基于5G SA網(wǎng)絡(luò)的能力開(kāi)放平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)能力驗(yàn)證研究

陶偉宜，陳 云（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310052）

1 概述

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代開(kāi)啟以來(lái)，層出不窮的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)了業(yè)務(wù)形式及運(yùn)營(yíng)模式的巨大變化，直接影響到運(yùn)營(yíng)商在移動(dòng)互聯(lián)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈中的主導(dǎo)地位。運(yùn)營(yíng)商靠管道資源和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)不能滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，因此急需探索如何充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)能力，支撐業(yè)務(wù)提供商的業(yè)務(wù)需求，和業(yè)務(wù)提供商打開(kāi)合作共贏的新局面。

能力開(kāi)放市場(chǎng)潛力巨大，而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放機(jī)制效率不高。網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放場(chǎng)景應(yīng)用廣泛，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭、車聯(lián)網(wǎng)等，網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放與集成將成為運(yùn)營(yíng)商未來(lái)增長(zhǎng)的熱點(diǎn)和5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點(diǎn)。

5G 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)能力開(kāi)放，可以向第三方應(yīng)用開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力，從而使能創(chuàng)新業(yè)務(wù)。運(yùn)營(yíng)商需要構(gòu)建統(tǒng)一開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)能力，通過(guò)能力開(kāi)放平臺(tái)為第三方提供網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放功能與安全功能。這樣做的好處是，一方面可以及時(shí)響應(yīng)第三方業(yè)務(wù)需求，保障用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，提供個(gè)性化的服務(wù)及安全保障；另一方面也有利于第三方業(yè)務(wù)提供商開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)時(shí)充分利用運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)能力。

2 能力開(kāi)放體系架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)中的位置

2.1 能力開(kāi)放體系架構(gòu)

一個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用若能便捷地獲取和利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)能力信息，則有利于應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行良好的互動(dòng)。這將促使運(yùn)營(yíng)商基于業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求提供網(wǎng)絡(luò)能力，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置和流量管理，為上層業(yè)務(wù)提供合適的服務(wù)。

5G 網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放主要包括“面向外部開(kāi)放”和“面向內(nèi)部開(kāi)放”。

a）面向外部開(kāi)放：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能（NEF）對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用功能（AF）開(kāi)放運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)能力，NEF主要負(fù)責(zé)內(nèi)外部信息的傳遞和協(xié)議轉(zhuǎn)換，根據(jù)AF的請(qǐng)求調(diào)用運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)資源。

b）面向內(nèi)部開(kāi)放：運(yùn)營(yíng)商5G 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)功能（NF）之間相互開(kāi)放信息，借助統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（UDR）實(shí)現(xiàn)不同NF之間相關(guān)信息的存儲(chǔ)和訪問(wèn)。

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義NEF 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口連接NF 獲取網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力并安全地提供給AF，其主要的功能為身份驗(yàn)證和授權(quán)、API（應(yīng)用程序接口）消費(fèi)者的身份識(shí)別、檔案管理、接入控制、策略增強(qiáng)、基礎(chǔ)設(shè)施策略、業(yè)務(wù)策略、安全、路由和流量控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換及API 到網(wǎng)絡(luò)接口的映射等。NEF邏輯架構(gòu)如圖1所示。

2.2 能力開(kāi)放平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)中的位置

5G 能力開(kāi)放平臺(tái)，位于5G 核心網(wǎng)和外部第三方應(yīng)用功能體之間，負(fù)責(zé)管理對(duì)外開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，所有的外部應(yīng)用需要訪問(wèn)5G 核心網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，必須通過(guò)NEF 能力開(kāi)放平臺(tái)。如圖2 所示，NEF 北向向第三方應(yīng)用提供API能力，南向連接5G核心網(wǎng)。

圖2 能力開(kāi)放平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)中位置圖

2.3 能力開(kāi)放平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)邊緣計(jì)算（MEC）、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）和多方會(huì)話的場(chǎng)景有能力開(kāi)放的需求，能力開(kāi)放平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)單個(gè)終端實(shí)時(shí)分流、針對(duì)區(qū)域內(nèi)終端分流、服務(wù)質(zhì)量（QoS）加速及位置訂閱等功能，具體如下。

2.3.1 針對(duì)單個(gè)終端實(shí)時(shí)分流

當(dāng)請(qǐng)求目標(biāo)為單個(gè)終端，其發(fā)起的第三方應(yīng)用的某個(gè)業(yè)務(wù)流或者全部業(yè)務(wù)流分流至本地，第三方應(yīng)用部署有調(diào)度服務(wù)器，例如CDN等。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制如下。

a）UE 向DNS 發(fā)起請(qǐng)求，DNS 返回第三方應(yīng)用的調(diào)度服務(wù)器地址。

b）UE 向第三方調(diào)度服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，調(diào)度服務(wù)器返回應(yīng)用服務(wù)器地址。

c）第三方調(diào)度服務(wù)器根據(jù)從能力開(kāi)放平臺(tái)獲取的UE的位置下發(fā)策略：針對(duì)某UE，基于應(yīng)用服務(wù)器地址，通過(guò)本地分流。針對(duì)單終端實(shí)時(shí)分流的邏輯圖如圖3所示。

圖3 針對(duì)單終端實(shí)時(shí)分流的邏輯圖

2.3.2 針對(duì)區(qū)域內(nèi)終端分流

當(dāng)請(qǐng)求目標(biāo)為某區(qū)域內(nèi)所有終端，其發(fā)起的第三方應(yīng)用的某個(gè)業(yè)務(wù)流均分流至本地，根據(jù)第三方應(yīng)用是否部署有調(diào)度服務(wù)，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制可分為2種情況。

a）請(qǐng)求目標(biāo)為區(qū)域內(nèi)某個(gè)業(yè)務(wù)相關(guān)的所有UE，未部署調(diào)度服務(wù)器。

（a）UE 發(fā)起DNS 請(qǐng)求，DNS 直接返回第三方應(yīng)用服務(wù)器地址。

（b）第三方調(diào)度服務(wù)器預(yù)先向能力開(kāi)放平臺(tái)下發(fā)策略：指定區(qū)域內(nèi)所有UE，基于DNS URL 和應(yīng)用服務(wù)器地址，通過(guò)本地分流。

b）請(qǐng)求目標(biāo)為區(qū)域內(nèi)某個(gè)業(yè)務(wù)相關(guān)的所有UE，部署有調(diào)度服務(wù)器。

（a）UE 發(fā)起DNS 請(qǐng)求，DNS 返回第三方應(yīng)用的調(diào)度服務(wù)器地址。

（b）UE 向第三方應(yīng)用調(diào)度服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，調(diào)度服務(wù)器返回應(yīng)用服務(wù)器地址。

（c）第三方調(diào)度服務(wù)器預(yù)先向能力開(kāi)放平臺(tái)下發(fā)策略：指定區(qū)域內(nèi)所有UE，基于應(yīng)用服務(wù)器地址，通過(guò)本地分流。針對(duì)區(qū)域內(nèi)終端分流的邏輯圖如圖4 所示。

圖4 針對(duì)區(qū)域內(nèi)終端分流的邏輯圖

2.3.3 QoS加速

QoS 加速即帶寬管理功能，為應(yīng)用或者應(yīng)用中的會(huì)話請(qǐng)求分配帶寬和帶寬優(yōu)先級(jí)。

a）終端APP 或網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加UE 私網(wǎng)IP 地址等信息。

b）第三方應(yīng)用調(diào)用能力開(kāi)放平臺(tái)接口，下發(fā)QoS策略。

（a）QoS 策略：針對(duì)來(lái)自“UE 私網(wǎng)IP 地址”的數(shù)據(jù)流進(jìn)行QoS 定制，攜帶UE 私網(wǎng)IP 地址、UE 公網(wǎng)IP 地址及QoS 等級(jí)標(biāo)識(shí)等參數(shù)，其中QoS 等級(jí)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)預(yù)先商定的QoS指標(biāo)，例如最大上下行帶寬、最小上下行帶寬。

（b）如果需要獲取用戶會(huì)話終止通知，可提供會(huì)話終止通知地址。

c）5G 核心網(wǎng)通過(guò)能力開(kāi)放平臺(tái)告知用戶會(huì)話終止，能力開(kāi)放平臺(tái)會(huì)刪除相關(guān)QoS策略。

QoS加速邏輯圖如圖5所示。

圖5 QoS加速邏輯圖

2.3.4 位置訂閱

位置訂閱即第三方應(yīng)用向5G網(wǎng)絡(luò)訂閱UE的位置信息等。根據(jù)預(yù)先商定的規(guī)則，5G 核心網(wǎng)將UE 的位置信息上報(bào)給能力開(kāi)放平臺(tái)再給第三方應(yīng)用。

a）終端APP 或網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加UE 私網(wǎng)IP 地址等信息。

b）第三方應(yīng)用調(diào)用能力開(kāi)放平臺(tái)接口，下發(fā)位置訂閱。針對(duì)“UE 私網(wǎng)IP 地址或手機(jī)號(hào)”進(jìn)行位置訂閱，消息攜帶UE 私網(wǎng)IP 地址、UE 公網(wǎng)IP 地址、位置精度（cell 級(jí)別或TA 級(jí)別）等參數(shù)，其中手機(jī)號(hào)信息由第三方應(yīng)用提供。

c）5G 核心網(wǎng)通過(guò)能力開(kāi)放平臺(tái)上報(bào)UE 位置給第三方應(yīng)用。位置訂閱邏輯圖如圖6所示。

圖6 位置訂閱邏輯圖

3 能力開(kāi)放平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證部署

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)組網(wǎng)架構(gòu)

本研究基于某5G 業(yè)務(wù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（位于杭州）部署的華為5GC和中國(guó)電信自研5G能力開(kāi)放平臺(tái)，進(jìn)行了上述多個(gè)場(chǎng)景的端到端業(yè)務(wù)測(cè)試，驗(yàn)證了能力開(kāi)放平臺(tái)分流、QoS加速等能力。

在試點(diǎn)驗(yàn)證中，1 臺(tái)華為UPF 下沉到溫州電信**1大樓機(jī)房，實(shí)現(xiàn)邊緣UPF 的下沉部署，IPRAN 承載網(wǎng)將CDMA-EPC VPN 下沉至溫州B 設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)邊緣UPF與5GC核心網(wǎng)之間的互通。同時(shí)完成溫州電信**2 機(jī)房的云資源池準(zhǔn)備及騰訊業(yè)務(wù)的部署，并打通溫州電信**1 機(jī)房至溫州電信**2 機(jī)房之間的N6 接口專線電路。具體組網(wǎng)架構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 5G網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證組網(wǎng)架構(gòu)圖

3.2 對(duì)比測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 分流測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證分流效果，本項(xiàng)目結(jié)合騰訊視頻應(yīng)用，對(duì)比用戶訪問(wèn)騰訊視頻分流調(diào)度前后的時(shí)延情況。分流對(duì)比測(cè)試情況如圖8所示。

圖8 分流對(duì)比測(cè)試情況圖

根據(jù)IP 數(shù)據(jù)包跟蹤，不分流時(shí)，溫州用戶通過(guò)5G創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室UPF 訪問(wèn)騰訊視頻，會(huì)調(diào)度到杭州或者寧波服務(wù)器處理，即路徑2和路徑3分別對(duì)應(yīng)這2種現(xiàn)網(wǎng)情況，也有調(diào)度到溫州服務(wù)器處理器的情況，即路徑4（5G創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室UPF到溫州測(cè)試服務(wù)器）。

a）不分流場(chǎng)景。路徑2：50 組數(shù)據(jù)，平均時(shí)延為19.04 ms；路徑3：50 組數(shù)據(jù)，平均時(shí)延為31.81 ms；路徑4：50組數(shù)據(jù)，平均時(shí)延為33.10 ms。

b）分流場(chǎng)景。通過(guò)能力開(kāi)放平臺(tái)，對(duì)進(jìn)入溫州區(qū)域的用戶調(diào)度到溫州UPF 再到溫州測(cè)試服務(wù)器后，實(shí)測(cè)為：路徑1，50組數(shù)據(jù)，平均時(shí)延為8.85 ms

根據(jù)理論分析，信道良好情況下，3.5G SA 場(chǎng)景下基站側(cè)+UE時(shí)延大約為5.29 ms，基站、UPF、服務(wù)器（專線）都部署在溫州本地，傳輸距離較短，實(shí)測(cè)時(shí)延符合預(yù)期（其中8.85 ms 的時(shí)延還包括城域網(wǎng)時(shí)延，后續(xù)可考慮繼續(xù)優(yōu)化）。

3.2.2 QoS加速測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證QoS 加速功能，與騰訊視頻合作進(jìn)行了測(cè)試。如圖9、圖10 所示。當(dāng)將QCI（QoS Class Identifier）參數(shù)配置從QCI=9（“QoSReferences”：“20M”）調(diào)整為QCI=92（“QoSReferences”：“30M”），用戶視頻下載速率從412 Mbit/s提升至641 Mbit/s。

圖9 QCI=9時(shí)下載速率圖

圖10 QCI=92時(shí)下載速率圖

4 結(jié)論

5G 賦能行業(yè)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)是5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的初衷和重要特征，行業(yè)和產(chǎn)業(yè)對(duì)5G 的需求各不相同，存在差異化的網(wǎng)絡(luò)需求，5G 網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放可以給不同行業(yè)和產(chǎn)業(yè)定制化網(wǎng)絡(luò)能力，滿足其個(gè)性化需求。

本項(xiàng)目5G 能力開(kāi)放平臺(tái)針對(duì)商對(duì)客（B2C）客戶業(yè)務(wù)的實(shí)際場(chǎng)景和需求，將3GPP 標(biāo)準(zhǔn)提供的路由調(diào)度、QoS 策略、用戶位置等能力進(jìn)行靈活組合及完善，匹配和融合到互聯(lián)網(wǎng)CDN 類業(yè)務(wù)流程中，可以更好地為B2C 客戶提供個(gè)性化的服務(wù)及安全保障。5G 能力開(kāi)放平臺(tái)的引入，為運(yùn)營(yíng)商開(kāi)辟了基于5G 網(wǎng)絡(luò)的B2B2C 的新合作模式。在B2C 場(chǎng)景成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，未來(lái)還可在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)場(chǎng)景，針對(duì)2B終端提供基于區(qū)域及QoS等的5G能力開(kāi)放應(yīng)用。