第 2 章 5G 網絡結構
2.4 網絡切片技術
2.5 MEC
雲計算與移動網絡的相關性正日益增強。社交網絡服務、内容提供商、電商平台等都将其内容和工具放在雲端。此外，使用者也越來越依賴移動裝置來執行計算和存儲密集型操作，無論是個人事務還是業務相關的操作，都需要将其放在雲端以實作更好的性能，同時節省終端電量。為了為使用者提供更友善、更經濟的雲計算，3GPP 在 5G 系統架構設計中引入移動邊緣計算（MEC，MobileEdge Computing），将計算、存儲和網絡資源與基站內建，将雲計算下沉到網絡邊緣，縮短其與使用者之間的距離。未來，使用 5G 移動通信系統的使用者可将計算密集型和延遲敏感的應用程式（如增強現實和圖像處理）托管在網絡邊緣。圖 2-23 展示了這個概念。
最早的邊緣計算的概念是基于 2009 年卡内基·梅隆大學研發的 cloudlet 計算平台。2014 年，歐洲電信标準協會（ETSI）成立了 MEC 規範工作組，正式開啟了 MEC 相關的标準化工作。2016 年，ETSI 将移動邊緣計算的概念擴充為多接入邊緣計算（MEC，Multi-access Edge Computing）。MEC 提供高度分布式計算環境，可用于部署應用程式和服務，也可用于存儲和處理移動使用者的内容。隻要能夠保障延遲和準确性，就可以将應用程式分成小任務，并将其中的一部分放在本地或區域雲上執行。在邊緣雲和其他雲之間分發應用程式的子任務時會出現許多具有挑戰性的問題。在分離應用程式時，移動邊緣雲負責低延遲、高帶寬以及本地相關的工作。
文獻[14]中描述了在 4G LTE 系統中部署 MEC 的幾種方式。由于 MEC 是在 4G 發展過程中，根據應用需求附加在系統中的解決方案，因而對 4G 的 MEC系統和相關接口的規範在很大程度上是與 4G 系統本身互相獨立的。與 4G 系統不同，5G 系統在設計之初便将 MEC 考慮其中，并将其視為支援延遲敏感型業務和未來物聯網服務的關鍵技術之一。因而，為了實作卓越的性能和體驗品質，5G 系統架構為 MEC 提供了高效靈活的支援。5G 系統允許将 MEC 映射成應用功能（AF），進而可以基于配置的政策使用其他 NF 提供的服務和資訊。此外，5G 架構中定義了許多用于為 MEC 的不同部署提供靈活支援的功能，并支援使用者移動事件下 MEC 的連續性。
在 5G 的服務化架構中，NF 既是服務的提供者，又是服務的使用者。任何NF 都可以提供一個或多個服務。5G 系統架構提供了對服務的使用者進行身份驗證和對服務請求授權所必需的功能，并支援高效靈活的公開和使用服務。對于簡單的服務或資訊請求，可以使用請求-響應模型。對于長期存在的程序，5G架構還支援訂閱-通知模型。上述這些原則與 MEC 定義的 API 架構一緻。MEC中有效使用服務所需的功能包括注冊、服務發現、可用性通知、取消注冊以及身份驗證和授權。所有這些功能在 5G 服務化架構和 MEC API 架構中都是相同的。圖 2-24 對比了 5G 系統架構與 MEC 系統架構。
MEC 系統中（上圖右側）的 MEC 編排器是 MEC 系統級功能實體，可視為一個 AF，能夠與 5G 系統架構（上圖左側）中的 NEF 互動，或者在某些情況下直接與 5G 架構中的目标 NF 互動。在 MEC 主機級别上，MEC 平台可以與5G NF 進行互動，同樣可視為 AF。MEC 主機是 MEC 主機級功能實體，最常部署在 5G 系統中的資料網絡中。NEF 作為核心網 NF 是系統級實體，通常與其他 NF 集中部署，但是也可以在邊緣部署 NEF 執行個體以實作來自 MEC 主機的低延遲、高吞吐量服務通路。
MEC 可以部署在 N6 參考點上，即在 5G 系統外部的資料網絡（DN）中。這種部署可以通過靈活定位 UPF 實作。除了 MEC 應用程式外，分布式 MEC主機還可以包含作為 MEC 平台服務的消息代理，以及另一個将流量導向到本地加速器的 MEC 平台服務。實施的方法可以是将服務作為 MEC 應用程式或平台服務運作，此時需要考慮通路服務所需的共享和身份驗證級别。諸如消息代理之類的 MEC 服務最初可以作為 MEC 應用程式部署以便快速占領市場，然後随着技術和業務模型的成熟而成為 MEC 平台服務。
由于 MEC 服務可以在集中式雲和邊緣雲中提供，是以，SMF 在選擇和控制 UPF 以及配置其流量控制規則方面發揮着關鍵作用。SMF 向 MEC 暴露其服務操作以允許 MEC 作為 5G AF 來管理 PDU 會話、控制政策設定和流量規則，以及訂閱會話管理事件的通知。
5G 系統的系統架構和其中的 NF 對實作 MEC 與 5G 系統高度內建、靈活互動發揮着重要作用。與此同時，還有一些重要概念促進了提供高品質體驗的高性能 MEC 服務的實作，這些概念主要包括以下幾個。
• 在單個 PDU 會話中同時通路本地和中心資料網絡（DN）。
• 選擇靠近使用者終端連接配接點的 PDU 會話的使用者面功能。
• 根據從 SMF 接收的 UE 移動性和連接配接相關事件選擇/建立新的 UPF。
• 網絡能力暴露允許 MEC（AF）請求有關 UE 的資訊或請求針對 UE 的行動。
• MEC（AF）可能影響單個使用者終端或一組使用者終端的流量轉向。
• 支援邊緣雲中的 LI 和 MEC 收費。
• 針對特定和本地 MEC 服務使用者終端（本地通路資料網絡）的 LAND 可用性的訓示。
2.5.1 MEC 部署場景
邏輯上 MEC 主機部署在邊緣或中心資料網絡中，使用者面功能（UPF）負責将使用者面流量導向到資料網絡中的目标 MEC 應用上。資料網絡和 UPF 的位置由網絡營運商确定，并且網絡營運商可以選擇基于技術和業務參數來放置實體計算資源，這些參數可能包括可用站點設施、支援的應用及其要求、使用者負載的測量和估計等。MEC 管理系統編排 MEC 主機和應用的運作，可動态判決MEC 應用的部署位置。
在 MEC 主機的實體部署方面，可根據各種操作、性能或安全相關要求進行選擇。圖 2-25 概述了 MEC 實體位置的一些可行選項，選項分别如下。
（1）MEC 和本地 UPF 部署在無線側，即與基站并置。
（2）MEC 與傳輸節點并置，可能有本地 UPF。
（3）MEC 和本地 UPF 與傳輸彙聚節點并置。
（4）MEC 與核心網絡功能并置（即在同一資料中心）。
上述實體部署選項表明 MEC 可以靈活地部署在從基站附近到中心資料網絡的不同位置上。所有部署的共同點在于，UPF 被部署并将流量導向到目标MEC 應用程式和網絡。
2.5.2 流量導向
MEC 中的流量導向是指 MEC 系統将流量路由到分布式雲中的目标應用程式的能力。在文獻[15]中定義的通用 MEC 架構中，流量導向由 MEC 平台通過Mp2 參考點配置資料面來控制。 在 5G 內建部署中，資料面的角色由使用者面功能（UPF）代替。在将流量路由到所需應用程式和網絡功能的過程中，UPF 發揮着核心作用。除了 UPF 之外，還有一些由 3GPP 規定的相關過程，可用于實作靈活高效的流量到應用路由，其中一個過程是應用功能（AF）對流量路由的影響，5G 允許 AF 影響本地 UPF 的選擇和重新選擇，以及請求服務以配置規則來實作流量向資料網絡的導向。
5G 網絡允許 AF 使用其提供的工具集，在 MEC 架構下 AF 可映射為 MEC系統的功能實體（FE，Function Entity）。一旦 MEC 應用被執行個體化，除非該應用已準備好接收流量并且底層資料面已配置好将流量轉發給該應用，否則沒有流量會被路由到該應用。當 MEC 被部署在 5G 網絡中時，一個 MEC FE（如MEC 平台）作為 5G 核心網中的一個 AF。這個 AF（MEC FE）通過發送辨別要導向的流量的資訊來與 PCF 互動以請求流量導向。PCF 将請求轉換為适用于目标 PDU 會話的政策，并将路由規則提供給适當的會話管理功能（SMF）。基于所接收的資訊，SMF 識别目标 UPF（如果存在），并在那裡啟動流量規則的配置。如果不存在适用的 UPF，則 SMF 可以在 PDU 會話的資料路徑中插入一個或多個 UPF。
在如上所述的內建部署中，（通用）MEC 架構的資料面功能現在由 UPF負責。該 UPF 受到 MEC 的影響，通過控制平面與 5G 核心網功能互動，而不是通過 MEC 架構中稱為 Mp2 的特定參考點進行互動。
SMF 還可以為 UPF 配置不同的流量導向方式。在 IPv4、IPv6、IPv4v6 或以太網的情況下，SMF 可以在資料路徑中插入上行鍊路分類器（UL CL，UplinkClassifier）功能。“UL CL”中配置了将上行業務轉發到不同的目标應用和網絡功能所需的業務規則，并且在下行方向上将轉發至使用者終端的業務進行合并。多宿主概念是流量導向的另一種方法。對于使用 IPv6 或 IPv4v6 的 PDU 會話，且在使用者終端支援的情況下，SMF 可以使用多宿主概念進行業務導向。在多宿主概念中，SMF 在目标 UPF 中插入分支點功能，使其能夠根據 IP 資料分組中的源字首（Source Prefix）将上行流量分割為本地應用執行個體和中心雲服務。
5G 系統基于一系列不同參數實作流量轉向，這樣的方式為 AF 提供了靈活的架構。在這種架構下，可以為使用者配置通用流量規則，也可針對某些特定應用設定特定的流量規則。業務導向中使用的參數可以包含用于識别業務的資訊（資料網絡名稱 DNN、訂閱的網絡切片選擇輔助資訊 S-NSSAI、AF-服務辨別符、5 元組等）、用于預配置路由資訊的參考 ID、資料網絡通路識别（DNAI，DateNetwork Access Identifier）清單、關于目标使用者的資訊、關于應用重定位可能性的訓示、時間有效性條件（路由條件有效的時間幀）、空間有效性條件（使用者的位置，如地理區域）、使用者平面管理通知的通知類型和 AF 事務 ID（允許修改路由規則）。
除了選擇 UPF 和配置流量導向規則之外，5G 系統還為 MEC 功能實體提供了有效的工具，如用于 MEC 平台或 MEC 編排器的工具、用于監控本地雲中MEC 應用程式執行個體關聯使用者的移動事件。MEC 功能實體可以訂閱來自 SMF 的使用者面路徑管理事件通知。在這種情況下，MEC 功能實體能夠在路徑發生改變時接收到通知，例如，在特定 PDU 會話的 DNAI 發生變化時。MEC 管理功能可以使用這些通知來觸發流量路由配置或應用程式重定位過程。
上面的讨論基于的假設是具有相關功能實體的 MEC 系統受到 3GPP 網絡信任，并且政策允許從 AF 直接通路到 5G 核心網絡功能。當 MEC 被 5G 網絡認為不可信時，政策不允許其與 5G 核心網 NF 直接互動，此 MEC 功能實體需要從網絡暴露功能（NEF）請求服務。此外，無論在何種情況下，向一個或多個PCF 發起請求時都需要通過 NEF。
2.5.3 使用者終端和應用移動性
MEC 系統整合了網絡邊緣的網絡和計算環境，優化了超低延遲和高帶寬服務的性能。然而，在網絡邊緣（甚至可能非常接近無線節點）上托管應用導緻應用在較大程度上受到使用者終端移動性的影響。無論是傳統的手持裝置還是配備 V2X 系統的車輛都具有不同程度的移動性，而這些使用者終端的移動可能使得目前使用的邊緣應用主機的位置不可能總是最佳的，即使底層網絡維持了服務端點之間的連續性，應用和服務的連續性和最優化仍無法得到保障。為了使MEC 系統在移動環境中維持應用程式要求，需要應用具有可比對的移動性，這意味着為使用者提供服務的應用程式執行個體将根據使用者的移動更改位置。是以，在有狀态應用中還需要傳輸使用者上下文。在廣域 MEC 部署中，可以假設系統中的 MEC 主機都配置了支援的應用，進而降低應用程式需要從一個主機重定位到另一個主機的可能性。但是，這仍然沒有消除有狀态應用服務中源 MEC 主機和目标 MEC 主機之間使用者上下文傳輸的需要。
應用服務可以被分類為有狀态或無狀态服務。有狀态服務的應用移動性需要在原始應用執行個體和重新定位的應用執行個體之間傳輸和同步服務狀态以便保障服務的連續性。服務狀态同步高度依賴于應用本身的實際操作，是以，需要在開發應用時就考慮。換句話說，必須以這樣的方式設計應用：即應用的多個執行個體可以并發運作，并且應用執行個體的狀态（上下文）可以在源執行個體中捕獲複制到另一個執行個體，複制過程獨立于執行個體本身的營運。然後，目标 MEC 主機中重新定位的應用執行個體在使用者與源 MEC 主機中的應用執行個體斷開連接配接的同時繼續為使用者終端服務，實作服務的無縫銜接。另外，對無狀态服務的應用移動性的支援相對簡單，因為這種情況很可能不需要源主機中的原始執行個體與目标主機中的執行個體之間的服務狀态（應用程式上下文）傳輸和同步。
應用程式移動性是 MEC 系統的獨特功能。将使用者的上下文和/或應用執行個體從一個 MEC 主機重定位到另一個 MEC 主機，對持續地為使用者提供優化的服務體驗來說是非常必要的。應用程式移動性是服務連續性支援的一部分，一旦使用者的上下文和/或應用執行個體已經重新定位到另一個 MEC 主機，就可恢複對 UE的服務。圖 2-26 說明了 5G 網絡內建 MEC 應用移動的原理。
使用者終端向新服務小區移動的檢測是觸發應用移動的事件之一，其可以依賴于 5G 網絡暴露功能（NEF）以及 MEC 功能實體訂閱相關事件通知的能力。MEC 平台還可以訂閱無線接入網資訊。通過無線接入網資訊，平台可以識别發生小區改變的使用者終端并确定它們是否即将移出目前 MEC 主機的服務區域。
在 MEC 系統中運作的應用能夠産生從多媒體和遊戲到機器類型服務（如V2X）的各種服務，這種多樣性為應用移動性支援帶來了極大的複雜性。應用/服務提供商在網絡邊緣規劃和部署應用時，應充分考慮在移動環境中的應用生命周期的各個方面，包括應用移動性。
2.5.4 能力暴露
5G 系統中的網絡暴露功能（NEF）負責向外部實體公開 5G 核心網 NF 的能力資訊和相關服務。圖 2-27 展示了一個 5G 網絡向 MEC 系統暴露能力的示
例，其中，MEC 編排器（MEC 系統級管理）被 5G 系統視為一個 AF，提供計算資源和 MEC 主機操作的集中式管理功能。此外，MEC 編排器對 MEC 主機
上運作的 MEC 應用進行編排。作為 5G AF 的 MEC 編排器與 NEF 以及其他相關 NF 在整體監控、配置、政策和計費功能等方面進行互動。另外，MEC 主機可能部署在 5G 無線側的邊緣，以利用 MEC 的優勢來優化應用的性能并提高使用者的體驗品質。是以，MEC 平台可能需要直接暴露于 5G 無線接入網中的集中單元（CU，Centralized Unit），甚至有可能需要暴露于分布式單元（DU，
Distributed Unit）。例如，無線電網絡資訊服務（RNIS，Radio Network InformationService）（由 MEC 主機提供）依賴于無線接入網能力的暴露，尤其針對與使用者終端相關的最新無線側資訊。這些資訊可用于幫助在 MEC 主機上運作的MEC 應用優化提供給這些使用者終端的服務，将諸如接收信号接收功率/品質之類的無線側資訊直接暴露給 MEC 平台，還避免了經由核心網絡向其消費者（即MEC 應用）路由消息所需的不必要的傳輸等待時間和帶寬消耗。本地網絡資訊的暴露是部署在邊緣的本地 NEF 執行個體的任務。