5G MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放架構(gòu)研究及實(shí)踐

［林奕琳 單雨威 劉龍龍 劉玉芹］

1 引言

核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面與控制面進(jìn)一步分離，轉(zhuǎn)發(fā)面下沉，支持邊緣計(jì)算（EC，Edge-Computing）[1～2]，是3GPP在5G 網(wǎng)絡(luò)中為進(jìn)一步降低業(yè)務(wù)端到端時延、提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)所引入的一項(xiàng)重要特性。MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計(jì)算）是ETSI 提出的一種支持邊緣計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)，MEC 為邊緣應(yīng)用提供了業(yè)務(wù)部署環(huán)境以及靈活的應(yīng)用編排功能。將3GPP 與ETSI 在EC及MEC 的工作緊密結(jié)合起來，便形成了當(dāng)前業(yè)界廣為關(guān)注的5G MEC 即5G 邊緣計(jì)算體系。

5G MEC 與傳統(tǒng)云計(jì)算向邊緣的延伸“邊緣云”最大的區(qū)別就在于MEC 充分考慮了與接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，以及雙方的緊密協(xié)同。如何發(fā)揮5G MEC 的這一重要特征，從而更好的支持MEC 業(yè)務(wù)的部署和發(fā)展、擴(kuò)大業(yè)務(wù)的適用場景、提升業(yè)務(wù)的使用體驗(yàn)，成為了5G MEC 研發(fā)工作的重要組成部分之一。

2 5G MEC 端到端系統(tǒng)架構(gòu)

3GPP 在5G 的系列規(guī)范中考慮了對EC 邊緣計(jì)算的支持，包括從架構(gòu)上進(jìn)一步將控制面與用戶面分離、支持用戶面按需下沉、支持EC 流量的本地分流等[1～4]。ETSI定義了MEC 系統(tǒng)架構(gòu)[5]，并初步研究了MEC 與5G 的關(guān)系[6]。CCSA 中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《5G 核心網(wǎng)邊緣計(jì)算總體技術(shù)要求》[7]中提出了5G MEC 端到端系統(tǒng)架構(gòu)，具體如圖1 所示。

圖1 5G MEC 系統(tǒng)架構(gòu)[7]

在5G 網(wǎng)絡(luò)與MEC 的關(guān)系中，對于5G 網(wǎng)絡(luò)用戶面UPF（User Plane Function，用戶面功能）而言，MEC系統(tǒng)相當(dāng)于一個DN（Data Network，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)），對于5G 網(wǎng)絡(luò)控制面而言，MEC 系統(tǒng)相當(dāng)于一個可信的AF（Application Function，應(yīng)用功能）或第三方應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用可通過MEC 獲取或調(diào)用5G 網(wǎng)絡(luò)提供的能力。

MEC 系統(tǒng)是一個固移融合的邊緣計(jì)算系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）接入融合：MEC 系統(tǒng)支持固網(wǎng)、移動網(wǎng)接入，可同時為不同接入的用戶提供服務(wù)；

（2）能力融合：在接入融合的基礎(chǔ)上，MEC 上部署的應(yīng)用可以靈活的獲取或調(diào)用不同接入網(wǎng)絡(luò)提供的能力；

（3）業(yè)務(wù)融合：部署在MEC 系統(tǒng)上的應(yīng)用可同時支持不同的接入，可以為不同接入的用戶進(jìn)行靈活的業(yè)務(wù)調(diào)度，并滿足相關(guān)移動性的要求。

當(dāng)前MEC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接入層面的固移融合沒有太多的障礙，比如部署在客戶園區(qū)的專享型MEC 系統(tǒng)可以同時支持通過運(yùn)營商5G 網(wǎng)絡(luò)、專線或園區(qū)內(nèi)部現(xiàn)有固定網(wǎng)絡(luò)接入。部署在運(yùn)營商機(jī)房的共享型MEC 系統(tǒng)可以通過運(yùn)營商的5G 網(wǎng)絡(luò)、固定寬帶或?qū)＞€接入。具體實(shí)現(xiàn)主要是工程實(shí)施問題。而能力融合及業(yè)務(wù)融合，是后續(xù)MEC 系統(tǒng)需要關(guān)注和解決的重點(diǎn)問題之一。

本文基于MEC應(yīng)用場景需求及當(dāng)前MEC系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種支持固移融合的5G MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放架構(gòu)，開發(fā)了MEC 網(wǎng)絡(luò)能力協(xié)同系統(tǒng)，在5G 實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)環(huán)境完成了系統(tǒng)部署及網(wǎng)絡(luò)對接技術(shù)驗(yàn)證。

3 5G MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放架構(gòu)

3.1 架構(gòu)概述

本文提出的5G MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。在MEC 系統(tǒng)級平臺中引入了MEC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同子系統(tǒng)，子系統(tǒng)中包含了5GC Proxy（NEF）、固網(wǎng)Proxy、5GC網(wǎng)管Proxy、5G NR Proxy 等模塊，分別對接多個能力提供方，同時通過系統(tǒng)內(nèi)API GW 對外提供能力服務(wù)。

圖2 5G MEC 能力開放架構(gòu)

基于不同的應(yīng)用場景，提供了兩種能力的調(diào)用方式。第一種面向邊緣應(yīng)用，部署在邊緣的APP 可以通過MEP（MEC Platform，MEC 平臺）調(diào)用MEC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同子系統(tǒng)提供的能力；另一種是直接面向系統(tǒng)級平臺或第三方應(yīng)用，在這種場景下，具體調(diào)用能力的可以是系統(tǒng)級平臺的其他子系統(tǒng)，或者直接面向第三方應(yīng)用平臺（當(dāng)應(yīng)用在多個邊緣MEC 平臺上部署時，如vCDN 業(yè)務(wù)，此時可以由CDN 業(yè)務(wù)調(diào)度平臺發(fā)起網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用）。

此外，能力調(diào)用過程中實(shí)現(xiàn)了兩個層面的安全控制，第一層是面向第三方應(yīng)用的認(rèn)證授權(quán)，具體由MEP 或系統(tǒng)級平臺中直接面向應(yīng)用的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；第二層是子系統(tǒng)間的認(rèn)證，如5GC Proxy 完成對MEP 能力調(diào)用請求的認(rèn)證。

3.2 系統(tǒng)能力需求

基于上述架構(gòu)，面向MEC 場景的網(wǎng)絡(luò)能力需求分析如下：

（1）3GPP 定義的標(biāo)準(zhǔn)5GC 網(wǎng)絡(luò)能力[2]：3GPP 定義了一系列可通過NEF（Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)能力開放功能）對外提供的能力，如監(jiān)控類能力、配置類能力以及策略/計(jì)費(fèi)類能力，具體能力如表1 所示。

表1 NEF 對外開放的網(wǎng)絡(luò)能力

（2）非標(biāo)準(zhǔn)定義的5GC 網(wǎng)元能力：3GPP 標(biāo)準(zhǔn)雖然考慮了眾多可對外開放的網(wǎng)絡(luò)能力，但在實(shí)際MEC 業(yè)務(wù)部署中，部分能力需求標(biāo)準(zhǔn)并不能完全滿足。此外，有些能力，標(biāo)準(zhǔn)雖然已經(jīng)定義，但在具體實(shí)現(xiàn)上存在難度或業(yè)界5GC 設(shè)備還不成熟。因此除了3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)能力之外，還需結(jié)合業(yè)務(wù)需求，通過與5GC 網(wǎng)元對接（或通過5GC 網(wǎng)管等媒介），獲取應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)能力，如終端狀態(tài)監(jiān)控及配置、“專網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)策略配置、用戶信息管理、“專網(wǎng)”網(wǎng)元運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)分流能力等，具體如表2 所示。

表2 MEC 其他網(wǎng)絡(luò)能力需求

（3）5G NR 無線網(wǎng)絡(luò)能力：在ETSI MEC 標(biāo)準(zhǔn)中定義了LTE 無線接入相關(guān)的能力，如RNIS 等能力，同樣，在5G 網(wǎng)絡(luò)，也可以通過直接或間接與NR 對接，向應(yīng)用提供NR 相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)能力。

（4）固定網(wǎng)絡(luò)能力：在固定接入場景下，結(jié)合MEC不同的部署模式（如2B、2B2C）以及不同的接入方式，可以提供不同的固定網(wǎng)絡(luò)能力，包括固定寬帶的上行提速，滿足固定接入場景下的上行類業(yè)務(wù)需求，以及專線接入場景下的專線參數(shù)配置能力等。

4 系統(tǒng)實(shí)踐

4.1 開發(fā)及試驗(yàn)內(nèi)容

本文基于上述能力開放系統(tǒng)架構(gòu)圖，開發(fā)了MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放子系統(tǒng)，并與業(yè)界最有代表性的兩個設(shè)備廠商的5GC 網(wǎng)絡(luò)完成了實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)對接，開展了能力（重點(diǎn)面向前文所述的3GPP 定義的標(biāo)準(zhǔn)5GC 網(wǎng)絡(luò)能力）對接試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)組網(wǎng)如圖3 所示，MEC 系統(tǒng)通過5GC Proxy/NEF 與5GC 對接，實(shí)現(xiàn)對5GC 網(wǎng)絡(luò)能力的調(diào)用。

圖3 5G MEC 能力開放試驗(yàn)架構(gòu)圖

初期MEP 支持開放的網(wǎng)絡(luò)能力含5G QoS 能力、流量引導(dǎo)能力、位置能力和計(jì)費(fèi)能力四種，本次能力對接試驗(yàn)分別驗(yàn)證了這四種能力的端到端調(diào)用流程的可行性，具體測試內(nèi)容如表3 所示。

表3 能力對接試驗(yàn)測試內(nèi)容

4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

本次試驗(yàn)就上述四種網(wǎng)絡(luò)能力分別展開功能測試，旨在驗(yàn)證商用場景下MEC 是否可以實(shí)現(xiàn)對5GC 網(wǎng)絡(luò)能力的端到端調(diào)用，在不同能力的使用場景下，5G MEC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同子系統(tǒng)與BSF（Binding Support Function，綁定支持功能）、PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、UDM（Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理實(shí)體）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能）等網(wǎng)元進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

4.2.1 5G QoS 能力調(diào)用

5G QoS 能力是指邊緣應(yīng)用可以請求對特定業(yè)務(wù)流實(shí)現(xiàn)5G 接入服務(wù)質(zhì)量保障，包括對帶寬、資源優(yōu)先級等的保障，該能力的調(diào)用流程如圖4 所示。

圖4 5G QoS 能力調(diào)用測試流程圖

該能力的調(diào)用流程簡要描述如下：邊緣應(yīng)用根據(jù)需求攜帶能力認(rèn)證授權(quán)信息向MEP 發(fā)起創(chuàng)建/刪除/修改QoS 保障的請求，MEP 完成認(rèn)證授權(quán)后將請求轉(zhuǎn)發(fā)至5GC Proxy，5GC Proxy 通過BSF 發(fā)現(xiàn)服務(wù)PCF，并將相關(guān)請求提交PCF，PCF 完成策略下發(fā)。

此次試驗(yàn)選取設(shè)置QoS參數(shù)中不同的MBR、GBR值，驗(yàn)證了邊緣場景下調(diào)用QoS 能力的功能。具體如下：

（1）場景一：5QI=2，ARP=1，MBR=50 Mbit/s，GBR=50 Mbit/s。

圖5 表示網(wǎng)絡(luò)側(cè)在建立GBR flow 能力保障時，設(shè)置flow 的MBR 為50 Mbit/s，GBR 為50 Mbit/s，表示GBR flow 保證帶寬為50 Mbit/s，最大帶寬50 Mbit/s，然后在MEC 平臺上部署Server 進(jìn)行100 Mbit/s 的下行數(shù)據(jù)灌包。按照5G QoS 設(shè)計(jì)理念，該場景下網(wǎng)絡(luò)需要限制最大帶寬50 Mbit/s，保證最小帶寬50 Mbit/s。通過在基站上的觀測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)用戶的下行速率在50 Mbit/s 左右波動，QoS 參數(shù)生效，如圖6 所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)GBR=MBR=50 Mbit/s 的QoS 規(guī)則1

圖6 基站上觀測到的QoS 規(guī)則1 的保障結(jié)果

（2）場景二：5QI=2，ARP=1，MBR=70 Mbit/s，GBR=40 Mbit/s。

為了驗(yàn)證MBR、GBR 參數(shù)的不同作用，試驗(yàn)中對MBR、GBR 設(shè)置了不同值進(jìn)行測試。圖7 表示網(wǎng)絡(luò)側(cè)在建立GBR flow能力保障時，設(shè)置flow的MBR為70 Mbit/s，GBR 為40 Mbit/s，表示GBR flow 保證帶寬為40 Mbit/s，最大帶寬70 Mbit/s，然后在MEC 平臺上部署Server 進(jìn)行100 Mbit/s 的下行數(shù)據(jù)灌包。按照5G QoS 設(shè)計(jì)理念，該場景下網(wǎng)絡(luò)需要限制最大帶寬70 Mbit/s，保證最小帶寬40 Mbit/s。通過在基站上的觀測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)用戶的下行速率在70 Mbit/s 左右波動，不能大于70 Mbit/s，不能小于40 Mbit/s，QoS 參數(shù)生效，如圖8 所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)GBR=40 Mbit/s，MBR=70 Mbit/s的QoS 規(guī)則2

圖8 基站上觀測到的QoS 規(guī)則2 的保障結(jié)果

4.2.2 流量引導(dǎo)

流量引導(dǎo)能力是指應(yīng)用可以請求對特定的業(yè)務(wù)流根據(jù)終端當(dāng)前位置選擇最近的用戶面路徑，該能力的調(diào)用流程如圖9 所示。

圖9 流量引導(dǎo)能力調(diào)用測試流程圖

該能力的調(diào)用流程簡要描述如下：APP 應(yīng)用根據(jù)需求攜帶能力認(rèn)證授權(quán)信息向5GC Proxy 發(fā)起創(chuàng)建/刪除/修改流量引導(dǎo)請求，5GC Proxy 完成認(rèn)證授權(quán)后，通過BSF 發(fā)現(xiàn)服務(wù)PCF，并將相關(guān)請求提交PCF，PCF 將策略下發(fā)給SMF（Session Management Function，會話管理功能），SMF 完成邊緣錨點(diǎn)UPF 插入完成UL CL 過程。

本次試驗(yàn)通過MEC 觸發(fā)UL CL 插入策略，SMF 根據(jù)收到的PCC 規(guī)則選擇園區(qū)邊緣UPF 插入，用戶訪問MEC 平臺應(yīng)用的流量直接經(jīng)由邊緣UPF 到達(dá)MEC 平臺。而用戶訪互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的流量經(jīng)邊緣UPF 再經(jīng)由中心UPF出互聯(lián)網(wǎng)。測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D10 所示。

圖10 用戶面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

從信令的抓包信息可以看到，用戶面數(shù)據(jù)通過UL CL進(jìn)行分流分別訪問MEC 應(yīng)用和Internet 應(yīng)用，如圖11 和圖12 所示。

圖11 用戶面數(shù)據(jù)通過UL CL 分流訪問MEC 應(yīng)用

圖12 用戶面數(shù)據(jù)通過UL CL 分流訪問Internet 應(yīng)用

4.2.3 事件監(jiān)控

事件監(jiān)控功能是5GC 網(wǎng)絡(luò)具備的重要的對外開放的網(wǎng)絡(luò)能力之一，可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)特定事件的監(jiān)控，并通過NEF（5GC Proxy）提供這些監(jiān)控事件信息。5G 網(wǎng)絡(luò)支持位置事件、UE可達(dá)性、連接丟失等事件的監(jiān)控及報告。本次測試中以位置這一監(jiān)控事件為例進(jìn)行了具體試驗(yàn)，流程如圖13 所示。

圖13 位置訂閱能力調(diào)用測試流程圖

該能力的調(diào)用流程簡要描述如下：ME APP 攜帶能力認(rèn)證授權(quán)信息向MEP 發(fā)起創(chuàng)建/刪除位置訂閱請求，MEP完成認(rèn)證授權(quán)后將請求轉(zhuǎn)發(fā)至5GC Proxy，5GC Proxy 完成認(rèn)證授權(quán)后，向UDM 發(fā)送請求，UDM 將請求轉(zhuǎn)發(fā)用戶服務(wù)的AMF。AMF 根據(jù)既定的策略，檢測到事件上報條件（周期性上報或位置發(fā)生變化等）達(dá)到后，將位置事件報告至5GC Proxy，報告包含當(dāng)前用戶的位置信息（網(wǎng)絡(luò)位置標(biāo)識tai 或ncgi），5GC Proxy 將報告通過MEP 轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的ME APP。

此次試驗(yàn)過程中變更了用戶終端的位置，將UE 從一個cell 小區(qū)移動到了另一個cell 小區(qū)，AMF 檢測到用戶位置變更事件后，直接向5GC Proxy 發(fā)送通知消息，消息中包含了用戶標(biāo)識以及所處位置（tai 和ncgi），變更前后的位置信息如圖14 所示。

圖14 用戶位置變更前后上報的位置信息

4.2.4 計(jì)費(fèi)能力

計(jì)費(fèi)能力可以實(shí)現(xiàn)指定計(jì)費(fèi)方，實(shí)現(xiàn)2B 業(yè)務(wù)的流量統(tǒng)計(jì)，該能力的調(diào)用流程如圖15 所示。

圖15 計(jì)費(fèi)能力調(diào)用測試流程圖

該能力的調(diào)用流程簡要描述如下：ME APP 攜帶能力認(rèn)證授權(quán)信息向MEP 發(fā)起創(chuàng)建/刪除/修改計(jì)費(fèi)方控制的請求，MEP 完成認(rèn)證授權(quán)后將請求轉(zhuǎn)發(fā)至5GC Proxy，5GC Proxy 通過BSF 發(fā)現(xiàn)服務(wù)PCF，并將相關(guān)請求提交PCF，PCF 完成策略下發(fā)，其中PCF 預(yù)配置用于標(biāo)識不同計(jì)費(fèi)方的RG（Rating Group，計(jì)費(fèi)組）標(biāo)識字段，根據(jù)APPID（應(yīng)用標(biāo)識）和約定的配置（業(yè)務(wù)在不同園區(qū)的計(jì)費(fèi)RG 不同）向SMF 發(fā)送相應(yīng)的計(jì)費(fèi)RG，SMF 最終的計(jì)費(fèi)話單中不同的流量對應(yīng)不同的RG，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)方控制。

此次試驗(yàn)過程中結(jié)合了MEC 觸發(fā)的UL CL 流程的測試場景（園區(qū)1 關(guān)聯(lián)的計(jì)費(fèi)RG 為11，園區(qū)2 關(guān)聯(lián)的計(jì)費(fèi)RG 為12），用戶在不同園區(qū)接入向不同計(jì)費(fèi)方收費(fèi)，PCF 向SMF 下發(fā)計(jì)費(fèi)RG 的信令內(nèi)容分別如圖16 和圖17 所示。

圖16 園區(qū)1 對應(yīng)的Rating Group

圖17 園區(qū)2 對應(yīng)的Rating Group

4.3 試驗(yàn)小結(jié)

該試驗(yàn)通過MEC 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同子系統(tǒng)與5GC 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)網(wǎng)對接試驗(yàn)，驗(yàn)證了端到端調(diào)用能力的流程、5GC 設(shè)備的成熟度以及5G QoS 能力調(diào)用、流量引導(dǎo)、位置事件訂閱以及計(jì)費(fèi)四種網(wǎng)絡(luò)能力，驗(yàn)證了本文提出的5G MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放架構(gòu)的技術(shù)可行性。

與5G 網(wǎng)絡(luò)緊密協(xié)同是MEC 區(qū)別于普通邊緣云解決方案的重要特性之一，通過引入豐富的網(wǎng)絡(luò)能力，一方面可以進(jìn)一步提升邊緣應(yīng)用的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，同時也可以豐富MEC 的適用范圍。此次系統(tǒng)對接對后續(xù)5G MEC 系統(tǒng)規(guī)模商用的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要的推動作用，也對5G MEC 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的借鑒意義。

5 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)能力開放是每一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的重要特征，從傳統(tǒng)的語音、短信能力到4G QoS 能力等都在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際部署中獲得了應(yīng)用。如何更好的發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)能力，為MEC 應(yīng)用場景服務(wù)，目前在網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備成熟度上，與實(shí)際需求中還存在一定的缺口。盡管3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列的網(wǎng)絡(luò)能力，但當(dāng)前5GC 網(wǎng)絡(luò)功能仍在逐步增強(qiáng)，本次試驗(yàn)只是針對部分現(xiàn)有能力的驗(yàn)證。同時，網(wǎng)絡(luò)能力開放是一項(xiàng)典型的需求推動型業(yè)務(wù)，下一步，仍需結(jié)合具體應(yīng)用場景需求在MEC 系統(tǒng)中引入更多的網(wǎng)絡(luò)能力。因此，理解應(yīng)用的需求，推動網(wǎng)絡(luò)及能力開放系統(tǒng)的進(jìn)一步成熟，是未來5G MEC 網(wǎng)絡(luò)能力開放的一項(xiàng)重要工作。