動邊緣應用程式(Mobile Edge app)有關運算、儲存及網路資源的虛擬化基礎建設(virtualization infrastructure),而使用者可透過終端裝置上的應用程式(User equipment application, UE app)或客戶訂購服務網頁(Customer facing service portal, CFS portal)與MEC系統進行溝通,並由MEC系統架構中的管理元件,如圖3右半部的行動邊緣協調、行動邊緣平台管理、虛擬化基礎建設管理,來協調管理與調度客戶所需要的應用服務。對應於此PoC中,電信應用商提供行動邊緣伺服器及其管理元件,而應用服務供應商可透過UE app或CFS portal將其視頻協同應用服務(Edge Video Orchestration application),即為圖3中的ME app,實作在電信營運商所提供ME host的虛擬機器上。此視頻協同應用服務可即時將競賽內容傳送至布建於現場的本地LTE網路(Local LTE Network),如圖4,讓所有影片皆於體育場本地端產生及播出,觀眾利用行動裝置即可即時從專業的體育場攝影機接收到現場實況轉播,並可以選擇攝影機角度及觀看重播。
  • 與雲端服務相較之下有下列優點:◆延遲時間(Latency):可藉由更短的傳輸路徑及最佳化視頻處理流程,以達到低延遲時間的應用需求,及減少觀眾視覺上的差異。◆後端骨幹網路的傳輸能力(Backhaul capacity):現場直播及重播內容皆為本地端播出,無須增加後端骨幹網路及核心網路元件的負擔。

    ◆視頻內容的版權(Content rights):所有視頻傳輸流量皆在本地端,傳送內容的版本更容易被控制與安排。

    ◆即時上下文內容(Real time context):除了攝影機角度,其他像是競賽者的位置、速度,皆可被觀眾即時調整及播放。

圖3 ETSI MEC架構[6]
圖4 MEC PoC –基於MEC技術之視頻剪輯重播平台[8]

未來發展 寬廣 尚有議題與挑戰需解決

除了持續引領MEC技術發展的ETSI MEC ISG國際組織,目前,致力於製訂與實現全球性行動電話系統規範的3GPP標準化機構在制訂5G行動網路的架構標準中,也特別提及該5G網路需要能支援MEC技術相關功能[9]。藉由MEC技術標準的制訂,全球各電信營運商、應用服務供應商、基礎建設建置商無不積極投入MEC技術相關產品的研發。而最近一次在美國拉斯維加斯的國際消費電子展(CES 2018)中,無論是人工智慧、虛擬實境、擴增實境、自動駕駛汽車應用服務的相關技術皆提及需利用邊緣運算來達成極短延遲時間的需求[10][11]。然而,根據文獻[12],現階段MEC技術尚有其它議題與挑戰,如MEC系統的商業部署、快取應用、移動性管理、節能以及隱私與安全性等議題。

MEC技術特性總結


引用ETSI MEC ISG主席Nurit Sprecher[13]所述的MEC技術包含三大特性:proximity、ultra-low latency以及high bandwidth,MEC技術在距離使用者較為接近(proximity)的網路位置,提供IT服務及如同雲端技術的運算及儲存能力,並達成超低延遲時間(ultra-low latency)及高頻寬(high bandwidth)的服務。

參考文獻

[1]CISCO White paper (2016) Cisco visual networking index: Global mobile data traffic forecast update 2015-2020. [online]. Available: http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-forecast-qa.pdf
[2]NGMN Alliance (2015) NGMN_5G_White_Paper. [online]. Available: https://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_5G_White_Paper_V1_0.pdf
[3]5G Infrastructure Association (2015) 5G Vision. [online]. Available: https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2015/02/5G-Vision-Brochure-v1.pdf
[4]萬物聯雲網 (2017) 邊緣計算(Edge computing)的五種應用場景. [online]. Available: https://kknews.cc/zh-tw/tech/np32rp2.html
[5]ETSI GS MEC 002 (2016) Mobile Edge Computing (MEC) Technical Requirements V1.1.1. [online]. Available: http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/MEC/001_099/002/01.01.01_60/gs_MEC002v010101p.pdf
[6]ETSI GS MEC 003 (2016) Mobile Edge Computing (MEC); Framework and Reference Architecture, V1.1.1. [online]. Available: http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/MEC/001_099/003/01.01.01_60/gs_MEC003v010101p.pdf
[7]ETSI MEC ISG PoC#2 (2017) Edge Video Orchestration and Video Clip Replay via MEC. [online]. Available: https://mecwiki.etsi.org/index.php?title=PoC_2_Edge_Video_Orchestration_and_Video_Clip_Replay_via_MEC
[8]Satish Kanugovi (2017) Multi-access Edge computing(MEC). [online]. Available: https://www.slideshare.net/SmallCellForum1/multiaccess-edge-computing-mec-nokia
[9]3GPP TS 23.501 V1.3.0, “System Architecture for the 5G System”, 2017-09.
[10]CTIMES (2018) 恩智浦展示整合邊緣運算、機器學習和先進傳感技術. [online]. Available:https://www.ctimes.com.tw/DispNews/tw/1801041536GR.shtml
[11]ITW01 (2018) CES 2018:各廠商積極佈局,中日韓爭奪5G發展話語權. [online]. Available: https://itw01.com/8L3KEFJ.html
[12]Yuyi Mao, Changsheng You, Jun Zhang, Kaibin Huang, and Khaled B. Letaief, “A Survey on Mobile Edge Computing: The Communication Perspective,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 19, no. 4, pp.2322-2358, Nov. 2017.
[13]Nurit Sprecher (2016) What is Mobile Edge Computing (MEC)? [online]. Available: http://www.etsi.org/blog-subscription-information/blogger/listings/sprechern

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊