第 2 章 5G 网络结构
2.4 网络切片技术
2.5 MEC
云计算与移动网络的相关性正日益增强。社交网络服务、内容提供商、电商平台等都将其内容和工具放在云端。此外，用户也越来越依赖移动设备来执行计算和存储密集型操作，无论是个人事务还是业务相关的操作，都需要将其放在云端以实现更好的性能，同时节省终端电量。为了为用户提供更方便、更经济的云计算，3GPP 在 5G 系统架构设计中引入移动边缘计算（MEC，MobileEdge Computing），将计算、存储和网络资源与基站集成，将云计算下沉到网络边缘，缩短其与用户之间的距离。未来，使用 5G 移动通信系统的用户可将计算密集型和延迟敏感的应用程序（如增强现实和图像处理）托管在网络边缘。图 2-23 展示了这个概念。
最早的边缘计算的概念是基于 2009 年卡内基·梅隆大学研发的 cloudlet 计算平台。2014 年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立了 MEC 规范工作组，正式开启了 MEC 相关的标准化工作。2016 年，ETSI 将移动边缘计算的概念扩展为多接入边缘计算（MEC，Multi-access Edge Computing）。MEC 提供高度分布式计算环境，可用于部署应用程序和服务，也可用于存储和处理移动用户的内容。只要能够保障延迟和准确性，就可以将应用程序分成小任务，并将其中的一部分放在本地或区域云上执行。在边缘云和其他云之间分发应用程序的子任务时会出现许多具有挑战性的问题。在分离应用程序时，移动边缘云负责低延迟、高带宽以及本地相关的工作。
文献[14]中描述了在 4G LTE 系统中部署 MEC 的几种方式。由于 MEC 是在 4G 发展过程中，根据应用需求附加在系统中的解决方案，因而对 4G 的 MEC系统和相关接口的规范在很大程度上是与 4G 系统本身相互独立的。与 4G 系统不同，5G 系统在设计之初便将 MEC 考虑其中，并将其视为支持延迟敏感型业务和未来物联网服务的关键技术之一。因而，为了实现卓越的性能和体验质量，5G 系统架构为 MEC 提供了高效灵活的支持。5G 系统允许将 MEC 映射成应用功能（AF），从而可以基于配置的策略使用其他 NF 提供的服务和信息。此外，5G 架构中定义了许多用于为 MEC 的不同部署提供灵活支持的功能，并支持用户移动事件下 MEC 的连续性。
在 5G 的服务化架构中，NF 既是服务的提供者，又是服务的使用者。任何NF 都可以提供一个或多个服务。5G 系统架构提供了对服务的使用者进行身份验证和对服务请求授权所必需的功能，并支持高效灵活的公开和使用服务。对于简单的服务或信息请求，可以使用请求-响应模型。对于长期存在的进程，5G架构还支持订阅-通知模型。上述这些原则与 MEC 定义的 API 框架一致。MEC中有效使用服务所需的功能包括注册、服务发现、可用性通知、取消注册以及身份验证和授权。所有这些功能在 5G 服务化架构和 MEC API 框架中都是相同的。图 2-24 对比了 5G 系统架构与 MEC 系统架构。
MEC 系统中（上图右侧）的 MEC 编排器是 MEC 系统级功能实体，可视为一个 AF，能够与 5G 系统架构（上图左侧）中的 NEF 交互，或者在某些情况下直接与 5G 架构中的目标 NF 交互。在 MEC 主机级别上，MEC 平台可以与5G NF 进行交互，同样可视为 AF。MEC 主机是 MEC 主机级功能实体，最常部署在 5G 系统中的数据网络中。NEF 作为核心网 NF 是系统级实体，通常与其他 NF 集中部署，但是也可以在边缘部署 NEF 实例以实现来自 MEC 主机的低延迟、高吞吐量服务访问。
MEC 可以部署在 N6 参考点上，即在 5G 系统外部的数据网络（DN）中。这种部署可以通过灵活定位 UPF 实现。除了 MEC 应用程序外，分布式 MEC主机还可以包含作为 MEC 平台服务的消息代理，以及另一个将流量导向到本地加速器的 MEC 平台服务。实施的方法可以是将服务作为 MEC 应用程序或平台服务运行，此时需要考虑访问服务所需的共享和身份验证级别。诸如消息代理之类的 MEC 服务最初可以作为 MEC 应用程序部署以便快速占领市场，然后随着技术和业务模型的成熟而成为 MEC 平台服务。
由于 MEC 服务可以在集中式云和边缘云中提供，因此，SMF 在选择和控制 UPF 以及配置其流量控制规则方面发挥着关键作用。SMF 向 MEC 暴露其服务操作以允许 MEC 作为 5G AF 来管理 PDU 会话、控制策略设置和流量规则，以及订阅会话管理事件的通知。
5G 系统的系统架构和其中的 NF 对实现 MEC 与 5G 系统高度集成、灵活交互发挥着重要作用。与此同时，还有一些重要概念促进了提供高质量体验的高性能 MEC 服务的实现，这些概念主要包括以下几个。
• 在单个 PDU 会话中同时访问本地和中心数据网络（DN）。
• 选择靠近用户终端连接点的 PDU 会话的用户面功能。
• 根据从 SMF 接收的 UE 移动性和连接相关事件选择/建立新的 UPF。
• 网络能力暴露允许 MEC（AF）请求有关 UE 的信息或请求针对 UE 的行动。
• MEC（AF）可能影响单个用户终端或一组用户终端的流量转向。
• 支持边缘云中的 LI 和 MEC 收费。
• 针对特定和本地 MEC 服务用户终端（本地访问数据网络）的 LAND 可用性的指示。
2.5.1 MEC 部署场景
逻辑上 MEC 主机部署在边缘或中心数据网络中，用户面功能（UPF）负责将用户面流量导向到数据网络中的目标 MEC 应用上。数据网络和 UPF 的位置由网络运营商确定，并且网络运营商可以选择基于技术和业务参数来放置物理计算资源，这些参数可能包括可用站点设施、支持的应用及其要求、用户负载的测量和估计等。MEC 管理系统编排 MEC 主机和应用的运行，可动态判决MEC 应用的部署位置。
在 MEC 主机的物理部署方面，可根据各种操作、性能或安全相关要求进行选择。图 2-25 概述了 MEC 物理位置的一些可行选项，选项分别如下。
（1）MEC 和本地 UPF 部署在无线侧，即与基站并置。
（2）MEC 与传输节点并置，可能有本地 UPF。
（3）MEC 和本地 UPF 与传输汇聚节点并置。
（4）MEC 与核心网络功能并置（即在同一数据中心）。
上述物理部署选项表明 MEC 可以灵活地部署在从基站附近到中心数据网络的不同位置上。所有部署的共同点在于，UPF 被部署并将流量导向到目标MEC 应用程序和网络。
2.5.2 流量导向
MEC 中的流量导向是指 MEC 系统将流量路由到分布式云中的目标应用程序的能力。在文献[15]中定义的通用 MEC 架构中，流量导向由 MEC 平台通过Mp2 参考点配置数据面来控制。 在 5G 集成部署中，数据面的角色由用户面功能（UPF）代替。在将流量路由到所需应用程序和网络功能的过程中，UPF 发挥着核心作用。除了 UPF 之外，还有一些由 3GPP 规定的相关过程，可用于实现灵活高效的流量到应用路由，其中一个过程是应用功能（AF）对流量路由的影响，5G 允许 AF 影响本地 UPF 的选择和重新选择，以及请求服务以配置规则来实现流量向数据网络的导向。
5G 网络允许 AF 使用其提供的工具集，在 MEC 框架下 AF 可映射为 MEC系统的功能实体（FE，Function Entity）。一旦 MEC 应用被实例化，除非该应用已准备好接收流量并且底层数据面已配置好将流量转发给该应用，否则没有流量会被路由到该应用。当 MEC 被部署在 5G 网络中时，一个 MEC FE（如MEC 平台）作为 5G 核心网中的一个 AF。这个 AF（MEC FE）通过发送标识要导向的流量的信息来与 PCF 交互以请求流量导向。PCF 将请求转换为适用于目标 PDU 会话的策略，并将路由规则提供给适当的会话管理功能（SMF）。基于所接收的信息，SMF 识别目标 UPF（如果存在），并在那里启动流量规则的配置。如果不存在适用的 UPF，则 SMF 可以在 PDU 会话的数据路径中插入一个或多个 UPF。
在如上所述的集成部署中，（通用）MEC 架构的数据面功能现在由 UPF负责。该 UPF 受到 MEC 的影响，通过控制平面与 5G 核心网功能交互，而不是通过 MEC 架构中称为 Mp2 的特定参考点进行交互。
SMF 还可以为 UPF 配置不同的流量导向方式。在 IPv4、IPv6、IPv4v6 或以太网的情况下，SMF 可以在数据路径中插入上行链路分类器（UL CL，UplinkClassifier）功能。“UL CL”中配置了将上行业务转发到不同的目标应用和网络功能所需的业务规则，并且在下行方向上将转发至用户终端的业务进行合并。多宿主概念是流量导向的另一种方法。对于使用 IPv6 或 IPv4v6 的 PDU 会话，且在用户终端支持的情况下，SMF 可以使用多宿主概念进行业务导向。在多宿主概念中，SMF 在目标 UPF 中插入分支点功能，使其能够根据 IP 数据分组中的源前缀（Source Prefix）将上行流量分割为本地应用实例和中心云服务。
5G 系统基于一系列不同参数实现流量转向，这样的方式为 AF 提供了灵活的框架。在这种框架下，可以为用户配置通用流量规则，也可针对某些特定应用设置特定的流量规则。业务导向中使用的参数可以包含用于识别业务的信息（数据网络名称 DNN、订阅的网络切片选择辅助信息 S-NSSAI、AF-服务标识符、5 元组等）、用于预配置路由信息的参考 ID、数据网络访问识别（DNAI，DateNetwork Access Identifier）列表、关于目标用户的信息、关于应用重定位可能性的指示、时间有效性条件（路由条件有效的时间帧）、空间有效性条件（用户的位置，如地理区域）、用户平面管理通知的通知类型和 AF 事务 ID（允许修改路由规则）。
除了选择 UPF 和配置流量导向规则之外，5G 系统还为 MEC 功能实体提供了有效的工具，如用于 MEC 平台或 MEC 编排器的工具、用于监控本地云中MEC 应用程序实例关联用户的移动事件。MEC 功能实体可以订阅来自 SMF 的用户面路径管理事件通知。在这种情况下，MEC 功能实体能够在路径发生改变时接收到通知，例如，在特定 PDU 会话的 DNAI 发生变化时。MEC 管理功能可以使用这些通知来触发流量路由配置或应用程序重定位过程。
上面的讨论基于的假设是具有相关功能实体的 MEC 系统受到 3GPP 网络信任，并且策略允许从 AF 直接访问到 5G 核心网络功能。当 MEC 被 5G 网络认为不可信时，策略不允许其与 5G 核心网 NF 直接交互，此 MEC 功能实体需要从网络暴露功能（NEF）请求服务。此外，无论在何种情况下，向一个或多个PCF 发起请求时都需要通过 NEF。
2.5.3 用户终端和应用移动性
MEC 系统整合了网络边缘的网络和计算环境，优化了超低延迟和高带宽服务的性能。然而，在网络边缘（甚至可能非常接近无线节点）上托管应用导致应用在较大程度上受到用户终端移动性的影响。无论是传统的手持设备还是配备 V2X 系统的车辆都具有不同程度的移动性，而这些用户终端的移动可能使得当前使用的边缘应用主机的位置不可能总是最佳的，即使底层网络维持了服务端点之间的连续性，应用和服务的连续性和最优化仍无法得到保障。为了使MEC 系统在移动环境中维持应用程序要求，需要应用具有可匹配的移动性，这意味着为用户提供服务的应用程序实例将根据用户的移动更改位置。因此，在有状态应用中还需要传输用户上下文。在广域 MEC 部署中，可以假设系统中的 MEC 主机都配置了支持的应用，从而降低应用程序需要从一个主机重定位到另一个主机的可能性。但是，这仍然没有消除有状态应用服务中源 MEC 主机和目标 MEC 主机之间用户上下文传输的需要。
应用服务可以被分类为有状态或无状态服务。有状态服务的应用移动性需要在原始应用实例和重新定位的应用实例之间传输和同步服务状态以便保障服务的连续性。服务状态同步高度依赖于应用本身的实际操作，因此，需要在开发应用时就考虑。换句话说，必须以这样的方式设计应用：即应用的多个实例可以并发运行，并且应用实例的状态（上下文）可以在源实例中捕获复制到另一个实例，复制过程独立于实例本身的运营。然后，目标 MEC 主机中重新定位的应用实例在用户与源 MEC 主机中的应用实例断开连接的同时继续为用户终端服务，实现服务的无缝衔接。另外，对无状态服务的应用移动性的支持相对简单，因为这种情况很可能不需要源主机中的原始实例与目标主机中的实例之间的服务状态（应用程序上下文）传输和同步。
应用程序移动性是 MEC 系统的独特功能。将用户的上下文和/或应用实例从一个 MEC 主机重定位到另一个 MEC 主机，对持续地为用户提供优化的服务体验来说是非常必要的。应用程序移动性是服务连续性支持的一部分，一旦用户的上下文和/或应用实例已经重新定位到另一个 MEC 主机，就可恢复对 UE的服务。图 2-26 说明了 5G 网络集成 MEC 应用移动的原理。
用户终端向新服务小区移动的检测是触发应用移动的事件之一，其可以依赖于 5G 网络暴露功能（NEF）以及 MEC 功能实体订阅相关事件通知的能力。MEC 平台还可以订阅无线接入网信息。通过无线接入网信息，平台可以识别发生小区改变的用户终端并确定它们是否即将移出当前 MEC 主机的服务区域。
在 MEC 系统中运行的应用能够产生从多媒体和游戏到机器类型服务（如V2X）的各种服务，这种多样性为应用移动性支持带来了极大的复杂性。应用/服务提供商在网络边缘规划和部署应用时，应充分考虑在移动环境中的应用生命周期的各个方面，包括应用移动性。
2.5.4 能力暴露
5G 系统中的网络暴露功能（NEF）负责向外部实体公开 5G 核心网 NF 的能力信息和相关服务。图 2-27 展示了一个 5G 网络向 MEC 系统暴露能力的示
例，其中，MEC 编排器（MEC 系统级管理）被 5G 系统视为一个 AF，提供计算资源和 MEC 主机操作的集中式管理功能。此外，MEC 编排器对 MEC 主机
上运行的 MEC 应用进行编排。作为 5G AF 的 MEC 编排器与 NEF 以及其他相关 NF 在整体监控、配置、策略和计费功能等方面进行交互。另外，MEC 主机可能部署在 5G 无线侧的边缘，以利用 MEC 的优势来优化应用的性能并提高用户的体验质量。因此，MEC 平台可能需要直接暴露于 5G 无线接入网中的集中单元（CU，Centralized Unit），甚至有可能需要暴露于分布式单元（DU，
Distributed Unit）。例如，无线电网络信息服务（RNIS，Radio Network InformationService）（由 MEC 主机提供）依赖于无线接入网能力的暴露，尤其针对与用户终端相关的最新无线侧信息。这些信息可用于帮助在 MEC 主机上运行的MEC 应用优化提供给这些用户终端的服务，将诸如接收信号接收功率/质量之类的无线侧信息直接暴露给 MEC 平台，还避免了经由核心网络向其消费者（即MEC 应用）路由消息所需的不必要的传输等待时间和带宽消耗。本地网络信息的暴露是部署在边缘的本地 NEF 实例的任务。