5G MEC 网络能力开放架构研究及实践

［林奕琳 单雨威 刘龙龙 刘玉芹］

1 引言

核心网转发面与控制面进一步分离，转发面下沉，支持边缘计算（EC，Edge-Computing）[1～2]，是3GPP在5G 网络中为进一步降低业务端到端时延、提升业务体验所引入的一项重要特性。MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边缘计算）是ETSI 提出的一种支持边缘计算的系统架构，MEC 为边缘应用提供了业务部署环境以及灵活的应用编排功能。将3GPP 与ETSI 在EC及MEC 的工作紧密结合起来，便形成了当前业界广为关注的5G MEC 即5G 边缘计算体系。

5G MEC 与传统云计算向边缘的延伸“边缘云”最大的区别就在于MEC 充分考虑了与接入网络的关系，以及双方的紧密协同。如何发挥5G MEC 的这一重要特征，从而更好的支持MEC 业务的部署和发展、扩大业务的适用场景、提升业务的使用体验，成为了5G MEC 研发工作的重要组成部分之一。

2 5G MEC 端到端系统架构

3GPP 在5G 的系列规范中考虑了对EC 边缘计算的支持，包括从架构上进一步将控制面与用户面分离、支持用户面按需下沉、支持EC 流量的本地分流等[1～4]。ETSI定义了MEC 系统架构[5]，并初步研究了MEC 与5G 的关系[6]。CCSA 中国通信标准化协会在行业标准《5G 核心网边缘计算总体技术要求》[7]中提出了5G MEC 端到端系统架构，具体如图1 所示。

图1 5G MEC 系统架构[7]

在5G 网络与MEC 的关系中，对于5G 网络用户面UPF（User Plane Function，用户面功能）而言，MEC系统相当于一个DN（Data Network，数据网络），对于5G 网络控制面而言，MEC 系统相当于一个可信的AF（Application Function，应用功能）或第三方应用系统，应用可通过MEC 获取或调用5G 网络提供的能力。

MEC 系统是一个固移融合的边缘计算系统，具体体现在以下几个方面：

（1）接入融合：MEC 系统支持固网、移动网接入，可同时为不同接入的用户提供服务；

（2）能力融合：在接入融合的基础上，MEC 上部署的应用可以灵活的获取或调用不同接入网络提供的能力；

（3）业务融合：部署在MEC 系统上的应用可同时支持不同的接入，可以为不同接入的用户进行灵活的业务调度，并满足相关移动性的要求。

当前MEC 系统实现接入层面的固移融合没有太多的障碍，比如部署在客户园区的专享型MEC 系统可以同时支持通过运营商5G 网络、专线或园区内部现有固定网络接入。部署在运营商机房的共享型MEC 系统可以通过运营商的5G 网络、固定宽带或专线接入。具体实现主要是工程实施问题。而能力融合及业务融合，是后续MEC 系统需要关注和解决的重点问题之一。

本文基于MEC应用场景需求及当前MEC系统架构，提出了一种支持固移融合的5G MEC 网络能力开放架构，开发了MEC 网络能力协同系统，在5G 实验室及现网试验环境完成了系统部署及网络对接技术验证。

3 5G MEC 网络能力开放架构

3.1 架构概述

本文提出的5G MEC 网络能力开放系统架构如图2所示。在MEC 系统级平台中引入了MEC 网络协同子系统，子系统中包含了5GC Proxy（NEF）、固网Proxy、5GC网管Proxy、5G NR Proxy 等模块，分别对接多个能力提供方，同时通过系统内API GW 对外提供能力服务。

图2 5G MEC 能力开放架构

基于不同的应用场景，提供了两种能力的调用方式。第一种面向边缘应用，部署在边缘的APP 可以通过MEP（MEC Platform，MEC 平台）调用MEC 网络协同子系统提供的能力；另一种是直接面向系统级平台或第三方应用，在这种场景下，具体调用能力的可以是系统级平台的其他子系统，或者直接面向第三方应用平台（当应用在多个边缘MEC 平台上部署时，如vCDN 业务，此时可以由CDN 业务调度平台发起网络能力调用）。

此外，能力调用过程中实现了两个层面的安全控制，第一层是面向第三方应用的认证授权，具体由MEP 或系统级平台中直接面向应用的子系统实现；第二层是子系统间的认证，如5GC Proxy 完成对MEP 能力调用请求的认证。

3.2 系统能力需求

基于上述架构，面向MEC 场景的网络能力需求分析如下：

（1）3GPP 定义的标准5GC 网络能力[2]：3GPP 定义了一系列可通过NEF（Network Exposure Function，网络能力开放功能）对外提供的能力，如监控类能力、配置类能力以及策略/计费类能力，具体能力如表1 所示。

表1 NEF 对外开放的网络能力

（2）非标准定义的5GC 网元能力：3GPP 标准虽然考虑了众多可对外开放的网络能力，但在实际MEC 业务部署中，部分能力需求标准并不能完全满足。此外，有些能力，标准虽然已经定义，但在具体实现上存在难度或业界5GC 设备还不成熟。因此除了3GPP 标准定义的网络能力之外，还需结合业务需求，通过与5GC 网元对接（或通过5GC 网管等媒介），获取应用所需的网络能力，如终端状态监控及配置、“专网”网络策略配置、用户信息管理、“专网”网元运行状态监控和网络分流能力等，具体如表2 所示。

表2 MEC 其他网络能力需求

（3）5G NR 无线网络能力：在ETSI MEC 标准中定义了LTE 无线接入相关的能力，如RNIS 等能力，同样，在5G 网络，也可以通过直接或间接与NR 对接，向应用提供NR 相关的网络能力。

（4）固定网络能力：在固定接入场景下，结合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网络能力，包括固定宽带的上行提速，满足固定接入场景下的上行类业务需求，以及专线接入场景下的专线参数配置能力等。

4 系统实践

4.1 开发及试验内容

本文基于上述能力开放系统架构图，开发了MEC 网络能力开放子系统，并与业界最有代表性的两个设备厂商的5GC 网络完成了实验室及现网系统对接，开展了能力（重点面向前文所述的3GPP 定义的标准5GC 网络能力）对接试验。试验系统组网如图3 所示，MEC 系统通过5GC Proxy/NEF 与5GC 对接，实现对5GC 网络能力的调用。

图3 5G MEC 能力开放试验架构图

初期MEP 支持开放的网络能力含5G QoS 能力、流量引导能力、位置能力和计费能力四种，本次能力对接试验分别验证了这四种能力的端到端调用流程的可行性，具体测试内容如表3 所示。

表3 能力对接试验测试内容

4.2 试验过程及结果

本次试验就上述四种网络能力分别展开功能测试，旨在验证商用场景下MEC 是否可以实现对5GC 网络能力的端到端调用，在不同能力的使用场景下，5G MEC 网络协同子系统与BSF（Binding Support Function，绑定支持功能）、PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、UDM（Unified Data Management，统一数据管理实体）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）等网元进行交互，实现了相应的功能。

4.2.1 5G QoS 能力调用

5G QoS 能力是指边缘应用可以请求对特定业务流实现5G 接入服务质量保障，包括对带宽、资源优先级等的保障，该能力的调用流程如图4 所示。

图4 5G QoS 能力调用测试流程图

该能力的调用流程简要描述如下：边缘应用根据需求携带能力认证授权信息向MEP 发起创建/删除/修改QoS 保障的请求，MEP 完成认证授权后将请求转发至5GC Proxy，5GC Proxy 通过BSF 发现服务PCF，并将相关请求提交PCF，PCF 完成策略下发。

此次试验选取设置QoS参数中不同的MBR、GBR值，验证了边缘场景下调用QoS 能力的功能。具体如下：

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

图5 表示网络侧在建立GBR flow 能力保障时，设置flow 的MBR 为50 Mbit/s，GBR 为50 Mbit/s，表示GBR flow 保证带宽为50 Mbit/s，最大带宽50 Mbit/s，然后在MEC 平台上部署Server 进行100 Mbit/s 的下行数据灌包。按照5G QoS 设计理念，该场景下网络需要限制最大带宽50 Mbit/s，保证最小带宽50 Mbit/s。通过在基站上的观测数据，可以发现用户的下行速率在50 Mbit/s 左右波动，QoS 参数生效，如图6 所示。

图5 网络侧下发GBR=MBR=50 Mbit/s 的QoS 规则1

图6 基站上观测到的QoS 规则1 的保障结果

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

为了验证MBR、GBR 参数的不同作用，试验中对MBR、GBR 设置了不同值进行测试。图7 表示网络侧在建立GBR flow能力保障时，设置flow的MBR为70 Mbit/s，GBR 为40 Mbit/s，表示GBR flow 保证带宽为40 Mbit/s，最大带宽70 Mbit/s，然后在MEC 平台上部署Server 进行100 Mbit/s 的下行数据灌包。按照5G QoS 设计理念，该场景下网络需要限制最大带宽70 Mbit/s，保证最小带宽40 Mbit/s。通过在基站上的观测数据，可以发现用户的下行速率在70 Mbit/s 左右波动，不能大于70 Mbit/s，不能小于40 Mbit/s，QoS 参数生效，如图8 所示。

图7 网络侧下发GBR=40 Mbit/s，MBR=70 Mbit/s的QoS 规则2

图8 基站上观测到的QoS 规则2 的保障结果

4.2.2 流量引导

流量引导能力是指应用可以请求对特定的业务流根据终端当前位置选择最近的用户面路径，该能力的调用流程如图9 所示。

图9 流量引导能力调用测试流程图

该能力的调用流程简要描述如下：APP 应用根据需求携带能力认证授权信息向5GC Proxy 发起创建/删除/修改流量引导请求，5GC Proxy 完成认证授权后，通过BSF 发现服务PCF，并将相关请求提交PCF，PCF 将策略下发给SMF（Session Management Function，会话管理功能），SMF 完成边缘锚点UPF 插入完成UL CL 过程。

本次试验通过MEC 触发UL CL 插入策略，SMF 根据收到的PCC 规则选择园区边缘UPF 插入，用户访问MEC 平台应用的流量直接经由边缘UPF 到达MEC 平台。而用户访互联网应用的流量经边缘UPF 再经由中心UPF出互联网。测试网络拓扑如图10 所示。

图10 用户面网络拓扑图

从信令的抓包信息可以看到，用户面数据通过UL CL进行分流分别访问MEC 应用和Internet 应用，如图11 和图12 所示。

图11 用户面数据通过UL CL 分流访问MEC 应用

图12 用户面数据通过UL CL 分流访问Internet 应用

4.2.3 事件监控

事件监控功能是5GC 网络具备的重要的对外开放的网络能力之一，可以通过网络实现特定事件的监控，并通过NEF（5GC Proxy）提供这些监控事件信息。5G 网络支持位置事件、UE可达性、连接丢失等事件的监控及报告。本次测试中以位置这一监控事件为例进行了具体试验，流程如图13 所示。

图13 位置订阅能力调用测试流程图

该能力的调用流程简要描述如下：ME APP 携带能力认证授权信息向MEP 发起创建/删除位置订阅请求，MEP完成认证授权后将请求转发至5GC Proxy，5GC Proxy 完成认证授权后，向UDM 发送请求，UDM 将请求转发用户服务的AMF。AMF 根据既定的策略，检测到事件上报条件（周期性上报或位置发生变化等）达到后，将位置事件报告至5GC Proxy，报告包含当前用户的位置信息（网络位置标识tai 或ncgi），5GC Proxy 将报告通过MEP 转发至相应的ME APP。

此次试验过程中变更了用户终端的位置，将UE 从一个cell 小区移动到了另一个cell 小区，AMF 检测到用户位置变更事件后，直接向5GC Proxy 发送通知消息，消息中包含了用户标识以及所处位置（tai 和ncgi），变更前后的位置信息如图14 所示。

图14 用户位置变更前后上报的位置信息

4.2.4 计费能力

计费能力可以实现指定计费方，实现2B 业务的流量统计，该能力的调用流程如图15 所示。

图15 计费能力调用测试流程图

该能力的调用流程简要描述如下：ME APP 携带能力认证授权信息向MEP 发起创建/删除/修改计费方控制的请求，MEP 完成认证授权后将请求转发至5GC Proxy，5GC Proxy 通过BSF 发现服务PCF，并将相关请求提交PCF，PCF 完成策略下发，其中PCF 预配置用于标识不同计费方的RG（Rating Group，计费组）标识字段，根据APPID（应用标识）和约定的配置（业务在不同园区的计费RG 不同）向SMF 发送相应的计费RG，SMF 最终的计费话单中不同的流量对应不同的RG，最终实现计费方控制。

此次试验过程中结合了MEC 触发的UL CL 流程的测试场景（园区1 关联的计费RG 为11，园区2 关联的计费RG 为12），用户在不同园区接入向不同计费方收费，PCF 向SMF 下发计费RG 的信令内容分别如图16 和图17 所示。

图16 园区1 对应的Rating Group

图17 园区2 对应的Rating Group

4.3 试验小结

该试验通过MEC 网络协同子系统与5GC 网络的实验室及现网对接试验，验证了端到端调用能力的流程、5GC 设备的成熟度以及5G QoS 能力调用、流量引导、位置事件订阅以及计费四种网络能力，验证了本文提出的5G MEC 网络能力开放架构的技术可行性。

与5G 网络紧密协同是MEC 区别于普通边缘云解决方案的重要特性之一，通过引入丰富的网络能力，一方面可以进一步提升边缘应用的业务体验，同时也可以丰富MEC 的适用范围。此次系统对接对后续5G MEC 系统规模商用的进一步推广应用具有重要的推动作用，也对5G MEC 产业的发展具有一定的借鉴意义。

5 结束语

网络能力开放是每一代移动通信网络的重要特征，从传统的语音、短信能力到4G QoS 能力等都在网络实际部署中获得了应用。如何更好的发挥5G 网络能力，为MEC 应用场景服务，目前在网络标准及设备成熟度上，与实际需求中还存在一定的缺口。尽管3GPP 标准定义了一系列的网络能力，但当前5GC 网络功能仍在逐步增强，本次试验只是针对部分现有能力的验证。同时，网络能力开放是一项典型的需求推动型业务，下一步，仍需结合具体应用场景需求在MEC 系统中引入更多的网络能力。因此，理解应用的需求，推动网络及能力开放系统的进一步成熟，是未来5G MEC 网络能力开放的一项重要工作。