面向边缘计算的5G增强技术探讨
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【摘 要】
边缘计算通过将云计算和云存储部署到移动网络边缘，更近距离地为移动客户提供低时延高可靠的数据服务，成为5G网络最重要的关键技术之一。5G网络在3GPP Rel15第一版标准中支持边缘计算，并在随后的版本中不断增强。依据Rel17版本，研究面向边缘计算的5G网络增强技术，包括边缘应用业务、信息开放、本地流量路由导向等问题，分析边缘应用服务器的发现机制、迁移机制并对移动边缘计算标准动向和技术发展方向进行了展望。
【关键词】边缘计算;5G;增强技术;EAS发现
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.016 中图分类号：TN929.5
文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2020）04-0072-06
引用格式：王海梅. 面向边缘计算的5G增强技术探讨[J]. 移动通信， 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
目前迅猛发展的5G移动网络，将为各行各业提供eMBB高带宽、URLLC低时延、mMTC大连接的万物互联业务，MEC（Multi-Access Edge Computing）边缘计算正是助力5G移动网络实现业务本地化、数字化、智能化的技术热点。5G网络如何有效地与边缘计算相结合，降低业务时延和带宽开销，提升业务体验和数据安全一直都是业界研究的焦点。如今，3GPP SA2在Rel17阶段通过了5G边缘计算特性增强项目，将更深入地研究面向边缘计算的5G网络一系列增强技术问题。本文将依据3GPP Rel17标准，分析面向多接入边缘计算的5G网络增强技术特点，探讨关键问题的解决方案和后续的发展方向。
1 5G移动边缘计算标准进展
ETSI于2014年成立移动边缘计算规范工作组，开始移动边缘计算标准化的工作，其基本思想是把云计算平台从移动核心网络内部迁移到移动接入网边缘，实现计算及存储資源的弹性利用。自2014年以来，ETSI MEC ISG对MEC的标准化做了很多工作，包括MEC概念、需求、架构、用例和部署等。MEC最初特指移动网络中的边缘计算，随着研究的深入，在2017年3月，ETSI将MEC中“M”的定义做了进一步扩展，使其不局限于移动接入，也涵盖Wi-Fi接入、固定接入等其他非3GPP接入方式，将移动边缘计算从电信蜂窝网络延伸至其他无线接入网络，“移动边缘计算”的概念也变为“多接入边缘计算”。
结合ETSI MEC定义的内容，3GPP标准从5G网络架构设计之初就考虑了对边缘计算的支持，同时在后续演进版本中不断增强。Rel15版本定义了支持业务连续性的3种模式，支持边缘计算的会话管理架构，支持本地分流（UL/CL、BP和LADN）;Rel16版本针对业务场景对边缘计算的技术点进行改进，如支持URLLC业务;Rel17版本建立了边缘计算特性增强项目，重点研究边缘业务发现、应用迁移以及如何高质量地为边缘应用平台提供所需的网络信息等内容，目前诸多解决方案还在持续讨论之中。
2 5G网络边缘计算增强特性关键技术
2.1 5G网络边缘计算融合架构
5G移动网络从Rel15标准设计上原生支持边缘计算，提供架构、移动性、会话管理等方面能力，依据TS23.501 5GC的系统架构图，结合ETSI的边缘计算平台，图1给出了5G网络边缘计算融合的系统架构： 图1中边缘相关的功能由ETSI定义的MEC平台系统实现，5G边缘计算需要与包括NFVO、BOSS系统、能力开放、安全、网络支撑和基础设施在内的技术领域和系统平台进行协同。UPF实现5G边缘计算的数据面功能，边缘计算平台系统为边缘应用提供运行环境并实现对边缘应用的管理。根据具体的应用场景，UPF和边缘计算平台可以分开部署，也可以一体化部署。5G核心网SMF选择靠近终端的UPF，实现本地路由建立和数据分流;5G本地分流方式共有三种，即UL/CL方式、BP方式以及LADN。PCF为本地数据提供QoS控制策略和计费策略。不同SSC模式的引入，满足应用的业务连续性需求。作为AF的一种特殊形式，MEC 将5G移动网络与互联网业务进行深度融合，减少用户业务交互的端到端时延，同时通过与无线网络的交互，充分利用网络开放信息，为客户提供更优越的用户体验。
2.2 5G网络边缘计算增强特性场景及关键问题
Rel17研究了多种边缘应用部署场景下，5G移动网络需要增强的技术问题。TR23.748中给出了5GC与多个边缘应用服务器（EAS）的网络架构假设（如图2和图3），根据网络中是否存在分流UL CL/BP，5GC提供三种保持业务连续性的模式来支持多边缘计算环境：
（1）分布式锚点。PDU会话锚点在网络中移动到很远的地方，即本地站点。对于所有的用户PDU会话流量都是一样的。重新锚定（ssc# 2和ssc# 3）在移动长距离时优化所有应用程序的流量路由。
（2）会话分流。PDU会话在中心站点中有一个PDU会话锚点，在本地站点中有一个PDU会话锚点。其中只有一个提供IP锚点。利用UL分类器或多点BP技术，将边缘计算应用流量选择性地转移到本地PDU会话锚点。重新锚定本地PDU会话锚点在用户移动时为本地分流的流量优化流量路由。
（3）多PDU会话。边缘计算应用程序使用本地站点中带有PDU会话锚点的特定PDU会话。其余的应用程序使用带有中心PDU会话锚的PDU会话。应用程序和PDU会话之间的映射由URSP规则控制。
5GC网络架构支持多边缘应用平台存在四种情况：UE对MEC无感知、UE感知MEC、应用无感知MEC、应用感知MEC。UE中的应用程序客户端可以同时使用多个边缘计算平台提供的差异化业务，而无需感知特定的边缘计算环境。多边缘计算环境可以由网络运营商建设管理，也可以由第三方控制，可以连接到多个PLMN，可以与中心网络没有任何连接。针对这种多种不同边缘应用平台的场景，5G边缘计算增强项目提出了以下关键问题：
（1）边缘应用服务器（EAS）的发现机制
在边缘计算部署中，UE的数据业务可能由部署在不同站点的多个EAS提供服务。承载相同业务的这些EAS实例可以使用单个IP地址或不同的IP地址。UE开始连接到服务之前，需要发现一个合适的边缘服务器IP地址，这样UE的业务流量可以通过UL CL/BP分流到边缘应用服务器。业务时延、路由线路以及用户体验都可以得到优化。此外，当UE移动到很远的地方时，边缘应用程序服务器将不再是最优化的，可以使用新的边缘应用程序服务器代替旧的边缘应用程序服务器来为应用程序/UE服务。边缘应用服务器的重新选择可以由5GS或应用层中的事件触发。在第一种情况下，它可以由网络发起的用户平面变化如移动事件切换、一次失败事件触发;第二种情况下，可以由于EAS可能变得拥塞或不可用触发。这取决于UE上的业务是否能够容忍EAS的更改。为了更好地支持有效地发现EAS，5G网络还需要研究以下几个方面的内容：
1）UE如何发现合适的边缘应用服务器;
2）考虑UE需要感知或者不感知边缘主机环境中有应用服务器的场景;
3）使用什么信息可以辅助这样的发现机制;
4）通过这样的发现机制可以发现有关EAS的哪些额外信息。
当EAS变得非最优或不可用时，如何支持UE 重新发现边缘应用服务器，是否需要确保边缘应用服务器的发现与PSA UPF的选择和重新选择共同进行，如果需要，如何实现都是本文将要探讨的问题。所有的解决方案都是基于现有的机制如DNS、SFC技术或者行业实践，以避免或至少最小化对业务的影响。EAS发现机制不会将网络运营商限制在特定的边缘平台上，这样可以更好地适用于任何边缘主机模型，所有的解决方案中如果使用DNS，要考虑业务同时使用不同PSA的场景。
（2）应用迁移，EAS重定向，业务连续性保障
随着边缘计算在5G系统中的部署，需要考虑UE移动性和应用服务器的重定向。例如，当UE在跨5G系统中移动时，UE位置会发生变化，需要网络和边缘来处理UE位置的变化。UE移动性和應用服务器重定向的主要场景如下：
1）业务边缘应用服务器的改变，例如由于服务边缘应用服务器变得拥塞或处于停机状态。假设EAS的IP地址改变了。
根据UE的位置改变DNAI以便更好地服务于UE。这可能意味着EAS的IP地址发生了变化，但在某些情况下，只要UE事务没有结束，就可以保留旧的EAS。
2）上述情况下，如何保证用户业务的连续性是网络需要考虑解决的问题。实际的解决方案需要考虑触发机制，EAS的重新寻址，EAS的无缝切换等关键过程。
（3）网络向本地边缘应用平台快速提供网络信息
EAS需要与5GS进行交互才能访问网络信息或者向5GS提供信息以保证业务的连续性，5GS与边缘计算功能之间需要公开交互的信息一直都是研究的焦点。作为研究的一部分，需要考虑网络开放的时延。目前5GS网络开放机制基于NEF以及AMF、SMF、PCF等控制网元，对于部署在边缘主机环境中的应用程序，边缘应用程序服务器或应用程序功能可以在本地部署，而一些控制网元例如NEF、PCF可能集中部署，这导致了较长的网络信息开放时延。对于一些需要开放的网络信息，较长的开放时延是不能容忍的，但是一些实时网络信息，如网络拥塞或者实时的用户路径时延频繁变更，如果需要及时将这些信息传递给应用服务器或应用程序功能，不希望出现的延迟可能会使这些信息过时，从而导致UE会根据过时的网络信息调整其行为，例如，调整视频流的分辨率或驱动自动化的切换级别。需要在网络和AF之间快速交换的QoS信息主要包括以下两点： 1）可以订阅接收QoS拥塞条件的通知;
2）AF可以请求5GS来监视QoS状态（例如，空口或端到端数据路径）并接收QoS测量报告。
网络还需要研究以下几点，来确定5GS向边缘平台的应用传递信息：
1）5GS如何确定是否需要以低延迟公开网络信息;
2）如何向部署在边缘中的应用程序公开网络信息且延迟较低;
3）当UE移出支持开放的网元覆盖范围时，是否维持开放以及如何维持开放。
2.3 关于EAS发现机制的解决方案
针对多个边缘服务器发现机制，目前有多种方案在探讨中：
（1）将URSP配置给UE，为边缘应用业务建立PDU会话
在当前的研究架构中，UE需要与应用业务建立有特定特征的连接，例如到特定的切片或专用数据网（DN）或SSC模式2或SSC模式3，5GC在PDU會话建立过程中需要根据UE的位置以及相应的业务需求为UE提供合适的EAS接入。为了使EAS的发现机制更准确，使得合适的PDU会话与选定的EAS通信，5GC可以提供包含URSP规则组成的策略配置，URSP规则可以由UE本地配置，也可以在配置更新过程中提供，在初试注册或者移动更新注册时，UE可以包含相应的策略容器，以便从5GC接收URSP规则。此外，为了更新由于UE迁移而产生的URSP规则，应用程序功能（AF）需要从5GC订阅UE位置信息。
此种方案需要对AF功能进行相应的增强，以便AF能够根据URSP规则在会话基础上配置边缘业务参数，如在AF请求中包括FQDN或者EAS的IP地址列表。而PCF需要基于AF请求的信息决策URSP规则，如EAS IP地址或者FQDN以及标准的位置。
URSP配置流程如图4，基本的注册流程参照TS23.502执行。
首先，AF的应用层通过NEF向PCF提供边缘应用流量的策略需求，在策略适用的地方可以指示位置信息。当UE执行注册时，UE在注册请求中应包含UE策略容器。AMF根据UE策略容器决定与PCF建立UE策略关联。PCF依据UE的位置信息以及策略签约信息执行UE配置更新流程来为UE提供URSP规则。PCF基于AF请求的策略来决定URSP规则。URSP规则包含DNN、S-NSSAI以及相关的用来匹配边缘应用流量的网络参数，例如从安装在UE上的边缘应用程序客户端到边缘应用程序服务器的流量。如果AF在策略请求中携带一个或多个位置信息，PCF在URSP规则的RSD部分中也会包含相应的位置信息。PCF可以为特定边缘DN使用URSP规则中的特定的策略子句，灵活配置，使得UE更准确地接收EAS相关信息，及时准确地执行EAS发现。另外，网络运营者还可以在UE本地配置URSP。当UE需要发送业务到边缘应用时，UE通过发送针对边缘服务FQDN的DNS查询来触发EAS发现。URSP规则还可以根据位置做多种不同的配置，使得UE在不同位置可以应用不同的规则。
（2）基于本地DNS的边缘服务器地址
边缘计算服务的业务区域包括本地业务区域列表如图5所示的本地业务区域1和本地业务区域2。由于边缘计算服务是由不同的边缘服务器在不同的本地业务区域提供的，DNS可以在本地进行授权部署，为本地业务区域的边缘服务器提供地址查询服务。在PDU会话建立过程中，通过ePCO将本地DNS提供给UE。
此种方式分三种场景，执行EAS发现：
首先在UE需要使用边缘应用业务，而UE又恰好在EC服务的本地区域时，UE将触发PDU会话建立过程，SMF将根据UE的位置，为UE配置一个本地DNS地址，DNS地址可以通过PDU建立过程中ePCO提供给UE。如果所请求的FQDN没有存储IP地址，则应用客户端调用UE内核来触发一个DNS请求，此请求使用FQDN从网络获取DNS地址。本地DNS发送DNS地址响应，包含与请求的FQDN对应的边缘服务器地址给UE，UE存储DNS查询记录，包括FQDN和相关的IP地址。
另外两种场景分别是在UL CL/BP场景下提供本地DNS服务器地址以及在SSC模式2或者模式3场景下提供本地DNS服务器地址，流程上都是通过PDU会话建立或者修改过程，从SMF获得相应的边缘服务器地址信息。此种方式需要SMF能够基于UE的位置信息为UE配置本地DNS地址。
（3）DNS AF
此方案以支持“会话分流”连续性模型以及为边缘计算动态插入本地PSA技术点为前提。运营商将部署一个新的DNS组件，这个组件被称为DNS AF，它被部署在NAT之前的移动网络中。DNS AF拥有一个转换表，它将给定的用户位置和应用程序FQDN映射到首选的PDU会话锚点中，包括DNAI和完整IP地址的信息，它还具有IP地址范围，UE可以与AF（s）通信时使用这些IP地址。
DNS AF参与边缘服务认证UEs的DNS通信，例如，在PDU会话建立时，SMF将DNS AF地址发送给UE。DNS AF接收与EAS相关的UE DNS请求，授权UE，获取UE位置信息，并优先为该UE确定至少一个合适的本地 PSA。5GC通过向DNS请求添加相应的N6访问位置或将DNS请求转发到服务于UE位置的DNS来帮助发现最适合PSA的应用服务器。在此阶段，由业务提供者选择与给定位置匹配的合适EAS。业务提供者可以使用ECS选项将信息反馈给移动网络，以确定选择是否根据所提供的信息进行了调整。然后核心网插入UL CL并相应地设置业务流量控制。
（4）基于DNAI的SMF/I-SMF插入
此解决方案既适用于会话分流连接模型，也适用于多个PDU会话连接模型。在这个解决方案中，假设DNS服务器部署在边缘主机环境中。DNS服务器用于在边缘主机环境中发现EAS。利用AF影响流量机制来激活面向边缘主机环境的流量路由。AF请求信息作为数据集存储在UDR中，通过UDR->PCF->AMF->SMF（I-SMF）过程，传递给AMF，AMF可以根据请求的DNAI（s）选择SMF或I-SMF。SMF最后将I-UPF配置为DNS查询消息路由到边缘主机环境。AF流量影响请求信息包括FQDN或DNS服务器地址。SMF配置I-UPF，因此当UE使用目标FQDN或目标DNS服务器地址发送DNS查询时，I-UPF可以将DNS查询消息路由到边缘主机环境中的DNS服务器，以发现EAS IP地址。
除了上述几种解决方案，还有诸如DNS认证服务器提供关于UE位置的IP寻址信息、使用DNS和IP路由的服务器发现、基于DNS的EAS发现等多种EAS发现机制也在Rel17中给出了探讨，这里将不做更多的讨论。
3 结束语
随着边缘计算部署的发展和扩大，面向边缘计算的5G移动网络标准一直在不断的推进和完善中，Rel17边缘计算特性增强项目一直在持续探讨相关的问题和解决方案。随着MEC在各行各业的不断应用，相关标准也必将被推动着快速前进，MEC将成为5G移动网络的广泛存在，为未来万物的互联创造无限可能。
参考文献：
[1] 3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2019.
[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] 张建敏，杨峰义，武洲云，等. 多接入边缘计算（MEC）及关键技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2019.★
作者简介
王海梅（orcid.org/0000-0001-7177-3308）：工程师，硕士毕业于北京交通大学，现任职于中国信息通信研究院技术与标准研究所，主要研究方向为移动通信核心网标准与技术。
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