基于MEC的5G无线能力开放系统研究

摘  要：移动边缘计算（MEC）在5G移动通信网络中扮演着重要角色，构建在5G接入网侧，靠近移动终端用户，可以有效解决5G网络对高带宽和低延时的需求。移动边缘计算（MEC）获取基站无线测量信息和空口调度信息，进行策略加工，以无线网络能力APIs形式开放给移动边缘应用（MEA）。根据业务流对应的无线测量信息和空口调度信息，结合移动边缘应用业务流的不同服务等级的预配置信息，从而给出业务流服务等级修改指导建议，并通过订阅的无线网络能力API通知给该移动边缘应用。文章重点研究5G无线能力开放系统架构、无线能力开放策略以及无线能力开放关键系统流程。

关键词：移动边缘计算;能力开放API;无线网络能力开放;能力API

中图分类号：TN929.5           文獻标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0055-05

Research on 5G Wireless Capability Open System Based on MEC

ZHANG Jingru

（Comba Network System Company Ltd.， Guangzhou  510663， China）

Abstract： Mobile edge computing （MEC） plays an important role in 5G mobile communication network. It is built on the 5G access network side and close to mobile terminal users， which can effectively solve the demand of 5G network for high bandwidth and low delay. Mobile edge computing （MEC） obtains the wireless measurement information and air interface scheduling information of the base station， processes the strategy， and opens it to the mobile edge application （MEA） in the form of wireless network capability APIs. According to the wireless measurement information and air interface scheduling information corresponding to the business flow， combined with the preconfigured information of different service levels of the mobile edge application business flow， the guidance suggestions for modifying the service level of the business flow are given， and the mobile edge application is notified through the subscribed wireless network capability API. This paper focuses on 5G wireless capability open system architecture， wireless capability open strategy and key system processes of wireless capability open.

Keywords： mobile edge computing; capability open API; wireless network capability open; capability API

0  引  言

随着互联网各类应用的丰富，第三方内容提供商对网络运营商的信息交互及网络个性需求愈来愈强烈，网络能力开放已经成为未来网络技术的主流。移动边缘计算MEC将传统电信蜂窝网络与互联网应用和物联网应用进行深度融合，目的在于减少用户业务交互的端到端时延，同时通过发掘无线网络的内在能力，更好地提升用户业务体验。

5G MEC能力包括云计算资源能力、网络能力和业务使能能力等，为边缘应用的本地计算提供各种便利。其中网络能力包括无线网络能力、核心网络能力和组网能力。

5G MEC将传统电信蜂窝网络与互联网业务进行深度融合，旨在减少用户业务交互的端到端时延，同时通过发掘无线网络的内在能力，更好地提升用户业务体验。从MEC的完整解决方案考虑，MEC即需要通信网络能力（CT能力）支撑、也需要云计算能力（IT能力）支撑，是一个ICT技术融合的最佳结合点。

1  MEC技术原理

1.1  MEC系统结构

图1描述了部署在网络功能虚拟化环境中的MEC系统参考架构[1，2]，MEC系统参考架构在垂直方向上可分为系统级和主机级。系统级在水平方向上包括边缘计算管理平台和边缘计算平台编排器。主机级在水平方向上包括边缘计算主机和边缘计算平台管理。在部署上，系统级边缘计算平台部署在边缘云节点，主机级边缘计算运行平台部署在边缘节点，且系统级可接入管理多个主机级边缘计算运行平台。

MEC系统参考架构包含的主要模块的功能描述为：

（1）MEP：部署在边缘计算主机上，提供对MEA的服务注册、网络的安全功能、应用/会话的带宽管理、MEA的负载均衡、用户计量、用户面的路由规则控制等功能;

（2）MEA：移动边缘应用以虚拟机或容器的方式部署在移动边缘计算主机上;

（3）MEPM：负责MEC应用的生命周期管理、MEC应用的规则和需求管理，从VIM接收资源故障报告和性能测量数据;为MEC平台提供网元管理功能，可以管理多个MEP;

（4）MEO：负责MEA的编排和NFV的编排，维护MEC系统的整体视图，包括部署的MEC主机、可用资源、可用服务以及网络拓扑，加载MEC应用包、对应用包进行完整性检查、检查应用规则和需求的有效性;

（5）OSS：负责边缘业务开通，以及后续的运营及运维管理。

MEC系统参考架构包含的主要管理参考接口描述如下：

（1）Mm1：MEO和MEPM之间的参考接口，用于MEC系统中MEC应用的实例化生成和终止;

（2）Mm2：OSS和MEPM之间的参考接口，用于MEC平台配置、故障和性能管理;

（3）Mm3：MEO和MEPM之间的参考接口，用于应用生命周期、应用规则和需求的管理，以及可用MEC服务的跟踪;

（4）Mm4：MEO和VIM之间的参考接口，用于管理MEC主机的虚拟化资源，包括可用资源的跟踪，以及用于管理应用程序镜像;

（5）Mm5：MEPM和MEP之间的参考接口，用于平台配置、应用规则和需求配置、应用生命周期支持过程、以及应用重定位管理等。

MEP相关的参考接口描述如下：

（1）Mp1：MEP和MEA之间的参考接口，提供服务注册、服务发现和服务通信。也提供其他功能，比如应用可用性、会话状态重定位支持过程、流量规则和DNS规则激活等;

（2）Mp2：MEP和虚拟化基础设施数据面之间的参考接口，用于指示数据屏幕如何在应用、网络、服务等之间路由流量。

1.2  MEC能力开放

图2给出了MEC能力开放子系统结构，MEC能力开放通过能力开放API网关对外提供统一的开放API接口，第三方应用即移动边缘应用（MEA）调用统一开放API接口来使用MEC系统提供的各种能力服务。在服务能力API开放之前，需要向能力开放API网关注册那些开放的APIs。

第三方应用在调用统一开放API接口时，能力开放API网关需要对此第三方应用进行鉴权，鉴权通过的应用才被允许调用对应的服务能力。

第三方应用也可以向能力开放API网关注册应用开放API，以向其他应用开放其支持的能力服务。

2  基于MEC的5G无线能力开放

2.1  5G无线能力概述

5G MEC提供的无线网络能力可以是5G流量本地卸载能力、5G无线定位能力以及5G无线信息服务能力等。

如图1所示，5G UPF可下沉部署在5G MEC边缘节点，路由规则控制通过Mp2接口将流量卸载规则配置给UPF，由UPF本地卸载5G流量;能力开放API网关不参与5G流量卸载过程。

5G无线定位能力服务通过基站上报的定位测量报告和5G定位算法计算终端的位置信息，能力开放API网关可以将终端位置信息开放给第三方应用，3GPP R17定位标准化方向包括提升定位精度、降低定位时延、降低定位终端功耗等。

5G基站能够提供如小区ID，无线信道质量、小区负荷和吞吐量等信息，5G无线信息服务根据这些无线信息报告进行一些决策，并将决策结果以服务的形式开放给第三方应用，用以第三方应用的业务链路优化等。本文重点研究5G无线信息能力开放系统。

2.2  基于MEC的5G无线能力开放系统结构

基于MEC的5G无线能力开放系统结构如图3所示，各参与功能模块描述如下：

（1）无线能力开放服务位于MEC，负责向能力网关注册开放的无线能力API，管理MEA订阅的无线能力服务，路由转发不同无线基站的消息，接收无线基站发送的无线信道环境等信息;

（2）无线服务代理位于无线基站侧，负责与MEC侧的无线能力开放服务进行通信;

（3）业务流监控位于无线基站侧，负责监控终端用户的业务流信息，提取出业务流的源和目标IP地址信息;

（4）无线资源调度位于无线基站侧，负责终端用户的频域和时域调度;

（5）无线信道环境测量位于无线基站侧，负责上行和下行无线信道测量结果收集和预处理。

2.3  基于MEC的5G无线能力开放系统流程

2.3.1  移动边缘应用策略模板设置过程

策略模板内容可包括业务类型，业务等级，每种业务等级下包括业务带宽，业务时延，业务丢包率。在成功部署MEA之后，MEA用户可以选择匹配业务的策略模板，并填写对应的值。这些值将被配置给无线能力开放服务模块。

2.3.2  无线服务代理注册流程

无线服务代理中配置了无线能力开放服务的地址信息，注册请求消息包含无线基站支持的全局唯一的小区识别符以及无线服务代理的地址信息，地址信息包含IP地址和端口号;注册响应消息中包含注册成功、失败指示信息，如图4所示。

无线服务代理和无线能力开放服务之间通过HTTP/HTTPs协议进行通信，采用REST API风格;下同。

2.3.3  业务流建立通知流程

业务流监控模块本地保存新建立的业务流信息，并检测用户面数据包的协议类型、源地址信息和目的地址信息;业务流建立通知请求消息包含全局唯一的小區标识符CGI、终端用户标识符、QoS流标识符、协议类型、业务流地址信息（源地址信息，目的地址信息）;

无线服务代理模块使用全局唯一的小区标识符CGI、终端用户标识符和QoS流标识符生成全局唯一的业务流标识符，用于后续传输;无线服务代理建立{业务流标识符，业务流建立信息}之间的映射关系。

无线能力开放服务模块建立{业务流标识符，无线基站注册信息}和{业务流标识符，业务流建立信息}、{业务流地址信息，业务流标识符}三张映射表;业务流建立通知响应消息包含小区标识符CGI、终端用户识别符、业务流标识符、配置的业务流等级信息以及状态码，如图5所示。

2.3.4  业务流释放通知流程

业务流释放通知请求消息包含小区标识符、终端用户标识符和业务流标识符;无线能力开放服务模块根据业务流标识符，查找本地保存的{业务流标识符，无线基站注册信息}和{业务流标识符，业务流建立信息}、{业务流地址信息，业务流标识符}三张映射表，并从本地删除业务流标识符及对应的映射信息，如图6所示。

2.3.5  无线能力开放服务订阅/取消订阅流程

MEA通过能力开放API网关调用无线能力开放服务订阅请求API;无线能力开放服务订阅请求消息中包含以下信息：应用标识符、订阅通知URL、业务类型、当前业务服务等级、业务流IP地址信息，如图7所示。

能力开放API网关根据应用标识符和token信息对MEA进行认证鉴权，认证鉴权通过后，将请求信息转发给无线能力开放服务模块。

无线能力开放服务模块根据业务流地址信息查询{业务流地址信息，业务流标识符}映射表，确定业务流标识符，然后查表{业务流标识符，无线基站注册信息}获取对应的无线基站信息，无线基站信息包含无线服务代理的监听IP地址和端口信息;查询本地预先配置的MEA业务信息，获取到不同业务服务等级对应的业务流带宽需求、时延、丢包率，取消订阅流程忽略这一步骤。

无线服务代理模块建立保存/删除该业务流对应的业务流订阅信息。

無线能力开放服务模块建立保存/删除映射表{业务流标识符，业务流订阅信息}。

2.3.6  无线能力开放服务通知流程

步骤1：无线服务代理模块对订阅的业务流的测量信息进行平滑滤波，无线测量信息包括终端用户测量下行链路上报的CQI信息，以及基站针对上行链路的CSI信息测量;将上下行无线链路无线质量分为{高、低}两个等级;

步骤2：针对已订阅的业务流，执行以下判断策略：

按照用户优先级进行排序，获取到优先级集合（PUE（1），PUE（2），…，PUE（P）），优先级从高到低排列，共有P个优先级等级，假设第i个等级PUE（i），i=1…P中有N个用户UE（j），j=1…N，假设每个用户只有一个业务流。

-处理PUE（i），i=1…P;

-处理UE（j），j=1…N;

-获取用户无线链路质量NR_LINK_Q（j）和系统当前剩余无线资源带宽NR_BAND_REST;

-如果NR_LINK_Q（j）等级为高，获取业务流当前服务等级对应的NR带宽需求NR_BANDcurrent（j）和高一级服务等级对应的带宽需求NR_BANDnext;

-如果NR_BAND_REST≥NR_BANDnext-NR_BANDcurrent（j），则建议移动边缘应用提升该业务流的服务等级，提升等级次数加一并保存，转到步骤3;如果NR_BANDnext为空，则跳出当前用户处理逻辑转去处理下一个UE;

-如果NR_BAND_REST

-如果NR_LINK_Q（j）等级为低，获取业务流当前服务等级对应的NR带宽需求NR_BANDcurrent和低一级服务等级对应的带宽需求NR_BANDnext;

-建议MEA采取低服务等级，降低业务流速率，缓解空口无线环境恶化，提升等级次数减一并保存，转到步骤3;如果NR_BANDnext为空，则跳出当前用户处理逻辑转去处理下一个UE;

-处理完当前优先级集合内所有UE之后，按照业务流提升等级次数从低到高重排序;

步骤3：无线服务代理模块向无线能力开放服务模块发送无线测量服务通知请求消息，该消息携带小区标识符、用户标识符、业务流标识符、无线信道质量等级、业务等级修改建议;

步骤4：无线能力开放服务模块根据小区标识符、用户标识符和业务流标识符查{业务流标识符，业务流订阅信息}映射表，获取业务流订阅信息，进一步获取业务流对应的应用标识符、通知URL信息;

步骤5：无线能力开放服务模块转发无线能力开放服务通知请求消息给能力开放API网关，该消息携带应用标识符、通知URL、业务流的无线信道质量等级、业务等级修改建议;

步骤6：能力开放API网关通过订阅通知URL将通知请求转发给对应的MEA;

步骤7：MEA接收到业务流无线能力开放服务通知请求消息，根据实际情况，确定是否接受业务等级修改建议;

步骤8：MEA回复业务流无线能力开放服务通知响应消息给无线能力API网关，携带状态码，用以指示MEA是否接受业务等级修改建议;

步骤9：能力开放API网关回复无线能力开放服务通知响应消息，携带用以指示MEA是否接受业务等级修改建议的状态码、应用标识符、业务流地址信息;

步骤10：无线能力开放服务模块根据业务流地址信息查表{业务流地址信息，业务流标识符}和{业务流标识符，无线基站注册信息}获取无线基站中无线服务代理模块的地址信息和业务流信息，向无线服务代理模块回复无线测量服务通知响应消息，该消息携带小区标识符、用户标识符、业务流标识符和状态码;

步骤11：无线服务代理模块根据新应用的业务等级调整无线调度业务流参数，这些参数包括用户优先级、业务流优先级、业务时延、业务丢包率以及业务带宽。

3  结  论

为不同种类的MEA制定统一的策略模板，可由MEA客户定制对应模板参数值。

MEA通过能力开放API网关向无线能力开放服务订阅某一业务流的无线能力开放服务，无线能力开放服务根据订阅参数确定无线测量服务的请求参数，并发送给无线基站。无线基站采集业务流对应的无线信道测量信息，并根据一定的算法判断，确定该服务流对应的服务等级建议，然后将这一建议结果及对应的无线测量信息通知给无线能力开放服务模块，由无线能力开放服务模块通过能力开放API网关通知给对应的MEA。MEA匹配空口无线环境，确定是否采用建议的服务等级提供后续的服务，比如提供4K/高清/普清视频流。

采用这种方式，可改善用户体验质量，提高网络利用率。无线基站根据MEA反馈的服务质量等级进行无线资源调度，可提高空口无线资源利用率。

參考文献：

[1] European Telecommunications Standards Institute（ETSI）.Mobile Edge Computing（MEC）;Framework and Reference Architecture：ETSI.ETSI-GS MEC 003 [S/OL].（2016-03-01）. https：//standards.globalspec.com/std/10001572/etsi-gs-mec-003.

[2] 中国联通，5G网络能力开放白皮书 [S/OL].中国联通网络技术研究院.（2020-05-07）.https：//max.book118.com/html/2020/0507/8121030026002111.shtm.

[3] 中华人民共和国工业和信息化部.5G移动通信网核心网网络功能技术要求：YD/T 3616-2019 [S].北京：人民邮电出版社，2019.

[4] 中国移动边缘计算开放实验室：中国移动边缘计算技术体系白皮书 [R/OL].（2020-09-01）.https：//www.sgpjbg.com/i-18839.html.

[5] 林奕琳，单雨威，刘龙龙，等.5G MEC网络能力开放架构研究及实践 [J].广东通信技术，2021，41（5）：29-37.

[6] 李红祎，赵一荣，李金艳，等.基于能力开放的5G网络切片管理研究 [J].电子技术应用，2020，46（1）：1-5+11.

作者简介：张静茹（1981.07—），女，汉族，安徽界首人，高级主任协议软件工程师，中级通信技术工程师，硕士研究生，研究方向：无线通信、计算机软件等。