5G網絡能力開放部署及關鍵技術方案

林奕琳，何宇鋒，劉玉芹，單雨威

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

移動網絡能力開放有助于繁榮互聯網應用的業務發展，提升運營商網絡附加值，并帶來用戶體驗的提升，取得運營商、應用服務商、用戶三方共贏的協同發展格局，一直以來是研究和關注的熱點。國際和國內標準組織都廣泛關注網絡能力開放相關問題，3GPP 已經從移動網絡業務能力開放的場景、需求、能力開放架構和關鍵技術等幾個方面展開了深入研究。我國IMT2020（5G 推進組）網絡組也成立了能力開放子組，重點研究面向5G 網絡能力開放的場景以及能力開放對5G 網絡的影響等問題。

5G 基于服務的網絡架構使得網絡的部署更加靈活、開放，新業務的開發及網絡功能的演進更加高效，對垂直行業的支持性也更加友好?；谶@一基礎優勢，網絡能力開放的功能、部署及關鍵問題等方面需要與5G 網絡架構進行同步的研究和突破?；诖?，本文對5G 網絡能力開放的框架及網絡能力、部署方案及策略建議、部署關鍵問題及方案進行了研究及總結。

1 5G網絡能力開放架構及能力

1.1 3GPP標準的5G網絡能力開放架構、能力

在能力開放方面，3GPP 標準引入NEF（Network Exposure Function，網絡開放功能），由NEF 提供5G網絡能力的匯聚及對外開放，包括對內面向其他5GC（5G Core Network，5G 核心網絡）網元以及對外面向AF（Application Function，應用功能）開放，與4G 網絡不同，在5G 網絡中NEF 通過服務化架構以總線方式與所有其他5GC 網元對接。如圖1 所示[2]，NEF 南向與其他5GC網元對接，北向通過N33/Nnef 接口提供能力API 接口供AF 調用。NEF 支持對外開放的典型5G 網絡能力包括事件監控、QoS、參數配置、計費和流量引導能力等。

圖1 5G NEF架構

（1）事件監控能力

NEF 通過與5G 其他網元的對接，實現對應網元事件的監控。AF通過NEF 向UDM（Unified Data Management，統一數據管理）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動管理功能）或SMF（Session Management Function，會話管理功能）訂閱特定的監控事件，并通過NEF 接收來自UDM、AMF 或SMF 的事件報告。監控事件包括連接丟失、UE 可達性、位置報告、SUPI（Subscription Permanent Identifier，用戶永久標識）-PEI（Permanent Equipment Identifier，永久設備標識）關聯變化、漫游狀態、通信失敗、下行通信恢復、PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）會話狀態、特定區域內用戶數、CN（Core Network，核心網絡）類型改變、下行數據傳輸狀態以及UE 短信發送可達性等。NEF 根據監控事件訂閱中指定的最大報告數量或時長判斷是否已經達到接收報告的最大數或時間期限，判斷是否向UDM、AMF 或SMF 等網元取消監控事件訂閱。

（2）QoS 能力

AF 可通過QoS 能力為應用或應用中的會話請求分配帶寬和帶寬優先級等。AF 發送應用對應的QoS 保障請求信息給NEF，NEF 將收到的QoS 信息發送給PCF（Policy Control Function，策略控制功能）。QoS 保障請求信息包括UE IP 地址、上下行IP 流描述、QoS 參考標識、數據連接的時長或流量描述等。PCF 完成策略的下發。NEF 在收到PCF 的回復時，通知AF 請求的QoS 是否被接納。

（3）參數配置能力

參數配置能力允許AF 向網絡提供UE 相關信息（如可預測的UE 行為參數、網絡配置參數或位置隱私指示）或者5G VN（Virtual Network，虛擬網絡）組相關信息（如5G VN 組數據或組成員管理）?？深A測的UE 行為參數（包括計劃移動軌跡、周期性通信間隔等）刻畫一個或一組UE 的預期行為，網絡配置參數包括UE 處于可達狀態的最大時長、UE 下行數據傳輸可接受的最大時延等。這部分參數可作為UE 簽約數據的一部分，存儲在UDM 的數據庫中，并支持AF 通過NEF 對相關參數進行新增、更新及刪除等操作。UDM 會將相關參數變化情況發送給訂閱簽約數據變更通知的其它網元，使得對相關參數的配置實際生效。

（4）計費能力

計費能力支持AF 在會話建立或會話進行過程中請求改變網絡計費方。AF 提供計費方控制信息給NEF，NEF將其轉發給PCF，PCF 根據收到的信息更新對應的PCC（Policy and Charging Control，策略和計費控制）計費策略，使得網絡在后續的話單中體現新的計費方信息。

（5）流量引導能力

流量引導能力支持AF 請求對特定的業務流，根據終端位置選擇盡量短的用戶面路徑。如當AF 面向一個UE（使用IP 地址標識該UE）創建或修改流量引導策略，NEF 將AF 創建或修改流量引導策略的請求提交PCF，由PCF 完成相關策略的下發。最終網絡根據用戶的位置等判決依據，在用戶面路徑中插入（或刪除）一個ULCL UPF，實現流量的本地分流。

1.2 網絡能力開放框架標準CAPIF

為了標準化地集成網絡服務并開放給應用層，避免API 能力開放標準的碎片化，3GPP TS 23.222 定義了CAPIF（Common API Framework，通用API 框架）能力開放框架標準作為通用標準[3]，網絡架構如圖2 所示，系統架構中包括以下功能實體：

圖2 基于CAPIF的網絡架構

（1）API invoker：API 調用方，一般為第三方應用程序，相當于上文所述的AF，可部署在運營商網絡可信域內或域外。

（2）CCF（CAPIF Core Function，CAPIF 核心功能）：具體功能包括API 發現（針對API invoker），基于API invoker 信息、API 信息等進行API 調用前認證，使用API 之前的授權，日志和計費等功能。CCF 提供了API的所有控制有關功能。

（3）AEF（API Exposing Function，API 開放功能）：服務API 的提供者，API invoker 到服務API 的入口，與CCF 配合實現對API invoker 的認證/授權，記錄服務API 的調用日志并發送給CCF。

（4）APF（API Publishing Function，API 發布功能）：提供API 信息發布功能，向CCF 發布API 信息，以便API invoker 可以發現API 服務。

（5）AMF（API Management Function，API 管理功能）：提供管理API 的功能。

當前CAPIF 在3GPP 標準中是可選功能，如果網絡支持CAPIF，則NEF 主要承擔CAPIF 框架中API provider domain（API 提供者域）相關功能，即AEF、APF 以及AMF。

2 5G網絡能力開放部署方案及策略建議

3GPP 更多關注的是NEF 功能、標準接口的制定，而運營商在建設部署NEF 時需綜合考慮業務場景需求、業務靈活性、5GC 建設現狀等因素。本節結合以上考慮，介紹3 種NEF 部署方案并對比分析。

2.1 NEF全國集中部署方案

在NEF 全國集中部署方案場景下（如圖3 所示），全國NEF 直接對接各省或大區5GC 網元（如PCF、UDM、AMF 和SMF 等），各層級業務運營平臺需通過全國NEF 進行具體的5G 網絡能力調用。

圖3 NEF全國集中部署

典型場景：5G 2B（To-Business）集約場景。為更好發揮集約運營優勢，適配5G 2B 業務發展，5G 2B 業務（特別是物聯網業務）多采用集約組網方式部署，集約組網網元一般包含負責業務策略及用戶數據存儲/ 簽約的PCF、UDM。因此在5G 2B 集約場景下，建議部署全國集中NEF 與5G 2B 集約網元對接，進行QoS、數據配置、狀態監控等網絡開放能力的調用，可避免多平臺對同一用戶的策略沖突調用，同時也節約了建設部署資源。

存在的問題：5G 網絡能力開放調用請求需匯聚到集中部署的全國NEF，再路由分發到各實際承載網絡能力的網元，存在一定的路由迂回，對能力調用有快速響應需求的業務場景有影響。另外，一些特定的5G 網絡能力調用（如區域用戶數查詢）需在NEF 預配置關系表（如位置標識與網絡標識之間的映射），在全國NEF 維護的這張“映射表”配置工作量大。最后，由于省份的業務平臺需接入到全國NEF，因此在發展省份特色業務時，存在著業務部署/ 開通相對不靈活、工單流程長的問題。

2.2 NEF全國、省份兩級部署方案

在NEF 全國、省份兩級部署方案場景下（如圖4 所示），兩級NEF 之間支持消息路由機制，由省份NEF 對接各省PCF、UDM、AMF、SMF 等5GC 網元進行具體的5G 網絡能力調用，各層級業務運營平臺按需對接全國NEF 或省份NEF。此部署方案既可支持全國“一點接入，統一運營”，也能很好地支持各省開展特色業務。

圖4 NEF全國、省份兩級部署

典型場景：OTT、全國/省份特色能力；邊緣應用業務需求[4]。相對于4G，5G 網絡能力開放新引入了應用影響路由的能力（Application Function influence on traffic routing）[1-2,5]。MEC 場景下，應用向NEF 請求在用戶建立的PDU Session（PDU 會話）路徑中插入上行分類器（UL CL,Uplink Classifier）進行邊緣分流，實現業務數據的靈活路由。同時，應用可結合NEF 開放的位置訂閱功能，在5G 用戶移動到MEC 邊緣區域時及時觸發分流的實現。因此，為減少業務調用時延，NEF 需與5GC 控制面網元同級部署，兩級部署方案中的省級NEF 可很好滿足此需求。

需考慮的問題：研究漫游場景下的會話綁定方案及不同的5G 網絡能力消息路由機制。對于這兩個問題，本文將在下一節進行詳述。另外，為兼顧各種對時延敏感、可靠性要求高的應用的需求，此方案還能結合5GC 的部署延伸至三級部署方案，即增加邊緣平臺一層，但方案的總體投資成本高，平臺建設周期稍長（可以基于市場需求驅動、投入產出情況，分批、分步部署）。

2.3 NEF省份網狀部署

在NEF 省份網狀部署方案場景下（如圖5 所示），各省設置NEF 負責省份業務，對于全國業務以及漫游場景，需由省份NEF 之間負責路由轉發，最后分發到實際承載網絡能力的5GC 網元。

圖5 NEF省份網狀部署

典型場景：由于NEF 不是5G 網絡建設初期的必選網元，省份會根據各自業務發展需求考慮NEF 的建設，因此可能會出現部分“業務大省”率先建設NEF 的情況。隨著業務需求的增加以及5G 網絡建設的逐步完善，NEF 省份網狀部署的結構可能演進為全國、省份兩級部署結構。

需考慮的問題：作為5G 網絡初期的一種可能形態，NEF省份網狀部署未能發揮集約運營優勢，后期發展限制性較大。

2.4 NEF部署方案對比

本節從業務運營、業務響應、建設需求等方面重點對NEF 集中部署、NEF 兩級部署方案進行對比，詳見表1（網狀部署方案作為兩級部署方案的前期形態，具體對比可參考兩級部署方案的分析）。

表1 NEF部署方案對比

NEF 全國集中部署有著集約運營的優勢，初期建設需求小，投資成本低，但存在著業務響應時延大、難以快速滿足不同應用場景的需求、配置維護復雜、容災壓力大等不足。NEF 兩級部署可靈活解決以上的不足，還能按需擴展至三級部署，但由于引入了多級NEF 路由機制，因此網絡能力調用過程中多了路由跳數，并且相比集中部署方案，兩級部署的初期建設投入大、周期較長。運營商在部署NEF 時，可結合自身實際的5GC 網絡建設、業務需求等因素進行選擇。

3 5G網絡能力開放部署關鍵問題及方案

上一節中提到，運營商部署NEF 時需解決漫游場景下的會話綁定問題，是由于用戶建立PDU 會話時，SMF會通過N7 接口向PCF 獲取PCC 規則，在NEF 收到來自應用的PCC 策略相關能力調用請求時，NEF 需要尋址到上述為當前用戶服務的PCF。比如在QoS 能力調用時，NEF 通過尋址到當前用戶PDU 會話的服務PCF，實現用戶的業務數據流（Service Data Flow）和特定的QoS 流（specific QoS Flow）的唯一關聯。

當網絡中部署多個可單獨尋址的PCF 時，3GPP 在5G規范[2,5-6]引入了BSF（Binding Support Function，綁定支持功能）實現5G 用戶PDU 會話綁定功能，BSF 針對每一個PDU 會話，存儲用戶標識、DNN（Data Network Name，數據網絡名）、UE 地址（IP 地址或MAC 地址等）、SMF 已選擇的PCF 的地址等會話綁定信息，以確保基于UE 地址識別UE 的業務發送策略時，為NEF 提供PCF 地址查詢服務，使得NEF 可以為UE 尋址到當前PDU 會話的服務PCF。

考慮到初期BSF 網元部署及技術方案實施的復雜性，也需要考慮無BSF 時的方案問題。本節將對會話綁定過程中是否涉及BSF 進行不同的方案探討。

3.1 拜訪地BSF方案，根據會話綁定關系查詢PCF

如圖6 所示，該方案主要通過用戶漫游時所在的拜訪地BSF 進行用戶會話綁定信息的存儲，NEF 基于用戶ipv4+ipDomain 向拜訪地BSF 查詢用戶PDU 會話所在的PCF，根據查詢到的PCF IP 地址或FQDN（Fully Qualified Domain Name，全限定域名），NEF 向服務PCF 發起5G 網絡能力調用。

圖6 拜訪地BSF方案

方案流程：

（1）拜訪地BSF 向NRF 注冊，注冊信息中包含BSF 支持的ipv4 地址段以及ipDomain 列表信息。

（2）用戶PDU 會話創建時，拜訪地SMF 選擇用戶歸屬地PCF 獲取策略信息（N7 接口）。

（3）歸屬地PCF 開啟了會話綁定，則歸屬地PCF 將基于用戶ipv4+ipDomain 信息向NRF（LNRF 及HNRF，兩級組網NRF）查詢獲取BSF 地址信息，NRF 返回拜訪地BSF 地址信息。

（4）歸屬地PCF向拜訪地BSF注冊基于ipv4+ipDomain 的用戶會話綁定信息，注冊信息用戶地址、DNN、S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，單個網絡切片選擇輔助信息）、SUPI、GPSI（Generic Public Subscription Identifier，通用公共用戶標識）、ipDomain 等用戶PDU 會話相關信息和對應的PCF 信息。

（5）發生PCC 相關能力能力調用時，向LNRF 及HNRF 查詢BSF 信息，獲取到拜訪地BSF 地址。

（6）NEF根據上一步獲取的信息，基于ipv4+ipDomain 向拜訪地BSF 查詢PCF 綁定信息，查詢結果包括：SUPI、GPSI、S-NSSAI、DNN、PCF 信息。

（7）NEF 向歸屬地PCF 發起策略授權請求（N5 接口），實現N5 接口與N7 接口尋址到同一PCF，完成用戶會話綁定。

方案要求：

（1）ipDomain 字段規劃，ipDomain 是為解決私網ipv4 復用帶來的會話綁定問題，因此運營商在全網統一進行ipDomain 的規劃時，需考慮在ipDomain 包含域信息以及位置信息（大區標簽、省/地市標簽等）。

（2）多級組網的NRF 需支持基于ipDomain 進行消息轉發，現網NRF 一般支持基于用戶號段的消息轉發，在此方案中，要求NRF 支持基于ipDomain 的消息轉發，用于拜訪地BSF 信息的查詢。

（3）ipDomain 如何獲取的問題，可以考慮在NEF 配置公網IP 與ipDomain 的映射關系，或者通過UPF 的HTTP頭增強功能，在HTTP 擴展分組頭中插入ipDomain 信息。

（4）漫游場景下還涉及了PCF 與BSF 的跨省互聯，涉及異廠家對接，需在方案部署前完成接口及功能的互操作測試。

3.2 歸屬地BSF方案，根據會話綁定關系查詢PCF

如圖7 所示，該方案通過用戶歸屬地BSF 進行用戶會話綁定信息的存儲，NEF 基于用戶ipv4+SUPI/GPSI 向歸屬地BSF 查詢用戶PDU 會話的服務PCF，根據查詢到的PCF IP 地址或FQDN，NEF 向服務PCF 發起5G 網絡能力調用。

圖7 歸屬地BSF方案

方案流程：

（1）歸屬地BSF 向NRF 注冊，注冊信息中包含BSF 支持的用戶號段SUPI/GPSI（歸屬地信息）。

（2）用戶PDU 會話創建時，拜訪地SMF 選擇用戶歸屬地PCF 獲取策略信息（N7 接口）。

（3）歸屬地PCF 開啟了會話綁定，則歸屬地PCF將基于用戶號段信息SUPI/GPSI 向NRF 查詢獲取BSF信息，NRF 返回歸屬地BSF 信息，或因為PCF 及BSF都同在歸屬地，PCF 可直接配置BSF 地址信息進行訪問。

（4）PCF 在BSF 上注冊基于ipv4+SUPI/GPSI 的會話綁定信息，注冊信息包括用戶地址、DNN、S-NSSAI、SUPI、GPSI 等用戶PDU 會話相關信息和對應的PCF 信息。

（5）NEF 基于用戶號段SUPI/GPSI 向NRF 查詢BSF 信息，獲取到歸屬地BSF 地址。

（6）NEF 根據上一步獲取的信息，基于ipv4+SUPI/GPSI 向歸屬地BSF 查詢PCF 綁定信息，查詢結果包括：SUPI、GPSI、S-NSSAI、DNN、PCF 信息。NEF 向歸屬地PCF 發起策略授權請求（N5 接口），實現N5 接口與N7 接口尋址到同一PCF，完成用戶會話綁定。

方案要求：

（1）BSF 向NRF 注冊信息需支持用戶號段信息（SUPI/GPSI），用于NEF 向NRF 查詢時可查找到用戶歸屬地BSF，目前的國際標準尚不支持此功能，初期可以考慮通過運營商企業標準進行定制化實現。

（2）NEF 獲取用戶號段信息（SUPI/GPSI）的方案，可以分別考慮從應用側或者網絡側來獲取，應用本身可通過客戶端或者簽約方式獲取用戶號碼信息；網絡側可以通過UPF 的HTTP 頭增強插入功能，或者提供能力開放方式支持用戶號段信息的查詢。

3.3 非BSF方案，根據SUPI/GPSI查詢PCF

如圖8 所示，該方案由PCF 直接攜帶號段信息在NRF 上注冊，NEF 可以通過NRF 的查詢接口使用SUPI/GPSI 獲取服務PCF 信息，無需通過BSF 查找PCF。

圖8 根據SUPI/GPSI查詢PCF（無BSF）

方案流程：

（1）PCF 攜帶號段信息SUPI 或GPSI 在NRF 上注冊。

（2）用戶PDU 會話創建時，拜訪地SMF 選擇用戶歸屬地PCF 獲取策略信息（N7 接口）。

（3）NEF 可以通過NRF（L-NRF 及H-NRF，兩級組網NRF）查詢獲取服務PCF 信息。

（4）NEF 根據查詢到服務用戶的PCF 地址，向歸屬地PCF 發起策略授權請求（N5 接口），實現N5 接口與N7 接口尋址到同一PCF，完成用戶會話綁定。

方案要求：

（1）SMF 選擇PCF 的方式需要根據號段進行規劃，如果SMF 按照負荷分擔方式選擇PCF，NEF 從NRF 中查詢獲取到的是多臺含該號段的PCF 信息，無法準確找到服務PCF（臨時解決方案可以考慮在NEF 增加輪詢機制，即NEF 需遍歷滿足條件的所有PCF，直至查找到用戶PDU 會話所在的PCF）。

（2）由于采用號段進行網元選擇，會帶來號段信息更新的工作量；如今攜號轉網服務已全面開放，攜號轉網的用戶GPSI 保持不變，因此如果通過GPSI 進行PCF尋址，需要及時更新配置各運營商的GPSI 號段信息，對配置運維、NRF 的號段處理及緩存資源要求增加。

3.4 會話綁定方案對比

表2 對3 種不同的會話綁定方案進行比較分析，如果現網部署BSF 且PCF 開啟了會話綁定功能，采用BSF 方案將更有利于5G 能力開放業務的發展，但BSF 是5G 新引入的網元，部署BSF 時需考慮多個因素，如BSF 部署形式、是否與DRA（Diameter Routing Agent，Diameter路由代理）或SMF 合設、是否引入SCP 等。采用拜訪地BSF 還是歸屬地BSF 對周邊網元也有不同的功能要求。非BSF 方案的特點是對周邊業務網元的要求大大降低，便于在現網快速實現，但從長遠的業務發展角度來看，存在諸多限制因素（SMF 選擇PCF 的方式、攜號轉網的影響等），因此更加適合初期業務發展或局部組網的情況。

表2 5G網絡能力開放的不同會話綁定方案對比

綜上所述，初期基于業務需求推動、且網絡規模及用戶規模較小情況下，可采用無BSF 方案，中遠期應向標準BSF 方案演進。

3.5 其他關鍵問題及方案

5G 網絡能力開放的會話綁定方案主要解決的是涉及PCF 相關的策略控制能力路由問題，5G 網絡能力開放還包含NEF 對其它網元的發現問題，如如何發現UDM、AMF、SMF 等，針對涉及的不同網元及能力，建議如下：

（1）UDM 發現：NEF 通過NRF 尋址（基于用戶號段信息）。

（2）AMF 發現：根據不同的AMF service 采用不同發現方案。

（3）如位置訂閱（Location-Report），NEF 通過UDM 向AMF 進行訂閱。

（4）如AOI 事件（Presence-In-AOI-Report），NEF 通過向UDM 查詢，獲取用戶所在AMF 實例后，NEF 向AMF 訂閱。

（5）如區域用戶數事件（UEs-In-Area-Report），在NEF 上配置尋址局數據。

（6）SMF 發現：NEF 通過UDM 查詢用戶所在的SMF 實例。

4 結束語

5G 網絡與垂直行業的融合催生了大量網絡能力開放需求，盡早部署以NEF 為基礎的5G 網絡能力開放平臺將有利于運營商提升5G 網絡附加值，亦能助力行業客戶按需提供定制化應用，提高5G 網絡粘性。本文基于業務場景需求、業務靈活性、5GC 建設現狀等因素給出3 種NEF 部署方案，同時還重點分析5G 網絡能力開放中涉及的會話綁定問題并提供3 種解決方案，為運營商的5G 網絡能力開放部署方案提供了參考。未來，運營商應更加聚焦自身擅長的核心能力，以客戶需求為中心提供5G 能力開放的運營支撐和生態服務，共筑5G 生態繁榮。