面向邊緣計算的5G增強技術探討

【摘? 要】

邊緣計算通過將云計算和云存儲部署到移動網絡邊緣，更近距離地為移動客戶提供低時延高可靠的數據服務，成為5G網絡最重要的關鍵技術之一。5G網絡在3GPP Rel15第一版標準中支持邊緣計算，并在隨后的版本中不斷增強。依據Rel17版本，研究面向邊緣計算的5G網絡增強技術，包括邊緣應用業務、信息開放、本地流量路由導向等問題，分析邊緣應用服務器的發現機制、遷移機制并對移動邊緣計算標準動向和技術發展方向進行了展望。

【關鍵詞】邊緣計算;5G;增強技術;EAS發現

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.016? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0072-06

引用格式：王海梅. 面向邊緣計算的5G增強技術探討[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 72-77.

Discussion on 5G Enhancement Technologies for Edge Computing

WANG Haimei

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

Edge computing has become one of the most important key technologies of 5G network by deploying cloud computing and storage to the edge of the mobile network to provide mobile customers with low-latency and high-reliability data services. 5G networks support edge computing in the first version of the 3GPP Rel15 standard and continuously enhance it in subsequent versions. According to the Rel17 version， this paper investigates 5G enhancement technologies for edge computing， including edge application services， information openness， local traffic routing， etc.， analyzes the discovery and relocation mechanism of edge application server， and prospects the trend of mobile edge computing standards and the technical development.

[Key words]MEC; 5G; enhancement technologies; EAS discovery

0? ?引言

目前迅猛發展的5G移動網絡，將為各行各業提供eMBB高帶寬、URLLC低時延、mMTC大連接的萬物互聯業務，MEC（Multi-Access Edge Computing）邊緣計算正是助力5G移動網絡實現業務本地化、數字化、智能化的技術熱點。5G網絡如何有效地與邊緣計算相結合，降低業務時延和帶寬開銷，提升業務體驗和數據安全一直都是業界研究的焦點。如今，3GPP SA2在Rel17階段通過了5G邊緣計算特性增強項目，將更深入地研究面向邊緣計算的5G網絡一系列增強技術問題。本文將依據3GPP Rel17標準，分析面向多接入邊緣計算的5G網絡增強技術特點，探討關鍵問題的解決方案和后續的發展方向。

1? ?5G移動邊緣計算標準進展

ETSI于2014年成立移動邊緣計算規范工作組，開始移動邊緣計算標準化的工作，其基本思想是把云計算平臺從移動核心網絡內部遷移到移動接入網邊緣，實現計算及存儲資源的彈性利用。自2014年以來，ETSI MEC ISG對MEC的標準化做了很多工作，包括MEC概念、需求、架構、用例和部署等。MEC最初特指移動網絡中的邊緣計算，隨著研究的深入，在2017年3月，ETSI將MEC中“M”的定義做了進一步擴展，使其不局限于移動接入，也涵蓋Wi-Fi接入、固定接入等其他非3GPP接入方式，將移動邊緣計算從電信蜂窩網絡延伸至其他無線接入網絡，“移動邊緣計算”的概念也變為“多接入邊緣計算”。

結合ETSI MEC定義的內容，3GPP標準從5G網絡架構設計之初就考慮了對邊緣計算的支持，同時在后續演進版本中不斷增強。Rel15版本定義了支持業務連續性的3種模式，支持邊緣計算的會話管理架構，支持本地分流（UL/CL、BP和LADN）;Rel16版本針對業務場景對邊緣計算的技術點進行改進，如支持URLLC業務;Rel17版本建立了邊緣計算特性增強項目，重點研究邊緣業務發現、應用遷移以及如何高質量地為邊緣應用平臺提供所需的網絡信息等內容，目前諸多解決方案還在持續討論之中。

2? ? 5G網絡邊緣計算增強特性關鍵技術

2.1? 5G網絡邊緣計算融合架構

5G移動網絡從Rel15標準設計上原生支持邊緣計算，提供架構、移動性、會話管理等方面能力，依據TS23.501 5GC的系統架構圖，結合ETSI的邊緣計算平臺，圖1給出了5G網絡邊緣計算融合的系統架構：

圖1中邊緣相關的功能由ETSI定義的MEC平臺系統實現，5G邊緣計算需要與包括NFVO、BOSS系統、能力開放、安全、網絡支撐和基礎設施在內的技術領域和系統平臺進行協同。UPF實現5G邊緣計算的數據面功能，邊緣計算平臺系統為邊緣應用提供運行環境并實現對邊緣應用的管理。根據具體的應用場景，UPF和邊緣計算平臺可以分開部署，也可以一體化部署。5G核心網SMF選擇靠近終端的UPF，實現本地路由建立和數據分流;5G本地分流方式共有三種，即UL/CL方式、BP方式以及LADN。PCF為本地數據提供QoS控制策略和計費策略。不同SSC模式的引入，滿足應用的業務連續性需求。作為AF的一種特殊形式，MEC 將5G移動網絡與互聯網業務進行深度融合，減少用戶業務交互的端到端時延，同時通過與無線網絡的交互，充分利用網絡開放信息，為客戶提供更優越的用戶體驗。

2.2? 5G網絡邊緣計算增強特性場景及關鍵問題

Rel17研究了多種邊緣應用部署場景下，5G移動網絡需要增強的技術問題。TR23.748中給出了5GC與多個邊緣應用服務器（EAS）的網絡架構假設（如圖2和圖3），根據網絡中是否存在分流UL CL/BP，5GC提供三種保持業務連續性的模式來支持多邊緣計算環境：

（1）分布式錨點。PDU會話錨點在網絡中移動到很遠的地方，即本地站點。對于所有的用戶PDU會話流量都是一樣的。重新錨定（ssc# 2和ssc# 3）在移動長距離時優化所有應用程序的流量路由。

（2）會話分流。PDU會話在中心站點中有一個PDU會話錨點，在本地站點中有一個PDU會話錨點。其中只有一個提供IP錨點。利用UL分類器或多點BP技術，將邊緣計算應用流量選擇性地轉移到本地PDU會話錨點。重新錨定本地PDU會話錨點在用戶移動時為本地分流的流量優化流量路由。

（3）多PDU會話。邊緣計算應用程序使用本地站點中帶有PDU會話錨點的特定PDU會話。其余的應用程序使用帶有中心PDU會話錨的PDU會話。應用程序和PDU會話之間的映射由URSP規則控制。

5GC網絡架構支持多邊緣應用平臺存在四種情況：UE對MEC無感知、UE感知MEC、應用無感知MEC、應用感知MEC。UE中的應用程序客戶端可以同時使用多個邊緣計算平臺提供的差異化業務，而無需感知特定的邊緣計算環境。多邊緣計算環境可以由網絡運營商建設管理，也可以由第三方控制，可以連接到多個PLMN，可以與中心網絡沒有任何連接。針對這種多種不同邊緣應用平臺的場景，5G邊緣計算增強項目提出了以下關鍵問題：

（1）邊緣應用服務器（EAS）的發現機制

在邊緣計算部署中，UE的數據業務可能由部署在不同站點的多個EAS提供服務。承載相同業務的這些EAS實例可以使用單個IP地址或不同的IP地址。UE開始連接到服務之前，需要發現一個合適的邊緣服務器IP地址，這樣UE的業務流量可以通過UL CL/BP分流到邊緣應用服務器。業務時延、路由線路以及用戶體驗都可以得到優化。此外，當UE移動到很遠的地方時，邊緣應用程序服務器將不再是最優化的，可以使用新的邊緣應用程序服務器代替舊的邊緣應用程序服務器來為應用程序/UE服務。邊緣應用服務器的重新選擇可以由5GS或應用層中的事件觸發。在第一種情況下，它可以由網絡發起的用戶平面變化如移動事件切換、一次失敗事件觸發;第二種情況下，可以由于EAS可能變得擁塞或不可用觸發。這取決于UE上的業務是否能夠容忍EAS的更改。為了更好地支持有效地發現EAS，5G網絡還需要研究以下幾個方面的內容：

1）UE如何發現合適的邊緣應用服務器;

2）考慮UE需要感知或者不感知邊緣主機環境中有應用服務器的場景;

3）使用什么信息可以輔助這樣的發現機制;

4）通過這樣的發現機制可以發現有關EAS的哪些額外信息。

當EAS變得非最優或不可用時，如何支持UE 重新發現邊緣應用服務器，是否需要確保邊緣應用服務器的發現與PSA UPF的選擇和重新選擇共同進行，如果需要，如何實現都是本文將要探討的問題。所有的解決方案都是基于現有的機制如DNS、SFC技術或者行業實踐，以避免或至少最小化對業務的影響。EAS發現機制不會將網絡運營商限制在特定的邊緣平臺上，這樣可以更好地適用于任何邊緣主機模型，所有的解決方案中如果使用DNS，要考慮業務同時使用不同PSA的場景。

（2）應用遷移，EAS重定向，業務連續性保障

隨著邊緣計算在5G系統中的部署，需要考慮UE移動性和應用服務器的重定向。例如，當UE在跨5G系統中移動時，UE位置會發生變化，需要網絡和邊緣來處理UE位置的變化。UE移動性和應用服務器重定向的主要場景如下：

1）業務邊緣應用服務器的改變，例如由于服務邊緣應用服務器變得擁塞或處于停機狀態。假設EAS的IP地址改變了。

根據UE的位置改變DNAI以便更好地服務于UE。這可能意味著EAS的IP地址發生了變化，但在某些情況下，只要UE事務沒有結束，就可以保留舊的EAS。

2）上述情況下，如何保證用戶業務的連續性是網絡需要考慮解決的問題。實際的解決方案需要考慮觸發機制，EAS的重新尋址，EAS的無縫切換等關鍵過程。

（3）網絡向本地邊緣應用平臺快速提供網絡信息

EAS需要與5GS進行交互才能訪問網絡信息或者向5GS提供信息以保證業務的連續性，5GS與邊緣計算功能之間需要公開交互的信息一直都是研究的焦點。作為研究的一部分，需要考慮網絡開放的時延。目前5GS網絡開放機制基于NEF以及AMF、SMF、PCF等控制網元，對于部署在邊緣主機環境中的應用程序，邊緣應用程序服務器或應用程序功能可以在本地部署，而一些控制網元例如NEF、PCF可能集中部署，這導致了較長的網絡信息開放時延。對于一些需要開放的網絡信息，較長的開放時延是不能容忍的，但是一些實時網絡信息，如網絡擁塞或者實時的用戶路徑時延頻繁變更，如果需要及時將這些信息傳遞給應用服務器或應用程序功能，不希望出現的延遲可能會使這些信息過時，從而導致UE會根據過時的網絡信息調整其行為，例如，調整視頻流的分辨率或驅動自動化的切換級別。需要在網絡和AF之間快速交換的QoS信息主要包括以下兩點：

1）可以訂閱接收QoS擁塞條件的通知;

2）AF可以請求5GS來監視QoS狀態（例如，空口或端到端數據路徑）并接收QoS測量報告。

網絡還需要研究以下幾點，來確定5GS向邊緣平臺的應用傳遞信息：

1）5GS如何確定是否需要以低延遲公開網絡信息;

2）如何向部署在邊緣中的應用程序公開網絡信息且延遲較低;

3）當UE移出支持開放的網元覆蓋范圍時，是否維持開放以及如何維持開放。

2.3? 關于EAS發現機制的解決方案

針對多個邊緣服務器發現機制，目前有多種方案在探討中：

（1）將URSP配置給UE，為邊緣應用業務建立PDU會話

在當前的研究架構中，UE需要與應用業務建立有特定特征的連接，例如到特定的切片或專用數據網（DN）或SSC模式2或SSC模式3，5GC在PDU會話建立過程中需要根據UE的位置以及相應的業務需求為UE提供合適的EAS接入。為了使EAS的發現機制更準確，使得合適的PDU會話與選定的EAS通信，5GC可以提供包含URSP規則組成的策略配置，URSP規則可以由UE本地配置，也可以在配置更新過程中提供，在初試注冊或者移動更新注冊時，UE可以包含相應的策略容器，以便從5GC接收URSP規則。此外，為了更新由于UE遷移而產生的URSP規則，應用程序功能（AF）需要從5GC訂閱UE位置信息。

此種方案需要對AF功能進行相應的增強，以便AF能夠根據URSP規則在會話基礎上配置邊緣業務參數，如在AF請求中包括FQDN或者EAS的IP地址列表。而PCF需要基于AF請求的信息決策URSP規則，如EAS IP地址或者FQDN以及標準的位置。

URSP配置流程如圖4，基本的注冊流程參照TS23.502執行。

首先，AF的應用層通過NEF向PCF提供邊緣應用流量的策略需求，在策略適用的地方可以指示位置信息。當UE執行注冊時，UE在注冊請求中應包含UE策略容器。AMF根據UE策略容器決定與PCF建立UE策略關聯。PCF依據UE的位置信息以及策略簽約信息執行UE配置更新流程來為UE提供URSP規則。PCF基于AF請求的策略來決定URSP規則。URSP規則包含DNN、S-NSSAI以及相關的用來匹配邊緣應用流量的網絡參數，例如從安裝在UE上的邊緣應用程序客戶端到邊緣應用程序服務器的流量。如果AF在策略請求中攜帶一個或多個位置信息，PCF在URSP規則的RSD部分中也會包含相應的位置信息。PCF可以為特定邊緣DN使用URSP規則中的特定的策略子句，靈活配置，使得UE更準確地接收EAS相關信息，及時準確地執行EAS發現。另外，網絡運營者還可以在UE本地配置URSP。當UE需要發送業務到邊緣應用時，UE通過發送針對邊緣服務FQDN的DNS查詢來觸發EAS發現。URSP規則還可以根據位置做多種不同的配置，使得UE在不同位置可以應用不同的規則。

（2）基于本地DNS的邊緣服務器地址

邊緣計算服務的業務區域包括本地業務區域列表如圖5所示的本地業務區域1和本地業務區域2。由于邊緣計算服務是由不同的邊緣服務器在不同的本地業務區域提供的，DNS可以在本地進行授權部署，為本地業務區域的邊緣服務器提供地址查詢服務。在PDU會話建立過程中，通過ePCO將本地DNS提供給UE。

此種方式分三種場景，執行EAS發現：

首先在UE需要使用邊緣應用業務，而UE又恰好在EC服務的本地區域時，UE將觸發PDU會話建立過程，SMF將根據UE的位置，為UE配置一個本地DNS地址，DNS地址可以通過PDU建立過程中ePCO提供給UE。如果所請求的FQDN沒有存儲IP地址，則應用客戶端調用UE內核來觸發一個DNS請求，此請求使用FQDN從網絡獲取DNS地址。本地DNS發送DNS地址響應，包含與請求的FQDN對應的邊緣服務器地址給UE，UE存儲DNS查詢記錄，包括FQDN和相關的IP地址。

另外兩種場景分別是在UL CL/BP場景下提供本地DNS服務器地址以及在SSC模式2或者模式3場景下提供本地DNS服務器地址，流程上都是通過PDU會話建立或者修改過程，從SMF獲得相應的邊緣服務器地址信息。此種方式需要SMF能夠基于UE的位置信息為UE配置本地DNS地址。

（3）DNS AF

此方案以支持“會話分流”連續性模型以及為邊緣計算動態插入本地PSA技術點為前提。運營商將部署一個新的DNS組件，這個組件被稱為DNS AF，它被部署在NAT之前的移動網絡中。DNS AF擁有一個轉換表，它將給定的用戶位置和應用程序FQDN映射到首選的PDU會話錨點中，包括DNAI和完整IP地址的信息，它還具有IP地址范圍，UE可以與AF（s）通信時使用這些IP地址。

DNS AF參與邊緣服務認證UEs的DNS通信，例如，在PDU會話建立時，SMF將DNS AF地址發送給UE。DNS AF接收與EAS相關的UE DNS請求，授權UE，獲取UE位置信息，并優先為該UE確定至少一個合適的本地 PSA。5GC通過向DNS請求添加相應的N6訪問位置或將DNS請求轉發到服務于UE位置的DNS來幫助發現最適合PSA的應用服務器。在此階段，由業務提供者選擇與給定位置匹配的合適EAS。業務提供者可以使用ECS選項將信息反饋給移動網絡，以確定選擇是否根據所提供的信息進行了調整。然后核心網插入UL CL并相應地設置業務流量控制。

（4）基于DNAI的SMF/I-SMF插入

此解決方案既適用于會話分流連接模型，也適用于多個PDU會話連接模型。在這個解決方案中，假設DNS服務器部署在邊緣主機環境中。DNS服務器用于在邊緣主機環境中發現EAS。利用AF影響流量機制來激活面向邊緣主機環境的流量路由。AF請求信息作為數據集存儲在UDR中，通過UDR->PCF->AMF->SMF（I-SMF）過程，傳遞給AMF，AMF可以根據請求的DNAI（s）選擇SMF或I-SMF。SMF最后將I-UPF配置為DNS查詢消息路由到邊緣主機環境。AF流量影響請求信息包括FQDN或DNS服務器地址。SMF配置I-UPF，因此當UE使用目標FQDN或目標DNS服務器地址發送DNS查詢時，I-UPF可以將DNS查詢消息路由到邊緣主機環境中的DNS服務器，以發現EAS IP地址。

除了上述幾種解決方案，還有諸如DNS認證服務器提供關于UE位置的IP尋址信息、使用DNS和IP路由的服務器發現、基于DNS的EAS發現等多種EAS發現機制也在Rel17中給出了探討，這里將不做更多的討論。

3? ?結束語

隨著邊緣計算部署的發展和擴大，面向邊緣計算的5G移動網絡標準一直在不斷的推進和完善中，Rel17邊緣計算特性增強項目一直在持續探討相關的問題和解決方案。隨著MEC在各行各業的不斷應用，相關標準也必將被推動著快速前進，MEC將成為5G移動網絡的廣泛存在，為未來萬物的互聯創造無限可能。

參考文獻：

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[2]? ? 3GPP. 3GPP TS 23.502： Procedures for the 5G System; Stage 2[S]. 2020.

[3]? ?3GPP. 3GPP TR 23.748： Study on enhancement of??support for Edge Computing in 5G Core network[R].?2020.

[4]? ?張建敏，楊峰義，武洲云，等. 多接入邊緣計算（MEC）及關鍵技術[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2019.★

作者簡介

王海梅（orcid.org/0000-0001-7177-3308）：工程師，碩士畢業于北京交通大學，現任職于中國信息通信研究院技術與標準研究所，主要研究方向為移動通信核心網標準與技術。