5G MEC 網絡能力開放架構研究及實踐

［林奕琳 單雨威 劉龍龍 劉玉芹］

1 引言

核心網轉發面與控制面進一步分離，轉發面下沉，支持邊緣計算（EC，Edge-Computing）[1～2]，是3GPP在5G 網絡中為進一步降低業務端到端時延、提升業務體驗所引入的一項重要特性。MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計算）是ETSI 提出的一種支持邊緣計算的系統架構，MEC 為邊緣應用提供了業務部署環境以及靈活的應用編排功能。將3GPP 與ETSI 在EC及MEC 的工作緊密結合起來，便形成了當前業界廣為關注的5G MEC 即5G 邊緣計算體系。

5G MEC 與傳統云計算向邊緣的延伸“邊緣云”最大的區別就在于MEC 充分考慮了與接入網絡的關系，以及雙方的緊密協同。如何發揮5G MEC 的這一重要特征，從而更好的支持MEC 業務的部署和發展、擴大業務的適用場景、提升業務的使用體驗，成為了5G MEC 研發工作的重要組成部分之一。

2 5G MEC 端到端系統架構

3GPP 在5G 的系列規范中考慮了對EC 邊緣計算的支持，包括從架構上進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 系統架構[5]，并初步研究了MEC 與5G 的關系[6]。CCSA 中國通信標準化協會在行業標準《5G 核心網邊緣計算總體技術要求》[7]中提出了5G MEC 端到端系統架構，具體如圖1 所示。

圖1 5G MEC 系統架構[7]

在5G 網絡與MEC 的關系中，對于5G 網絡用戶面UPF（User Plane Function，用戶面功能）而言，MEC系統相當于一個DN（Data Network，數據網絡），對于5G 網絡控制面而言，MEC 系統相當于一個可信的AF（Application Function，應用功能）或第三方應用系統，應用可通過MEC 獲取或調用5G 網絡提供的能力。

MEC 系統是一個固移融合的邊緣計算系統，具體體現在以下幾個方面：

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

（2）能力融合：在接入融合的基礎上，MEC 上部署的應用可以靈活的獲取或調用不同接入網絡提供的能力；

（3）業務融合：部署在MEC 系統上的應用可同時支持不同的接入，可以為不同接入的用戶進行靈活的業務調度，并滿足相關移動性的要求。

當前MEC 系統實現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的專享型MEC 系統可以同時支持通過運營商5G 網絡、專線或園區內部現有固定網絡接入。部署在運營商機房的共享型MEC 系統可以通過運營商的5G 網絡、固定寬帶或專線接入。具體實現主要是工程實施問題。而能力融合及業務融合，是后續MEC 系統需要關注和解決的重點問題之一。

本文基于MEC應用場景需求及當前MEC系統架構，提出了一種支持固移融合的5G MEC 網絡能力開放架構，開發了MEC 網絡能力協同系統，在5G 實驗室及現網試驗環境完成了系統部署及網絡對接技術驗證。

3 5G MEC 網絡能力開放架構

3.1 架構概述

本文提出的5G MEC 網絡能力開放系統架構如圖2所示。在MEC 系統級平臺中引入了MEC 網絡協同子系統，子系統中包含了5GC Proxy（NEF）、固網Proxy、5GC網管Proxy、5G NR Proxy 等模塊，分別對接多個能力提供方，同時通過系統內API GW 對外提供能力服務。

圖2 5G MEC 能力開放架構

基于不同的應用場景，提供了兩種能力的調用方式。第一種面向邊緣應用，部署在邊緣的APP 可以通過MEP（MEC Platform，MEC 平臺）調用MEC 網絡協同子系統提供的能力；另一種是直接面向系統級平臺或第三方應用，在這種場景下，具體調用能力的可以是系統級平臺的其他子系統，或者直接面向第三方應用平臺（當應用在多個邊緣MEC 平臺上部署時，如vCDN 業務，此時可以由CDN 業務調度平臺發起網絡能力調用）。

此外，能力調用過程中實現了兩個層面的安全控制，第一層是面向第三方應用的認證授權，具體由MEP 或系統級平臺中直接面向應用的子系統實現；第二層是子系統間的認證，如5GC Proxy 完成對MEP 能力調用請求的認證。

3.2 系統能力需求

基于上述架構，面向MEC 場景的網絡能力需求分析如下：

（1）3GPP 定義的標準5GC 網絡能力[2]：3GPP 定義了一系列可通過NEF（Network Exposure Function，網絡能力開放功能）對外提供的能力，如監控類能力、配置類能力以及策略/計費類能力，具體能力如表1 所示。

表1 NEF 對外開放的網絡能力

（2）非標準定義的5GC 網元能力：3GPP 標準雖然考慮了眾多可對外開放的網絡能力，但在實際MEC 業務部署中，部分能力需求標準并不能完全滿足。此外，有些能力，標準雖然已經定義，但在具體實現上存在難度或業界5GC 設備還不成熟。因此除了3GPP 標準定義的網絡能力之外，還需結合業務需求，通過與5GC 網元對接（或通過5GC 網管等媒介），獲取應用所需的網絡能力，如終端狀態監控及配置、“專網”網絡策略配置、用戶信息管理、“專網”網元運行狀態監控和網絡分流能力等，具體如表2 所示。

表2 MEC 其他網絡能力需求

（3）5G NR 無線網絡能力：在ETSI MEC 標準中定義了LTE 無線接入相關的能力，如RNIS 等能力，同樣，在5G 網絡，也可以通過直接或間接與NR 對接，向應用提供NR 相關的網絡能力。

（4）固定網絡能力：在固定接入場景下，結合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絡能力，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務需求，以及專線接入場景下的專線參數配置能力等。

4 系統實踐

4.1 開發及試驗內容

本文基于上述能力開放系統架構圖，開發了MEC 網絡能力開放子系統，并與業界最有代表性的兩個設備廠商的5GC 網絡完成了實驗室及現網系統對接，開展了能力（重點面向前文所述的3GPP 定義的標準5GC 網絡能力）對接試驗。試驗系統組網如圖3 所示，MEC 系統通過5GC Proxy/NEF 與5GC 對接，實現對5GC 網絡能力的調用。

圖3 5G MEC 能力開放試驗架構圖

初期MEP 支持開放的網絡能力含5G QoS 能力、流量引導能力、位置能力和計費能力四種，本次能力對接試驗分別驗證了這四種能力的端到端調用流程的可行性，具體測試內容如表3 所示。

表3 能力對接試驗測試內容

4.2 試驗過程及結果

本次試驗就上述四種網絡能力分別展開功能測試，旨在驗證商用場景下MEC 是否可以實現對5GC 網絡能力的端到端調用，在不同能力的使用場景下，5G MEC 網絡協同子系統與BSF（Binding Support Function，綁定支持功能）、PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、UDM（Unified Data Management，統一數據管理實體）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能）等網元進行交互，實現了相應的功能。

4.2.1 5G QoS 能力調用

5G QoS 能力是指邊緣應用可以請求對特定業務流實現5G 接入服務質量保障，包括對帶寬、資源優先級等的保障，該能力的調用流程如圖4 所示。

圖4 5G QoS 能力調用測試流程圖

該能力的調用流程簡要描述如下：邊緣應用根據需求攜帶能力認證授權信息向MEP 發起創建/刪除/修改QoS 保障的請求，MEP 完成認證授權后將請求轉發至5GC Proxy，5GC Proxy 通過BSF 發現服務PCF，并將相關請求提交PCF，PCF 完成策略下發。

此次試驗選取設置QoS參數中不同的MBR、GBR值，驗證了邊緣場景下調用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 表示網絡側在建立GBR flow 能力保障時，設置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 進行100 Mbit/s 的下行數據灌包。按照5G QoS 設計理念，該場景下網絡需要限制最大帶寬50 Mbit/s，保證最小帶寬50 Mbit/s。通過在基站上的觀測數據，可以發現用戶的下行速率在50 Mbit/s 左右波動，QoS 參數生效，如圖6 所示。

圖5 網絡側下發GBR=MBR=50 Mbit/s 的QoS 規則1

圖6 基站上觀測到的QoS 規則1 的保障結果

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

為了驗證MBR、GBR 參數的不同作用，試驗中對MBR、GBR 設置了不同值進行測試。圖7 表示網絡側在建立GBR flow能力保障時，設置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 進行100 Mbit/s 的下行數據灌包。按照5G QoS 設計理念，該場景下網絡需要限制最大帶寬70 Mbit/s，保證最小帶寬40 Mbit/s。通過在基站上的觀測數據，可以發現用戶的下行速率在70 Mbit/s 左右波動，不能大于70 Mbit/s，不能小于40 Mbit/s，QoS 參數生效，如圖8 所示。

圖7 網絡側下發GBR=40 Mbit/s，MBR=70 Mbit/s的QoS 規則2

圖8 基站上觀測到的QoS 規則2 的保障結果

4.2.2 流量引導

流量引導能力是指應用可以請求對特定的業務流根據終端當前位置選擇最近的用戶面路徑，該能力的調用流程如圖9 所示。

圖9 流量引導能力調用測試流程圖

該能力的調用流程簡要描述如下：APP 應用根據需求攜帶能力認證授權信息向5GC Proxy 發起創建/刪除/修改流量引導請求，5GC Proxy 完成認證授權后，通過BSF 發現服務PCF，并將相關請求提交PCF，PCF 將策略下發給SMF（Session Management Function，會話管理功能），SMF 完成邊緣錨點UPF 插入完成UL CL 過程。

本次試驗通過MEC 觸發UL CL 插入策略，SMF 根據收到的PCC 規則選擇園區邊緣UPF 插入，用戶訪問MEC 平臺應用的流量直接經由邊緣UPF 到達MEC 平臺。而用戶訪互聯網應用的流量經邊緣UPF 再經由中心UPF出互聯網。測試網絡拓撲如圖10 所示。

圖10 用戶面網絡拓撲圖

從信令的抓包信息可以看到，用戶面數據通過UL CL進行分流分別訪問MEC 應用和Internet 應用，如圖11 和圖12 所示。

圖11 用戶面數據通過UL CL 分流訪問MEC 應用

圖12 用戶面數據通過UL CL 分流訪問Internet 應用

4.2.3 事件監控

事件監控功能是5GC 網絡具備的重要的對外開放的網絡能力之一，可以通過網絡實現特定事件的監控，并通過NEF（5GC Proxy）提供這些監控事件信息。5G 網絡支持位置事件、UE可達性、連接丟失等事件的監控及報告。本次測試中以位置這一監控事件為例進行了具體試驗，流程如圖13 所示。

圖13 位置訂閱能力調用測試流程圖

該能力的調用流程簡要描述如下：ME APP 攜帶能力認證授權信息向MEP 發起創建/刪除位置訂閱請求，MEP完成認證授權后將請求轉發至5GC Proxy，5GC Proxy 完成認證授權后，向UDM 發送請求，UDM 將請求轉發用戶服務的AMF。AMF 根據既定的策略，檢測到事件上報條件（周期性上報或位置發生變化等）達到后，將位置事件報告至5GC Proxy，報告包含當前用戶的位置信息（網絡位置標識tai 或ncgi），5GC Proxy 將報告通過MEP 轉發至相應的ME APP。

此次試驗過程中變更了用戶終端的位置，將UE 從一個cell 小區移動到了另一個cell 小區，AMF 檢測到用戶位置變更事件后，直接向5GC Proxy 發送通知消息，消息中包含了用戶標識以及所處位置（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 計費能力

計費能力可以實現指定計費方，實現2B 業務的流量統計，該能力的調用流程如圖15 所示。

圖15 計費能力調用測試流程圖

該能力的調用流程簡要描述如下：ME APP 攜帶能力認證授權信息向MEP 發起創建/刪除/修改計費方控制的請求，MEP 完成認證授權后將請求轉發至5GC Proxy，5GC Proxy 通過BSF 發現服務PCF，并將相關請求提交PCF，PCF 完成策略下發，其中PCF 預配置用于標識不同計費方的RG（Rating Group，計費組）標識字段，根據APPID（應用標識）和約定的配置（業務在不同園區的計費RG 不同）向SMF 發送相應的計費RG，SMF 最終的計費話單中不同的流量對應不同的RG，最終實現計費方控制。

此次試驗過程中結合了MEC 觸發的UL CL 流程的測試場景（園區1 關聯的計費RG 為11，園區2 關聯的計費RG 為12），用戶在不同園區接入向不同計費方收費，PCF 向SMF 下發計費RG 的信令內容分別如圖16 和圖17 所示。

圖16 園區1 對應的Rating Group

圖17 園區2 對應的Rating Group

4.3 試驗小結

該試驗通過MEC 網絡協同子系統與5GC 網絡的實驗室及現網對接試驗，驗證了端到端調用能力的流程、5GC 設備的成熟度以及5G QoS 能力調用、流量引導、位置事件訂閱以及計費四種網絡能力，驗證了本文提出的5G MEC 網絡能力開放架構的技術可行性。

與5G 網絡緊密協同是MEC 區別于普通邊緣云解決方案的重要特性之一，通過引入豐富的網絡能力，一方面可以進一步提升邊緣應用的業務體驗，同時也可以豐富MEC 的適用范圍。此次系統對接對后續5G MEC 系統規模商用的進一步推廣應用具有重要的推動作用，也對5G MEC 產業的發展具有一定的借鑒意義。

5 結束語

網絡能力開放是每一代移動通信網絡的重要特征，從傳統的語音、短信能力到4G QoS 能力等都在網絡實際部署中獲得了應用。如何更好的發揮5G 網絡能力，為MEC 應用場景服務，目前在網絡標準及設備成熟度上，與實際需求中還存在一定的缺口。盡管3GPP 標準定義了一系列的網絡能力，但當前5GC 網絡功能仍在逐步增強，本次試驗只是針對部分現有能力的驗證。同時，網絡能力開放是一項典型的需求推動型業務，下一步，仍需結合具體應用場景需求在MEC 系統中引入更多的網絡能力。因此，理解應用的需求，推動網絡及能力開放系統的進一步成熟，是未來5G MEC 網絡能力開放的一項重要工作。