5G MEC分流方案探讨

何宇锋 林奕琳 单雨威

【摘  要】

实现5G边缘计算商用部署的关键步骤是通过5G网络将用户数据流分流至边缘计算平台。在DNN分流和UL CL分流原理基础上，结合不同触发条件（用户签约、能力开放、应用检测等）分析了六种分流方案的详细流程及对终端、网络的要求，运营商可根据不同场景需求选择相应的部署方案。

【关键词】5G;MEC;本地分流

0   引言

2019年6月，工业和信息化部正式向三大运营商和中国广电发放5G商用牌照，11月，三大运营商公布5G商用套餐，意味着我国已正式向用户提供提供5G服务。可以预见，移动通信流量将急剧增长，高网络负荷、高带宽以及低时延需求将愈加突显。MEC作为5G业务应用的标志能力，通过业务本地化、缓存加速以及本地分流、灵活路由等技术，有效缩短端到端业务时延，降低网络回传带宽需求，缓解核心网的数据传输压力，从而提升网络数据处理效率，满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽以及安全等方面的诉求，为用户带来极致的业务体验。

5G商用前夕，如何将用户数据流分流至MEC平台，是真正实现网络与业务深度融合及落地应用的第一步，也是当前运营商最为关注的重点问题。

综上所述，本文将首先梳理清楚MEC与5G网络的关系，其次，介绍3GPP标准的5G分流技术，最后介绍结合不同场景和触发条件的5G MEC分流方案并分析其优缺点。

1   MEC与5G网络的关系

当MEC部署在5G系统中时，在网络中的位置如图1所示。MEC充当AF+DN的角色。作为AF（Application Function，应用功能）时，MEC代表部署在MEC上的应用通过N5或N33接口与5G网络控制面（PCF/NEF）进行交互;作为DN（Data Network，数据网络），MEC系统和UPF之间为标准的N6连接。通过UPF和SMF实现业务计费，基于边缘UPF支持合法监听功能，基于网络能力感知、北向标准接口及NEF支持能力开放，NEF作为统一的能力开放节点负责外部边缘应用与5G网络的交互，通过逻辑隔离及部署安全设备实现网络安全，通过配置防火墙、IP攻击防护、ACL、HTTPS协议等手段提供安全防护。

如图1所示，MEC可考虑引入5G Core Connect feature（包括5G Core Connect Proxy和5G Core Connect Service）简化MEC与5GC之间的信息交互与流程处理。

2   标准分流技术

按照运营商5G部署策略，5G用户开机建立的PDU会话将优先选择中心UPF（部署在省会城市的UPF），当用户需访问MEC应用时才选择/插入边缘UPF（部署在地市及县区级以下的UPF），让稀缺的边缘资源按需提供给用户，同时避免边缘UPF由于大量用户挤占造成性能瓶颈。因此，5G网络需要配合MEC做好用户数据的本地分流，下面介绍的是5G分流技术[1-4]，分为两类：单PDU会话的本地分流（UL CL、IPv6 Multi-homing），多PDU会话的本地分流（边缘UPF路由、LADN），单PDU会话分流和多PDU会话分流最直接的区别就是前者的用户数据分流在网络侧进行，后者分流从终端开始。其中边缘UPF路由属于标准流程，通过建立PDU会话锚定到边缘UPF，因此本节不做介绍。

2.1  UL CL（Uplink Classifier，上行分类器）方案

如图2所示，采用UL CL方案时，SMF会在用户PDU会话建立期间或建立完成后，在PDU会话的数据路径中插入一个上行流量分类器（UL CL，Uplink Classifier），插入的UL CL可以是多个，支持按需在PDU会话的数据路径中删除上行流量分类器。UL CL的会话类型可以是IPv4、IPv6、IPv4v6。

UL CL应支持基于SMF提供的流量检测（PDR，Packet Detection Rule）和流量转发规则（FAR，Forwarding Action Rule）向不同的PDU会话锚点UPF转发上行业务流，以及将来自链路上的不同PDU会话锚点UPF的下行业务流合并到5G终端。

在实际部署中，分流节点（UL CL UPF）基于数据包目的IP地址对上行数据包识别并分流，将需要本地卸载的业务分流至本地网络，实现本地分流，非本地业务数据流导向初始锚定的UPF。

在发生漫游场景时，用户的控制面和用户面路径如下：

（1）控制面：拜访地RAN-拜访地AMF-拜访地SMF;

（2）用户面分支1：拜访地RAN-拜访地UPF/UL CL-拜访地 UPF/ PSA1（中心节点）;

（3）用户面分支2：拜访地RAN-拜访地UPF/UL CL-拜访地UPF/ PSA2（边缘节点）。

2.2  IPv6 Multi-homing（多宿主）方案

如图3所示，采用IPv6 Multi-homing方案时，SMF应支持在PDU会话建立期间或建立完成后，在PDU会话的数据路径中插入多归属（Multi-homing）会话分支点（Branching Point），支持按需在PDU会话的数据路径中删除多归属会话分支点。Multi-homing的会话类型只能是IPv6类型。

在Multi-homingchag场景下，UPF应支持IPv6多归属（Multi-homing）功能，即一个PDU会话可以与多個IPv6前缀相关联，该UPF作为分支点（Branching Point）连接多个PDU会话锚点UPF，再接入数据网络，并支持提供将不同IPv6前缀的上行业务流转发至不同的PDU会话锚点UPF，以及将来自链路上的不同PDU会话锚点UPF的下行业务流合并到5G终端，可同时作为IPv6多归属的分支点和PDU会话锚点。

在实际部署中，网络将会为终端分配多个IPv6前缀地址，对不同业务使用不同的IPv6前缀地址，可以一个IP地址做远端业务，一个IP地址做本地MEC业务，通过分支点进行分流。

在发生漫游场景时，用户的控制面和用户面路径如下：

（1）控制面：拜访地RAN-拜访地AMF-拜访地SMF;

（2）用户面分支1：拜访地RAN-拜访地UPF/Branching Point-拜访地UPF/PSA1（中心节点）;

（3）用户面分支2：拜访地RAN-拜访地UPF/Branching Point-拜訪地UPF/PSA2（边缘节点）。

2.3  LADN（Local Area Data Network）方案

如图4所示，LADN方案是指5G用户在移动到指定区域时，使用特定业务将触发新的LADN会话建立，此时一个5G用户可能拥有两个PDU会话：Internet会话及LADN会话。

5G用户在向网络注册时，可以根据从核心网获取的本地网络（LADN）信息、用户位置信息等，AMF确定5G终端出现在LADN区域，且请求的DNN在AMF中配置为LADN DNN，则转发给SMF，SMF基于来自AMF的指示确定5G终端是否处于LADN业务区内。SMF通过选择合适的本地边缘UPF、建立本地PDU会话，实现本地网络接入和本地应用访问。

LADN仅用于非漫游场景或者LBO漫游场景，在实际部署中，用户通过LADN会话访问MEC业务，其余业务通过Internet会话访问。

在发生漫游场景时，用户的控制面和用户面路径如下：

控制面：拜访地RAN-拜访地AMF-拜访地SMF;

用户面：拜访地RAN-拜访地UPF。

3   5G MEC分流技术解决方案

5G网络进行本地分流的最典型需求就是流量不出园区，并可用于传输受限和降低时延场景，主要包括企业园区、校园、本地视频监控、VR/AR场景、本地视频直播等。

对于5G网络如何将业务流分流至MEC平台，主要有两类方案，一类是DNN方案（包含普通专用DNN和LADN DNN），另一类是UL CL方案（基于不同的场景触发UL CL的方案），下面给出了不同解决方案的说明。

3.1  LADN方案

LADN方案中，LADN信息（如LADN服务区和LADN DNN）由AMF在注册流程和5G终端配置更新流程提供给5G终端，当5G终端移动到特定位置时，将会请求建立这个LADN DNN的PDU会话，方案流程图如图5所示，具体说明如下：

前置条件：用户签约LADN DNN，AMF上配置LADN服务区域（TA）与LADN DNN的关系。

（1）5G终端注册请求，携带LADN DNN或LADN信息请求标识;

（2）5G终端注册接受，AMF向5G 终端提供可用的LADN信息（LADN对应的TA）;

（3）用户移动到LADN区域;

（4）5G终端发起LADN DNN的PDU会话建立请求;

（5）SMF向AMF订阅LADN DNN“5G终端位置变化通知”，AMF跟踪连接态终端的位置信息，并通知SMF终端位置和LADN服务区的关系，即在服务区、不在服务区、不确定在不在服务区;

（6）用户移出LADN区域;

（7）AMF上报SMF用户位置信息，SMF根据位置上报信息可能有两类操作：立刻释放PDU会话，或者保持PDU会话而去激活PDU的用户面连接，去使能下行数据指示;如果一段时间内用户没有再次进入LADN服务区，则SMF可以释放PDU会话;

（8）SMF发起会话释放请求，完成PDU会话释放流程;

（9）SMF向AMF取消订阅“5G终端位置变化通知”。

该方案对于终端、网络的功能及配置要求如下：

（1）5G终端功能及配置要求：

1）支持LADN DNN，在指定TA集合区域下，发起LADN DNN会话建立请求;

2）当5G终端离开了LADN服务区时，不能请求激活这个LADN DNN的PDU会话的用户面连接，不能建立或修改这个LADN DNN的PDU会话，没有必要释放当前存在的属于这个LADN DNN的PDU会话，除非5G终端收到网络的PDU Session Release Request。

（2）5GC功能及配置要求：

1）AMF：配置LADN服务区域（TA）与LADN DNN的关系，支持向UE及SMF通知下发当前位置;

2）SMF：支持根据TA位置选择UPF，支持向AMF订阅位置信息，UE离开LADN服务区时发起该PDU会话释放;

3）UDM：支持LADN DNN签约;

4）UPF：建议为LADN DNN配置独立用户IP地址池。

3.2  DNN方案

用户通过专用DNN发起会话建立，网络结合位置为会话选择特定边缘UPF，即可接入与边缘UPF对接的MEC平台。DNN方案中，用户在5G网络签约特定DNN，SMF选择UPF时，根据5G终端提供的特定DNN以及所在的TA选择目的边缘UPF，从而完成边缘PDU会话的建立。方案流程图如图6所示，具体说明如下：

前置条件：终端配置专用DNN并在UDM上面签约专用DNN。

（1）5G终端发起PDU会话建立请求，PDU Session Establishment Request消息携带专用DNN;

（2）AMF向SMF发送创建SM上下文请求，PDU Session CreateSMContext Request消息包含了用户位置信息、RAT类型、DNN等;

（3）SMF向AMF回复创建SM上下文响应;

（4）SMF继续执行用户PDU会话建立流程，根据配置，SMF根据特定DNN为5G终端选择边缘UPF;

（5）SMF向UPF发送N4会话建立请求，并提供要在该PDU会话的UPF上安装的分组检测（PDR）等;

（6）UPF向SMF回复N4会话建立响应;

（7）SMF发送PDU会话建立响应;

（8）GTP隧道地址和TEID的相互通知，PDU会话创建成功。

该方案对于终端、網络的功能及配置要求如下：

（1）5G终端功能及配置要求：

支持配置DNN信息，建议支持多PDU会话并发。

（2）5GC功能及配置要求：

1）SMF：支持根据终端签约的专用DNN选择边缘UPF;

2）UDM：用户签约专用DNN。

3.3  特定位置UL CL方案

5G用户在MEC区域外建立PDU会话时，会话锚定在中心UPF。用户移动过程中进入MEC区域，SMF新增边缘UPF锚点并插入UL CL，5G用户使用MEC业务时，数据流将通过UL CL分流至边缘UPF到达MEC平台。方案流程图如图7所示，具体说明如下：

前置条件：SMF配置策略，用户移动到特定位置时，将触发UL CL和边缘UPF的插入。

（1）5G终端建立初始PDU会话，会话锚点锚定在中心UPF。

（2）用户移动到MEC区域。

（3）AMF向SMF上报用户位置信息。

（4）SMF根据用户位置信息（TA颗粒度）触发ULCL插入流程：根据配置策略，SMF与边缘UPF建立N4会话，协商分配GTP隧道地址和TEID，然后SMF将边缘UPF与UL CL合设的N9隧道信息更新至中心UPF，用户下行数据链路将从中心UPF经过UL CL（边缘UPF）然后发送到RAN;SMF再将边缘UPF与UL CL合设的N3隧道信息更新至RAN，以保证RAN能将上行数据正确发送到指定的合设UL CL（边缘UPF）。

（5）UL CL插入结束后，用户PDU会话将经过边缘UPF，通过UL CL分流至MEC平台。

该方案对5G终端无特殊要求，对于网络的功能及配置要求如下：

（1）SMF：根据DNN及用户位置选择中心UPF作为锚点;基于特定TA新增额外锚点（边缘UPF）同时插入UL CL，并能区分配置中心UPF和边缘UPF（中心UPF覆盖区域包含了边缘UPF的覆盖区域。同时支持MEC区域外PDU会话建立后，移动进入MEC区域触发插入UL CL插入的场景，以及MEC区域内PDU会话建立后触发插入UL CL的场景）;SMF配置边缘UPF的ULCL分流规则，并支持通过N4接口下发给边缘UPF。

（2）UPF：支持SMF通过N4接口下发的UL CL分流规则，并进行分流。

3.4  位置及用户签约UL CL方案

方案需要用户在PCF上签约支持使用MEC业务，在用户移动到MEC区域时，PCF根据用户位置信息及签约信息，新增边缘UPF锚点并插入ULCL。方案流程图如图8所示，具体说明如下：

前置条件：使用MEC业务的用户需在PCF签约，并且订阅用户位置信息。

（1）初始PDU会话建立，锚定在中心UPF。

（2）用户移动到特定位置。

（3）由于前期用户签约订阅了用户位置信息，因此AMF将通过SMF向PCF上报用户位置信息。

（4）PCF根据用户位置和签约关系，触发UL CL插入流程。

（5）SMF与边缘UPF建立N4会话，协商分配GTP隧道地址和TEID，然后SMF将边缘UPF与UL CL合设的N9隧道信息更新至中心UPF，用户下行数据链路将从中心UPF经过UL CL（边缘UPF）然后发送到RAN;SMF再将边缘UPF与UL CL合设的N3隧道信息更新至RAN，以保证RAN能将上行数据正确发送到指定的合设UL CL（边缘UPF）。

（6）用户PDU会话经过边缘UPF，通过UL CL分流。

该方案对网络的功能及配置要求如下：

（1）PCF：支持配置用户签约数据并签约用户MEC业务，PCF需向AMF订阅用户位置信息。

（2）SMF：根据DNN及用户位置选择中心UPF作为锚点;基于特定TA新增额外锚点（边缘UPF）同时插入UL CL，并能区分配置中心UPF和边缘UPF（中心UPF覆盖区域包含了边缘UPF的覆盖区域;SMF配置边缘UPF的UL CL分流规则，并支持通过N4接口下发给边缘UPF。

（3）UPF：支持SMF通过N4接口下发的UL CL分流规则，并进行分流。

3.5  位置及应用检测UL CL方案

方案需要将应用相关信息（五元组信息、应用URL）配置在5G核心网元，在用户移动到MEC区域并使用特定应用时，将触发UL CL插入。方案流程图如图9所示，具体说明如下：

前置条件：PCF、SMF、中心UPF分别签约并配置应用流检测信息，PCF订阅用户位置信息。

（1）初始PDU会话建立，锚定在中心UPF，PCF将应用流检测标识以及对应事件下发给SMF，SMF对应下发给中心UPF。

（2）中心UPF根据应用标识对应的filter检测出业务流，触发事件上报SMF。

（3）SMF通过更新信息上报PCF。

（4）在前置条件中，PCF向AMF订阅了用户位置信息，因此AMF会将用户位置信息上报给SMF。

（5）当用户移动进入MEC区域时，PCF将结合用户位置信息及应用流检测结果，触发UL CL插入。

（6）SMF触发UL CL建立过程，用户初始PDU会话路径插入边缘UPF。

该方案对网络的功能及配置要求如下：

（1）PCF：PDU会话激活时候PCF下发策略ID，Flow description（流描述信息）， Trigger（触发器）给SMF，并能根据业务流和位置信息决策UL CL插入。

（2）SMF：根据DNN及TAI位置选择中心UPF作为锚点，通过N4接口将策略ID和Trigger（触发器）发送给UPF，接收UPF事件上报并发给PCF，PCF下发MEC业务流给SMF。

（3）UPF：中心UPF根据SMF下发的策略ID、业务流量检测，并能上报事件给SMF;边缘UPF支持MEC业务分流。

3.6  能力开放UL CL方案

方案需要MEC/APP通过Traffic Influence触发UL CL插入策略，MEC可以充当AF+NEF角色，向PCF触发ULCL插入策略。方案流程图如图10所示，具体说明如下：

前置条件：NEF支持向应用方开放两个API，包括流量引导功能（Traffic Influence）及用户位置功能（Monitoring Event）。

（1）初始PDU会话建立，锚定在中心UPF。

（2）应用通过NEF开放的用户位置功能订阅API，将向AMF订阅用户位置信息。

（3）用户移动到特定位置。

（4）AMF最终将用户位置信息提供给NEF，NEF转换用户位置信息后通知应用。

（5）应用通过NEF触发流量引导功能。

（6）NEF向PCF发送策略授权请求（Npcf_PolicyAuthorization_Create），其中包含用户IP源地址以及业务IP目的地址。

（7）PCF向SMF发送SM策略控制更新请求（Npcf_SMPolicyControl_UpdateNotify），该消息包含对该PDU会话的PCC规则，SMF根据收到的PCC规则重新选择UPF。

（8）SMF与边缘UPF建立N4会话，协商分配GTP隧道地址和TEID，然后SMF将边缘UPF与UL CL合设的N9隧道信息更新至中心UPF，用户下行数据链路将从中心UPF经过UL CL（边缘UPF）然后发送到RAN;SMF再将边缘UPF与UL CL合设的N3隧道信息更新至RAN，以保证RAN能将上行数据正确发送到指定的合设UL CL（边缘UPF）;用户PDU会话经过边缘UPF，通过UL CL分流。

该方案对网络的功能及配置要求如下：

（1）PCF：支持AF触发的流量引导（基于位置），向SMF下发流量引导策略（策略ID，分流信息包括用户地址、业务目的地址等）。

（2）MEC（作为AF）：支持配置位置信息和边缘UPF的对应关系，配置流量引导策略，包括APP ID、用户标识、应用流信息、数据网接入标识等。

（3）NEF：支持向应用方开放两个API，包括流量引导功能（Traffic Influence）及用户位置功能（Monitoring Event）。

（4）SMF：根据DNN及用户位置选择中心UPF作为锚点;基于特定TA新增额外锚点（边缘UPF）同时插入UL CL，并能区分配置中心UPF和边缘UPF（中心UPF覆盖区域包含了边缘UPF的覆盖区域;SMF配置边缘UPF的ULCL分流规则，并支持通过N4接口下发给边缘UPF。

（5）UPF：支持SMF通过N4接口下发的UL CL分流规则，并进行分流。

4   5G MEC分流方案对比

5G MEC分流方案根据不同的使用场景和需求而有所不同，各方案优劣势及应用场景建议见表1。

具体分析如下：

LADN属于5G新引入特性，对终端有新的功能要求，包括支持在特定TA区域下发起或请求释放LADN会话、支持URSP（UE Route Selection Policy，UE路由选择策略）用于配置LADN DNN并将应用流绑定到LADN DNN上。根据对产业链的调研，5G核心网设备已支持LADN功能，而终端对该功能的支持还要视商业需求待实现，因此端到端LADN方案的成熟还需要一段时间的开发测试及验证。

DNN方案与4G APN方案类似，4G受限于终端支持多APN会话的局限性，未能规模商用此方案，而5G终端支持多PDU会话的能力会得到极大改善。同时DNN方案对终端、网络的要求较小，5G商用初期可选择此方案实现MEC业务快速上线。但随着5G业务发展，如果为每个MEC客户分配独立DNN，对核心网设备特别是UPF支持DNN的数量将会是极大挑战。

UL CL方案涉及到不同条件下触发UL CL的插入、修改和删除，终端并不感知UL CL的变化过程。触发UL CL的条件包括了用户移动到特定位置、用户签约关系、用户使用特定应用以及应用通过调用能力开放接口触发。

特定位置触发UL CL和LADN场景类似，都是用户移动到特定位置时触发分流，触发条件简单易实现，适用于对公众用户开放的MEC场景，例如游客通过5G手机终端在博物馆内体验AR/VR业务。

当在同一MEC区域内要区分用户群体时，可采用位置及用户签约触发UL CL的方案。例如在工业园区内，可为园区管理人员和园区IoT终端进行签约，当他们在园区区域时，可接入到园区MEC平台;而其他非园区相关人员和终端无法直接通过网络分流接入到园区MEC平台。

通过位置及应用检测触发UL CL方案的关键点在于应用检测的条件、准确性以及时机，因为应用URL及IP可能会频繁变化，并且可能使用加密协议，对网络侧的配置及识别能力提出不小挑战，另外如果在用户使用业务过程中才完成检测触发UL CL，可能会引起TCP断流从而造成业务中断。基于上述问题，可以考虑在应用发起DNS请求时触发UL CL。

能力开放UL CL是一種与应用紧耦合的方案。应用可根据业务需求动态地为用户提供就近接入，例如VIP用户在MEC区域使用业务时。该方案在商用落地时，需重点解决两个问题：一是用户IP地址的获取，用于5GC内部的网元寻址及会话绑定，另外一个是用户位置信息，用于MEC区域的判定及用户面的选择。

5   结束语

5G时代，运营商纷纷将MEC作为杀手锏业务，并结合AI、切片技术的应用，满足垂直行业、公众用户的低时延、高带宽及安全的业务需求，而实现MEC的分流是MEC落地部署的第一步。本文基于3GPP基本分流技术，结合不同场景和触发条件给出了6种分流方案，并对各种方案的流程、要求及适用场景进行了分析并给出了建议，运营商可基于不同场景需求采用不同方案。当然，MEC的商用部署，除了结合场景确定分流方案，还需进一步研究边缘业务地址获取、自动化开通配置、计费问题、安全问题等，这些都是需要未来进行重点研究并统筹考虑的问题。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TS 23.501： System architecture for the 5G System （5GS） Stage 2（Release 15）[S]. 2017.

[2]    3GPP. 3GPP TS 23.501： System architecture for the 5G System （5GS） Stage 2（Release 16）[S]. 2019.

[3]    3GPP. 3GPP TS 23.502： Procedures for the 5G System （5GS） Stage 2（Release 15）[S]. 2017.

[4]    3GPP. 3GPP TS 23.502： Procedures for the 5G System （5GS） Stage 2（Release 16）[S]. 2019.