5G边缘云网业协同方案研究

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邮电设计技术/2021/09 —————————— 收稿日期：2021-07-19 1 概述 5G 给千行百业的 2C2B客户带来了前所未有的新 体验，这些均缘于 5G 新业务与网络连接的有效协同。 如高清云游戏身临其境的互动是由于 5G 边缘云消除 了 AR/VR 视频业务原有低效连接的眩晕感；智能安防 时大流量人群安检的快速报警，是5G边缘云解决了视 觉分析处理的算力瓶颈。 同时，这种网业协同还可以降低投资成本，进一 步推动了各行各业 5G边缘的部署；边缘云引入 5G后， 业务终端可以更加轻载，业务决策可以更加敏捷，工 厂制作可以更加精准，可以充分实现业务体验和投资 效益双赢；因此，智慧工厂、智慧港口、智慧医疗、智慧 城市、智慧园区等越来越多领域与 5G 边缘网携手，协 同使能创新业务创新模式，构建社会美好未来。 多 接 入 边 缘 计 算/云（Mobile / Multi-Acess Edge Computing/Cloud，MEC）主要是面向用户提供低时延、 大带宽的本地化业务处理，为用户提供差异化的服务 和感知。MEC 涉及的技术内容较广，包含了网络 CT 技术以及业务/云 IT 技术等，是运营商网络边缘侧的 ICT融合。 由于 MEC 重点提供的是差异化服务，所以一般会 5G边缘云网业协同方案研究 Research on 5G MEC Network and Service Collaboration Scheme 关键词： MEC；网业协同；能力开放；ME-Service；MP2 doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.09.011 文章编号：1007-3043（2021）09-0051-06 中图分类号：TN915 文献标识码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 摘 要： 随着 5G 的日益普及，越来越多的行业客户开始关注基于 5G 的 MEC，运营商也 一直希望通过 MEC 为行业客户带来差异化的网络能力和服务。在分析边缘云 网络及平台架构的基础上，结合 5G网络能力以及行业客户的重点业务需求，提 出了基于 MP2 等接口的网络能力开放及网业协同方案，为运营商 5G 边缘云网 业协同部署提供了借鉴和参考。 Abstract： With the increasing popularity of 5G，more and more industry customers begin to pay attention to MEC based on 5G，and the operators have always hoped to bring differentiated network capabilities and services to industry customers through MEC. Based on the analysis of the edge cloud network and platform architecture，combined with the 5G network capabilities and the key service needs of industry customers，it puts forward the network capability opening and network service collaboration scheme based on MP2 and other interfaces，which provides a reference for the cooperative deployment of 5G edge cloud net- work and service of operators. Keywords： MEC；Network and service collaboration；Capability opening；ME-Service；MP2 文 涛 1，谭 蓓 1，江晓筠 2（1. 中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南 郑州 450007；2. 中国联通河南分公司，河南 郑 州 450045） Wen Tao1，Tan Bei1，Jiang Xiaojun2（1. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd. Zhengzhou Branch， Zhengzhou 450007，China；2. China Unicom Henan Branch，Zhengzhou 450045，China） 文 涛，谭 蓓，江晓筠 5G边缘云网业协同方案研究 网业协同 Network and Service Collaboration 引用格式：文涛，谭蓓，江晓筠. 5G边缘云网业协同方案研究［J］. 邮电设计技术，2021（9）：51-56. 51 2021/09/DTPT 先以 2B为切入点，为行业客户提供运营商的网络能力 开放、IaaS/PaaS/SaaS 等能力，其中网络能力开放又与 当前 5G 网络的发展强相关，是运营商大力拓展 5G 在 行业应用的关键抓手，因此 MEC 的部署作为运营商发 展5G高价值业务的重要战略，被运营商寄予厚望。 对于电信运营商而言，网业协同一般指运营商为 其客户提供网络基础或增值服务能力，所提供的网络 能力可以帮助客户更好地实现其业务，网络及业务二 者协同，从而更好地提高产业效率，推动社会生产力 的发展。 5G 技术的引入大大提升了移动通信网络的性能 指标，更低的空口时延、更大的上下行带宽、更好的网 络能力开放性等都为网业协同奠定了技术基础。 MEC 与 5G 的结合使移动网用户的业务可以在网 络边缘侧处理，运营商网络能力、业务/云化算力的本 地化部署是使客户商业价值最大化的关键所在。当 前越来越多的行业客户开始将原有固定/Wi-Fi终端接 入替换为5G终端接入，接入方式的调整提升了业务移 动性和网络安全性，也为网业协同带来了更多的可能 性。 综上所述，运营商5G边缘的网业协同优势在于以 更低的成本有效提升了连接、分析及决策的实时性、 高效性、安全性，因此，5G边缘云成为运营商与行业协 同发展的关键利器，运营商也普遍将 5G 边缘云的“网 业协同”能力作为5G行业拓展的研究重点。 本文将在研究分析 MEC 网络及平台架构的基础 上，结合 5G边缘网络能力，提出 5G边缘云网业协同方 案的建议，为运营商提供借鉴和参考。 2 5G边缘云架构及协同方式 2.1 5G边缘云架构 5G 边缘云架构充分融合了 3GPP 5G 网络架构以 及 ETSI MEC 平台架构，总体的 5G 边缘云架构如图 1 所示。 2.1.1 3GPP 5G 网络架构 3GPP 5G 主要基于 NFV 虚拟化技术，其核心网基 于服务化的网络架构，实现了网络的定制化、开放化 及服务化。 如图 1 所示，5G 核心网通过服务化架构进行重 构，以网络功能（Network Function，NF）的方式重新定 义了网络实体，各 NF 对外提供独立的功能（服务）并 可互相调用，从而实现了从传统的刚性网络（网元固 定功能、网元间固定连接、固化信令交互等）向基于服 务的柔性网络的转变。各网络功能实体（NF）在功能 级别上解耦/拆分，互不依赖，独立运行。 服务化的接口、转控分离的架构、NEF/PCF 等网 元的定义都为 5G 网络能力的开放提供了更好的技术 和架构支撑。 2.1.2 ETSI MEC架构 ETSI 于 2016 年发布了 MEC 的参考架构，主要定 义了 MEO/MEAO、MEPM、MEP等核心功能组件。MEP （ME Platform）作为 MEC 节点的业务/应用管理器，部 署 于 各 MEC 节 点 。 MEPM（MEP Management）作 为 MEP 的编排管理器，负责 MEP 和边缘应用的生命周期 管理，在实际部署中，MEPM 还承担了边缘 IaaS/CaaS 资源的部署和管理功能。MEO/MEAO（ME Orchestra⁃ tor）主要用于和 OSS 系统对接，提供 MEC 业务的运维 运营支撑。 在边缘节点上，MEP 通过 MP2 接口与用户面（Da⁃ ta Plane）相连，提供流量引导控制能力，通过 MP1接口 与边缘应用（ME APP）相连，实现应用管理、能力开放 等。可以看出，ETSI MEC架构同样也基于网业协同的 需求进行了相关的功能设计。 2.2 5G边缘云网业协同方式 基于 5G边缘云的网业协同需要充分结合 5G无线 网、5G 核心网的各种能力（ME-Service），通过接口将 其开放给 MEC 平台系统，并通过平台系统开放给边缘 业务应用（ME APP）或者边缘客户，从而更好地为行业 客户提供基于网络能力的5G边缘差异化服务。 由图 1 可以看出，5G 边缘云网业协同可以有多种 图1 5G边缘云架构 CU/DU N2接口 N1接口 N4接口 N3接口 N6接口 ME APP MP2接口 MP1接口 N5接口 用户自服务 N33接口 MEC System Level Managemen MEP UE UPF AUSF AMF SMF PCF MEPM UDM PCF NEF NRF NSSF MEAO RAN info 3GPP网络架构 ETSI平台架构 文 涛，谭 蓓，江晓筠 5G边缘云网业协同方案研究 网业协同 Network and Service Collaboration 52 邮电设计技术/2021/09 方式及路径，并可以面向不同客户提供不同类型的网 络能力开放。 方式 1：MEP通过无线侧的接口获取 5G RAN侧能 力或配置权限，并将其通过 ETSI MP1接口开放给应用 程序，为客户应用提供基于无线网络能力的协同。 方式 2：MEP 与 UPF 通过 ETSI MP2 接口对接，获 取核心网用户面的网络能力及配置权限，并将其通过 ETSI MP1 接口开放给应用程序，为客户应用提供基于 核心网能力的协同。 方式 3：5G NEF/PCF统一获取 5G无线及核心网能 力，并与 MEC 平台系统对接，由 MEC 平台系统通过客 户自服务等方式，提供用户级网络能力开放。传统意 义上，MEC 平台系统更多地被网络侧认为是不可信系 统，通过 N33 接口与 5G NEF 对接；当前国内运营商则 一般采用自研自建 MEC 平台，因此也可以考虑通过 N5接口与PCF对接。 对于 5G边缘客户来说，客户非常看重网络能力的 本地化开放和能力与业务的协同，因此本文重点讨论 基于方式1和方式2的网络能力协同部署方案。 3 无线网络能力开放协同方案 3.1 开放的无线网络能力 运营商应可以面向 ME APP 应用或者行业客户提 供与边缘业务用户终端及基站相关的无线网络能力 开放，所开放的能力一般包括无线网络信息服务（Ra⁃ dio Network Information Service，RNIS）、位置服务（Lo⁃ cation Based Service，LBS）等。 3.1.1 无线网络信息服务 运营商许可授权的应用可以通过查询或者订阅 的方式，获得边缘终端移动性相关的无线网络信息， 从而更好地为终端及业务提供服务，可提供的信息主 要包括以下内容。 a）与用户数据平面相关的无线网络测量和统计 信息。 b）与 MEC 业务关联的小区所服务的终端相关信 息（例如终端上下文和无线接入承载信息）。 c）与 MEC 业务关联的小区所服务的终端相关信 息的更改等。 d）最新的关于无线网络状态的信息。 3.1.2 位置服务 通过 MEC 开放的位置服务与传统的位置服务差 异不大，主要是面向运营商许可授权的应用提供小区 ID、基于基站定位的经纬度位置信息等，可以提供的 信息一般包括以下内容。 a）与MEC业务关联的当前特定终端的位置信息。 b）与 MEC 业务关联的无线基站等当前服务的所 有终端的位置信息。 c）与 MEC 业务关联的当前特定类别终端的位置 信息。 d）与 MEC 业务关联的特定区域位置的终端列表 信息。 e）与MEC业务关联的基站节点的位置信息。 3.2 无线网络能力协同开放方式 无线网络能力开放最直接的方式是由 MEP 平台 与基站侧通过接口进行信息交互。国内运营商一般 都有自研的 MEP 平台，而基站厂家一般通过私有接口 提供无线网络能力，这给基于 MEC 的无线网络能力开 放增加了一定的部署难度。对于运营商而言，主要有 自定义无线网络能力接口和平台集成厂商无线能力 模块2种部署方案。 3.2.1 运营商自定义无线网络能力接口 运营商基于自有 MEP 平台，自研无线网络能力开 放模块，并标准化该模块与基站侧接口，由基站厂家 进行定制开发，具体如图2所示。 该种方式下，运营商通过统一的标准定义实现面 向基站接口的标准化，便于运营商管理网络能力，从 无线侧获取的能力通过 MEP 与应用之间的 MP1 接口 面向应用开放。 3.2.2 模块化部署厂商提供的无线网络能力 基站厂家一般都具备私有化的基站能力接口开 放模块，将其作为一种应用直接注册于运营商自有 MEP 之上，并通过 MEP 向边缘应用开放，具体如图 3 所示。 该种方式对于运营商 MEP 平台能力要求相对较 低，更易实现部署，但是厂家依赖性强，不利于运营商 图2 运营商自定义无线网络能力开放方式 ME APP 运营商自定义接口 运营商无 线网络能 力模块 MP1接口 DNS解 析模块 … MEP 基站2 基站1 文 涛，谭 蓓，江晓筠 5G边缘云网业协同方案研究 网业协同 Network and Service Collaboration 53 2021/09/DTPT 对无线网络能力的规范化管理。 上述 2种方式技术上均可以实现无线相关的能力 开放，从运营商网络能力统一管理的角度，建议选择 自定义无线网络能力接口的方式。 4 核心网能力开放协同方案 4.1 开放的核心网络能力 在基于 5G的边缘计算架构中，UPF等核心网元一 般直接部署在行业客户侧边缘机房，与 MEP 就近部 署，因此运营商 5G 核心网络能力的开放，对于行业客 户是十分重要的网业协同抓手。而 UPF 作为本地部 署网元，也具备了核心网能力开放的先决优势。 如 2.2 节中所述，5G MEC 基于 UPF 与 MEP 的接口 MP2来实现能力开放，这是最便捷的网业协同方式，当 前运营商也都逐渐开始关注 MP2 接口的标准化定义 工作，期望通过 MP2 接口开放更多的网络能力。本章 后续提到的能力和方案均基于MP2接口承载。 4.2 基于核心网络能力的网业协同方案 基于5G的核心网络能力开放，依托于UPF相关的 用户面功能，可以提供 IP 分流规则的配置、DNS 规则 配置、黑白名单控制、带宽管理、流量管理、终端信息 查询等能力。 4.2.1 IP分流规则配置 图 4展示了边缘平台部署新的业务应用 ME APP2 之后，MEP 与 UPF 交互并配置分流规则的流程。在步 骤④中，MEP 下发规则的操作可以通过 MEP 平台开放 给 ME APP2 或者通过边缘侧部署的自服务系统开放 给行业客户，由客户按需进行配置。 MEP 与 UPF 通过 MP2 接口协商，对每条分流规则 图3 运营商平台集成厂商无线能力模块方式 图4 IP分流规则配置流程 ME APP DNS解 析模块 … MP1接口 MEP 基站2 基站1 厂家A私 有接口 厂家B私 有接口 厂家A无 线能力 厂家B无 线能力 ⑦UPF对新地址172.0.0.2也执行本地分流 ②UPF对172.0.0.1执行本地分流，其他地址不分流 ③新部署业务， 地址为172.0.0.2 ME APP2 ①已有业务、 APP1访问 目的地址为172.0.0.2 目的地址为172.0.0.1 ⑥UE发起对 APP2访问 ⑤UPF配置新分流规 则，并向MEP返回确认 ④MEP下发IP分流规则， 目的地址为172.0.0.2 172.0.0.1 172.0.0.2 UE MEP UPF ME APP1 都进行唯一 ID 标识，确定规则标识后，MEP 可以按需 向 UPF 下发针对特定规则条目的修改、删除及更新工 作，并可以发起向 UPF 的分流规则查询工作，确定当 前UPF的规则配置情况。 基于上述能力，行业客户可以根据边缘平台上业 务应用部署情况，按需随时进行业务流量本地分流规 则的配置工作，随时响应业务需求，大大提升网业协 同效率。 4.2.2 DNS规则配置 图 5展示了当边缘平台部署新的基于域名访问的 业务应用 ME APP2 之后，MEP 与 UPF 交互并配置 DNS 规则的流程。在 ETSI 定义中，MEP 应支持 DNS han⁃ dling 能力，MEP 将 DNS 请求的监听规则配置给 UPF， 并通过自身的 DNS 解析能力返回 DNS 响应，从而实现 业务的正确引流。在步骤④中，MEP 下发规则的操作 同样可以通过 MEP 平台开放给 ME APP2 或者通过边 缘侧部署的自服务系统开放给行业客户，由客户按需 进行配置。 本文建议针对每条 DNS 域名规则都进行唯一 ID 标识，以便 MEP 可以按需向 UPF 下发针对特定规则条 文 涛，谭 蓓，江晓筠 5G边缘云网业协同方案研究 网业协同 Network and Service Collaboration 54 邮电设计技术/2021/09 目的修改、删除及更新工作，并可以发起向 UPF 的 DNS规则查询工作，确定当前UPF的规则配置情况。 与 IP 分流规则类似，DNS 规则配置适用于基于域 名访问的业务应用场景。DNS 规则与 IP 规则结合，可 以实现特定域名业务的边缘引流工作。 4.2.3 黑白名单控制 UPF与平台联动可以为行业客户提供边缘应用的 终端访问控制能力，黑名单内的终端不允许访问某边 缘应用，白名单内的终端可以访问某边缘应用。根据 行业客户需要控制的终端范围，黑白名单可以结合使 用，以黑名单为例，其业务流程如图6所示。 黑白名单规则一般与特定的应用地址相匹配，由 UPF 做 UE 标识和应用地址的访问权限配置，UE 标识 一般可以是用户的IMSI、MSISDN、SUPI、GPSI等。 黑白名单功能适用于行业客户侧终端经常变动 的场景，为用户提供灵活便利的访问权限控制。 4.2.4 带宽及流量管理 带宽管理及流量管理较为类似，均是通过 UPF 与 平台联动，为行业客户提供面向特定应用的阈值管理 工作，其中带宽管理建议支持应用级管理和承载级管 理，流量管理面向应用级提供支持即可。以承载级带 宽管理能力为例，其业务流程如图7所示。 当运营商或者行业客户