5G边缘计算组网关键技术研究

5G边缘计算组网关键技术研究
摘要：随着5G网络的快速发展，基于边缘计算的新型应用不断涌现。

边缘计算系统需要具有低时延、高可靠、大连接、智能化等特性。

在5G网络中，MEC 是各类应用落地的关键。

现有网络中基于PDU（DeviceUnit，设备单元）会话建立的方式已经无法满足边缘计算场景的需要。

5GMEC可通过采用PDU会话组网（ProxyUtilities,Pros）方式实现，相比于传统PDU会话组网方式对时延要求更高，但同时也更灵活。

本文在梳理MEC系统架构的基础上，对MEC的应用场景进行了分类，比较了不同类型的PDU会话和业务分流技术，提出了5GULCL分流组网技术和多DNN组网技术，并指出了目前5G分流技术存在的问题，并对5GUPF 的下沉和5G网络的二次验证/授权等问题进行了阐述。

关键词：5G；边缘计算组网关键技术；PDU会话
1引言
随着5G网络的快速发展，各种基于边缘计算的新型应用不断涌现，如工业互联网、车联网、智慧城市等，这些应用对网络的时延以及带宽提出了更高的要求。

MEC是边缘计算网络中将计算和存储等资源部署在靠近数据源的区域，通过将业务数据解耦为大量小数据包（SMAC）或业务包（DMAC）在边缘侧完成处理，以达到降低时延和提升性能目标。

MEC一般由多个PDU组成系统，不同PDU之间可以进行通信和数据交互。

由于传统的PDU会话组网方式存在诸多问题，例如PDU之间需要通过多跳跳线进行通信、PDU间会话时需切换到多跳路由、需要进行业务分流等等。

为满足MEC的需求，5G网络中需引入MEC会话方式进行组网。

本文对MEC的系统架构进行了梳理，并将其划分为不同类型，对比了目前MEC组网存在的问题，提出了MEC的两种组网技术：ULCL（User-LimitClass，网络流量分流）和多DNN（Multi-NetworkNetwork，多节点融合网络）。

2 MEC应用场景及MEP部署方式归类
5G网络是利用UPF将外部数据网（DN）的服务平台进行连接，并利用UPF打通5G用户终端UE和各业务平台和UE间的服务。

5G用户终端UE访问5G网络，要求该网络为用户创建PDU会话（PDU会话）,5G内核网AMF基于诸如S-NSSAI （S-NSSAI）、DNN、以及用户当前TAI（TAI）等信息来确定SMF（或者I-SMF以及目标SMF),SMF接着根据该用户5G用户终端UE所提供的S-NSSAI、DNN、以及用户目前的TAI等信息来确定PDU会话。

边缘计算的三种落地形态如图1所示：
图1边缘计算的三种落地形态
从现实的组网观点出发，MEC的部署分为两个方面，即5G网络与服务平台，这两个部分既是独立的，也是紧密联系的。

其中，业务平台包括MEP、MECAPP以及APP的管理系统，为用户终端用户提供特定的应用服务。

它的部署方式与服务的业务特性、业务范围、规模和管理方式有关。

5G网络包括一系列的网元，它为5G用户终端用户提供了接入服务平台的通道，其中UPF和用于管理UPF的SMF是其中最重要的两个方面。

这两方面的关系主要表现在：5G网络中，要考虑到服务平台的部署位置、服务范围等，选择UPF接入服务平台，并在满足服务需求的前提下，提供更好的路由。

3 5G PDU会话建立及业务分流技术
3.1 5G PDU会话建立方式
5G网络承担着为用户终端UE和相应服务平台的PDU会话用户界面数据传输信道的任务，3GPP则提供3种方法。

在实际的组网中，必须着重于网络开通（选
择相应的UPF）的能力，以及在UE移动期间的服务连续性（当UPF发生变化时，服务不会被干扰，或者服务所允许的最大中断时间）。

在此基础上，还应考虑到终端用户终端、5G网络设备、服务平台等方面的支持。

（1）SSCMode1。

5G用户终端UE启动PDU会话设置请求，AMF1将SMF服务发现发送给NRF，其中包括S-NSSAI和DNN,AMF1随后基于NRF的返回结果和UE 目前的TAI(UE当前的地理位置）来选择对应的SMF,SMF接着基于UE所提供的S-NSSAI、DNN、UE当前TAI等信息来选择对应的UPF(UPF1)，以便UE与诸如因特网之类的外部数据网络DN的PDU会话用户界面。

在5G用户端UE离开UPF1、SMF1的覆盖区域时，AMF2通过AMF1获取SMF1地址，从而判定UE目前TAI已超过SMF1覆盖。

然后，UE的当前TAI对NRF进行SMF服务发现，并基于NRF的返回结果，选择I-SMF，再将UE的PDUSessionSessionRequest消息发送给I-SMF。

该消息中含有SMF1的地址，I-SMF将根据UE的TAI等信息，选取适当的I-UPF，然后向SMF1发送PDU会话建立请求，由此为UE创建UE-gNB2-UPF2-UPF1。

（2）SSCMode2为“先拆后建”，UE从SMF1网络中移出，先将用户已有的用户界面信道删除，然后再创建新的用户界面信道；在重新构造后，UE的IP位址被改变成UPF2所管理的IP位址。

这种方法要求SMF1在确定UE已经离开其所覆盖区域之后，在要求新PDU会话被释放之后，向UE发出一个新的PDU会话，并且在当前PDU会话被释放之后到新PDU会话的创建期间，UE的服务被中断。

（3）SSCMode3为“先建后拆”，UE在离开SMF1的覆盖区域之前，先创建一个新的用户界面通道，然后将该用户界面的用户界面删除；在重新构造后，UE 的IP位址被改变成UPF2所管理的IP位址，这种方法要求SMF1在确定UE已经离开其覆盖区域之后，在删除原来的PDU工作阶段之前，告知用户重新构建一个PDU工作阶段。

如上所述，SSCMode2和SSCMode3均能够实现“通过物理位置最近的UPF为UE疏通业务”，但是需要注意：
(1)锚点UPF发生变化，用户IP地址发生变化，要求服务程序不受用户IP 地址的影响，也就是说：如果用户IP地址发生变化，而上层服务没有被打断，则必须重新启动服务应用程序；
(2)SSCMode2出现了短暂的通信中断；
(3)目前只有IPPDU类型的SSCMode3标准；
(4)UE终端必须支持SMF发布的“先拆后建”和“先建后拆”的指导方针，以及支持向本地新IP地址迁移所需的服务。

特别是SSCMode3要求用户在新老PDU的转换期间，必须要支持单一PDU的会话双IP地址，而当前市场上的5GUE 终端都不支持这种模式；
(5)要求5G核心网络SMF支持，在确定UE离开其覆盖区域后，将“先拆后建”和“先建后拆”的命令发送给UE，有关厂商的设备还有待完善。

可以看出，目前SSCMode1仍然是主流，但是，在用户的移动中，其锚点UPF保持不变，所以很难满足它“通过最靠近实体位置的UPF来为UE提供服务”的要求，所以必须考虑SSCMode1下5G服务分流技术，也就是：在5G用户的移动中，为其选定一个地理位置最近的UPF。

3.2 5G业务分流组网技术
3.2.1 5GULCL能够实现基于业务内容的分流
5GUE利用锚点UPF（PSAUPF1）来开通服务，并且在SMF识别（PSAUPF1识别并上报SMF)UE对诸如目标URL、目标IP地址之类的具体服务内容进行访问时，ULCL过程被触发，从而为UE选择附近的服务平台的PSAUPF2。

在这个过程中，用户端的IP位址保持不变，仍然保持在PSAUPF1的IP位址上。

但是，在经过PSAUPF2的外部防火墙进行NAT转换之后，APP_B到UE的DL数据流会被PSAUPF2所打通。

在这种情况下，PSAUPF2是ULUPF，它是UL上行业务分类器，它通过PSAUPF2把特定业务UL流量输送到相应的服务平台，而其它业务仍然由PSAUPF1提供。

3.2.2 5GULCL能够实现基于用户位置的分流
5GUE利用锚点UPF（PSAUPF1）来开通服务，并且在SMF识别（向SMF通知）UE移动到诸如TAI之类的特定区域时，ULCL过程被触发，从而为UE选择附近的
服务平台的PSAUPF2。

在这个过程中，用户端的IP位址保持不变，仍然保持在PSAUPF1的IP位址上。

但是，在经过PSAUPF2的外部防火墙进行NAT转换之后，APP_B到UE的DL数据流会被PSAUPF2所打通。

3.2.3 5G网络为UE的单PDU会话插入UL CL UPF
5G网络在将UL CL UPF接入到UE的一个PDU会话之后，不会再给UE分配一
个新的IP地址，UE不会察觉到UL CLUPF的存在，因此不会对UE进行新的功能
需求。

但是由于不给UE指定新IP，因此需要在分流PSA UPF和服务平台的边界
节点之间设置NAT设备，从而实现对该用户IP地址的转换，从而使该分流服务
的DL数据流可以被从原来的PSA UPF发送到分流PSA UPF。

期间需要在不影响上
层服务的情况下，不导致IP地址的变化。

4结束语
边缘计算技术可以为用户带来更好的服务体验，它的应用前景非常广泛，特
别是5G和边缘计算技术的融合，不仅可以扩大移动网络的应用范围，还可以为
各行各业提供更多的服务。

5G边缘计算网络首先要根据服务质量和服务特点来决
定MEP和MECAPP的布局，并“就近”地分流到对应的服务平台上，同时还要考
虑到终端和应用的相关功能。

在当前阶段，5G的应用越来越广泛，对于5G边缘
计算的组网技术也将有新的需求，同时也会有相应的标准不断演变。

参考文献：
[1]石波,蔺伟,李春铎,胥昊.5G-R核心网容灾组网方案及关键技术研究[J].
铁道标准设计,,:1-8.
[2]吴远清.5G移动通信核心网关键技术研究[J].长江信息通
信,2021,34(08):184-186.。