5G网络能力开放部署及关键技术方案

林奕琳，何宇锋，刘玉芹，单雨威

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630）

0 引言

移动网络能力开放有助于繁荣互联网应用的业务发展，提升运营商网络附加值，并带来用户体验的提升，取得运营商、应用服务商、用户三方共赢的协同发展格局，一直以来是研究和关注的热点。国际和国内标准组织都广泛关注网络能力开放相关问题，3GPP 已经从移动网络业务能力开放的场景、需求、能力开放架构和关键技术等几个方面展开了深入研究。我国IMT2020（5G 推进组）网络组也成立了能力开放子组，重点研究面向5G 网络能力开放的场景以及能力开放对5G 网络的影响等问题。

5G 基于服务的网络架构使得网络的部署更加灵活、开放，新业务的开发及网络功能的演进更加高效，对垂直行业的支持性也更加友好。基于这一基础优势，网络能力开放的功能、部署及关键问题等方面需要与5G 网络架构进行同步的研究和突破。基于此，本文对5G 网络能力开放的框架及网络能力、部署方案及策略建议、部署关键问题及方案进行了研究及总结。

1 5G网络能力开放架构及能力

1.1 3GPP标准的5G网络能力开放架构、能力

在能力开放方面，3GPP 标准引入NEF（Network Exposure Function，网络开放功能），由NEF 提供5G网络能力的汇聚及对外开放，包括对内面向其他5GC（5G Core Network，5G 核心网络）网元以及对外面向AF（Application Function，应用功能）开放，与4G 网络不同，在5G 网络中NEF 通过服务化架构以总线方式与所有其他5GC 网元对接。如图1 所示[2]，NEF 南向与其他5GC网元对接，北向通过N33/Nnef 接口提供能力API 接口供AF 调用。NEF 支持对外开放的典型5G 网络能力包括事件监控、QoS、参数配置、计费和流量引导能力等。

图1 5G NEF架构

（1）事件监控能力

NEF 通过与5G 其他网元的对接，实现对应网元事件的监控。AF通过NEF 向UDM（Unified Data Management，统一数据管理）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）或SMF（Session Management Function，会话管理功能）订阅特定的监控事件，并通过NEF 接收来自UDM、AMF 或SMF 的事件报告。监控事件包括连接丢失、UE 可达性、位置报告、SUPI（Subscription Permanent Identifier，用户永久标识）-PEI（Permanent Equipment Identifier，永久设备标识）关联变化、漫游状态、通信失败、下行通信恢复、PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话状态、特定区域内用户数、CN（Core Network，核心网络）类型改变、下行数据传输状态以及UE 短信发送可达性等。NEF 根据监控事件订阅中指定的最大报告数量或时长判断是否已经达到接收报告的最大数或时间期限，判断是否向UDM、AMF 或SMF 等网元取消监控事件订阅。

（2）QoS 能力

AF 可通过QoS 能力为应用或应用中的会话请求分配带宽和带宽优先级等。AF 发送应用对应的QoS 保障请求信息给NEF，NEF 将收到的QoS 信息发送给PCF（Policy Control Function，策略控制功能）。QoS 保障请求信息包括UE IP 地址、上下行IP 流描述、QoS 参考标识、数据连接的时长或流量描述等。PCF 完成策略的下发。NEF 在收到PCF 的回复时，通知AF 请求的QoS 是否被接纳。

（3）参数配置能力

参数配置能力允许AF 向网络提供UE 相关信息（如可预测的UE 行为参数、网络配置参数或位置隐私指示）或者5G VN（Virtual Network，虚拟网络）组相关信息（如5G VN 组数据或组成员管理）。可预测的UE 行为参数（包括计划移动轨迹、周期性通信间隔等）刻画一个或一组UE 的预期行为，网络配置参数包括UE 处于可达状态的最大时长、UE 下行数据传输可接受的最大时延等。这部分参数可作为UE 签约数据的一部分，存储在UDM 的数据库中，并支持AF 通过NEF 对相关参数进行新增、更新及删除等操作。UDM 会将相关参数变化情况发送给订阅签约数据变更通知的其它网元，使得对相关参数的配置实际生效。

（4）计费能力

计费能力支持AF 在会话建立或会话进行过程中请求改变网络计费方。AF 提供计费方控制信息给NEF，NEF将其转发给PCF，PCF 根据收到的信息更新对应的PCC（Policy and Charging Control，策略和计费控制）计费策略，使得网络在后续的话单中体现新的计费方信息。

（5）流量引导能力

流量引导能力支持AF 请求对特定的业务流，根据终端位置选择尽量短的用户面路径。如当AF 面向一个UE（使用IP 地址标识该UE）创建或修改流量引导策略，NEF 将AF 创建或修改流量引导策略的请求提交PCF，由PCF 完成相关策略的下发。最终网络根据用户的位置等判决依据，在用户面路径中插入（或删除）一个ULCL UPF，实现流量的本地分流。

1.2 网络能力开放框架标准CAPIF

为了标准化地集成网络服务并开放给应用层，避免API 能力开放标准的碎片化，3GPP TS 23.222 定义了CAPIF（Common API Framework，通用API 框架）能力开放框架标准作为通用标准[3]，网络架构如图2 所示，系统架构中包括以下功能实体：

图2 基于CAPIF的网络架构

（1）API invoker：API 调用方，一般为第三方应用程序，相当于上文所述的AF，可部署在运营商网络可信域内或域外。

（2）CCF（CAPIF Core Function，CAPIF 核心功能）：具体功能包括API 发现（针对API invoker），基于API invoker 信息、API 信息等进行API 调用前认证，使用API 之前的授权，日志和计费等功能。CCF 提供了API的所有控制有关功能。

（3）AEF（API Exposing Function，API 开放功能）：服务API 的提供者，API invoker 到服务API 的入口，与CCF 配合实现对API invoker 的认证/授权，记录服务API 的调用日志并发送给CCF。

（4）APF（API Publishing Function，API 发布功能）：提供API 信息发布功能，向CCF 发布API 信息，以便API invoker 可以发现API 服务。

（5）AMF（API Management Function，API 管理功能）：提供管理API 的功能。

当前CAPIF 在3GPP 标准中是可选功能，如果网络支持CAPIF，则NEF 主要承担CAPIF 框架中API provider domain（API 提供者域）相关功能，即AEF、APF 以及AMF。

2 5G网络能力开放部署方案及策略建议

3GPP 更多关注的是NEF 功能、标准接口的制定，而运营商在建设部署NEF 时需综合考虑业务场景需求、业务灵活性、5GC 建设现状等因素。本节结合以上考虑，介绍3 种NEF 部署方案并对比分析。

2.1 NEF全国集中部署方案

在NEF 全国集中部署方案场景下（如图3 所示），全国NEF 直接对接各省或大区5GC 网元（如PCF、UDM、AMF 和SMF 等），各层级业务运营平台需通过全国NEF 进行具体的5G 网络能力调用。

图3 NEF全国集中部署

典型场景：5G 2B（To-Business）集约场景。为更好发挥集约运营优势，适配5G 2B 业务发展，5G 2B 业务（特别是物联网业务）多采用集约组网方式部署，集约组网网元一般包含负责业务策略及用户数据存储/ 签约的PCF、UDM。因此在5G 2B 集约场景下，建议部署全国集中NEF 与5G 2B 集约网元对接，进行QoS、数据配置、状态监控等网络开放能力的调用，可避免多平台对同一用户的策略冲突调用，同时也节约了建设部署资源。

存在的问题：5G 网络能力开放调用请求需汇聚到集中部署的全国NEF，再路由分发到各实际承载网络能力的网元，存在一定的路由迂回，对能力调用有快速响应需求的业务场景有影响。另外，一些特定的5G 网络能力调用（如区域用户数查询）需在NEF 预配置关系表（如位置标识与网络标识之间的映射），在全国NEF 维护的这张“映射表”配置工作量大。最后，由于省份的业务平台需接入到全国NEF，因此在发展省份特色业务时，存在着业务部署/ 开通相对不灵活、工单流程长的问题。

2.2 NEF全国、省份两级部署方案

在NEF 全国、省份两级部署方案场景下（如图4 所示），两级NEF 之间支持消息路由机制，由省份NEF 对接各省PCF、UDM、AMF、SMF 等5GC 网元进行具体的5G 网络能力调用，各层级业务运营平台按需对接全国NEF 或省份NEF。此部署方案既可支持全国“一点接入，统一运营”，也能很好地支持各省开展特色业务。

图4 NEF全国、省份两级部署

典型场景：OTT、全国/省份特色能力；边缘应用业务需求[4]。相对于4G，5G 网络能力开放新引入了应用影响路由的能力（Application Function influence on traffic routing）[1-2,5]。MEC 场景下，应用向NEF 请求在用户建立的PDU Session（PDU 会话）路径中插入上行分类器（UL CL,Uplink Classifier）进行边缘分流，实现业务数据的灵活路由。同时，应用可结合NEF 开放的位置订阅功能，在5G 用户移动到MEC 边缘区域时及时触发分流的实现。因此，为减少业务调用时延，NEF 需与5GC 控制面网元同级部署，两级部署方案中的省级NEF 可很好满足此需求。

需考虑的问题：研究漫游场景下的会话绑定方案及不同的5G 网络能力消息路由机制。对于这两个问题，本文将在下一节进行详述。另外，为兼顾各种对时延敏感、可靠性要求高的应用的需求，此方案还能结合5GC 的部署延伸至三级部署方案，即增加边缘平台一层，但方案的总体投资成本高，平台建设周期稍长（可以基于市场需求驱动、投入产出情况，分批、分步部署）。

2.3 NEF省份网状部署

在NEF 省份网状部署方案场景下（如图5 所示），各省设置NEF 负责省份业务，对于全国业务以及漫游场景，需由省份NEF 之间负责路由转发，最后分发到实际承载网络能力的5GC 网元。

图5 NEF省份网状部署

典型场景：由于NEF 不是5G 网络建设初期的必选网元，省份会根据各自业务发展需求考虑NEF 的建设，因此可能会出现部分“业务大省”率先建设NEF 的情况。随着业务需求的增加以及5G 网络建设的逐步完善，NEF 省份网状部署的结构可能演进为全国、省份两级部署结构。

需考虑的问题：作为5G 网络初期的一种可能形态，NEF省份网状部署未能发挥集约运营优势，后期发展限制性较大。

2.4 NEF部署方案对比

本节从业务运营、业务响应、建设需求等方面重点对NEF 集中部署、NEF 两级部署方案进行对比，详见表1（网状部署方案作为两级部署方案的前期形态，具体对比可参考两级部署方案的分析）。

表1 NEF部署方案对比

NEF 全国集中部署有着集约运营的优势，初期建设需求小，投资成本低，但存在着业务响应时延大、难以快速满足不同应用场景的需求、配置维护复杂、容灾压力大等不足。NEF 两级部署可灵活解决以上的不足，还能按需扩展至三级部署，但由于引入了多级NEF 路由机制，因此网络能力调用过程中多了路由跳数，并且相比集中部署方案，两级部署的初期建设投入大、周期较长。运营商在部署NEF 时，可结合自身实际的5GC 网络建设、业务需求等因素进行选择。

3 5G网络能力开放部署关键问题及方案

上一节中提到，运营商部署NEF 时需解决漫游场景下的会话绑定问题，是由于用户建立PDU 会话时，SMF会通过N7 接口向PCF 获取PCC 规则，在NEF 收到来自应用的PCC 策略相关能力调用请求时，NEF 需要寻址到上述为当前用户服务的PCF。比如在QoS 能力调用时，NEF 通过寻址到当前用户PDU 会话的服务PCF，实现用户的业务数据流（Service Data Flow）和特定的QoS 流（specific QoS Flow）的唯一关联。

当网络中部署多个可单独寻址的PCF 时，3GPP 在5G规范[2,5-6]引入了BSF（Binding Support Function，绑定支持功能）实现5G 用户PDU 会话绑定功能，BSF 针对每一个PDU 会话，存储用户标识、DNN（Data Network Name，数据网络名）、UE 地址（IP 地址或MAC 地址等）、SMF 已选择的PCF 的地址等会话绑定信息，以确保基于UE 地址识别UE 的业务发送策略时，为NEF 提供PCF 地址查询服务，使得NEF 可以为UE 寻址到当前PDU 会话的服务PCF。

考虑到初期BSF 网元部署及技术方案实施的复杂性，也需要考虑无BSF 时的方案问题。本节将对会话绑定过程中是否涉及BSF 进行不同的方案探讨。

3.1 拜访地BSF方案，根据会话绑定关系查询PCF

如图6 所示，该方案主要通过用户漫游时所在的拜访地BSF 进行用户会话绑定信息的存储，NEF 基于用户ipv4+ipDomain 向拜访地BSF 查询用户PDU 会话所在的PCF，根据查询到的PCF IP 地址或FQDN（Fully Qualified Domain Name，全限定域名），NEF 向服务PCF 发起5G 网络能力调用。

图6 拜访地BSF方案

方案流程：

（1）拜访地BSF 向NRF 注册，注册信息中包含BSF 支持的ipv4 地址段以及ipDomain 列表信息。

（2）用户PDU 会话创建时，拜访地SMF 选择用户归属地PCF 获取策略信息（N7 接口）。

（3）归属地PCF 开启了会话绑定，则归属地PCF 将基于用户ipv4+ipDomain 信息向NRF（LNRF 及HNRF，两级组网NRF）查询获取BSF 地址信息，NRF 返回拜访地BSF 地址信息。

（4）归属地PCF向拜访地BSF注册基于ipv4+ipDomain 的用户会话绑定信息，注册信息用户地址、DNN、S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，单个网络切片选择辅助信息）、SUPI、GPSI（Generic Public Subscription Identifier，通用公共用户标识）、ipDomain 等用户PDU 会话相关信息和对应的PCF 信息。

（5）发生PCC 相关能力能力调用时，向LNRF 及HNRF 查询BSF 信息，获取到拜访地BSF 地址。

（6）NEF根据上一步获取的信息，基于ipv4+ipDomain 向拜访地BSF 查询PCF 绑定信息，查询结果包括：SUPI、GPSI、S-NSSAI、DNN、PCF 信息。

（7）NEF 向归属地PCF 发起策略授权请求（N5 接口），实现N5 接口与N7 接口寻址到同一PCF，完成用户会话绑定。

方案要求：

（1）ipDomain 字段规划，ipDomain 是为解决私网ipv4 复用带来的会话绑定问题，因此运营商在全网统一进行ipDomain 的规划时，需考虑在ipDomain 包含域信息以及位置信息（大区标签、省/地市标签等）。

（2）多级组网的NRF 需支持基于ipDomain 进行消息转发，现网NRF 一般支持基于用户号段的消息转发，在此方案中，要求NRF 支持基于ipDomain 的消息转发，用于拜访地BSF 信息的查询。

（3）ipDomain 如何获取的问题，可以考虑在NEF 配置公网IP 与ipDomain 的映射关系，或者通过UPF 的HTTP头增强功能，在HTTP 扩展分组头中插入ipDomain 信息。

（4）漫游场景下还涉及了PCF 与BSF 的跨省互联，涉及异厂家对接，需在方案部署前完成接口及功能的互操作测试。

3.2 归属地BSF方案，根据会话绑定关系查询PCF

如图7 所示，该方案通过用户归属地BSF 进行用户会话绑定信息的存储，NEF 基于用户ipv4+SUPI/GPSI 向归属地BSF 查询用户PDU 会话的服务PCF，根据查询到的PCF IP 地址或FQDN，NEF 向服务PCF 发起5G 网络能力调用。

图7 归属地BSF方案

方案流程：

（1）归属地BSF 向NRF 注册，注册信息中包含BSF 支持的用户号段SUPI/GPSI（归属地信息）。

（2）用户PDU 会话创建时，拜访地SMF 选择用户归属地PCF 获取策略信息（N7 接口）。

（3）归属地PCF 开启了会话绑定，则归属地PCF将基于用户号段信息SUPI/GPSI 向NRF 查询获取BSF信息，NRF 返回归属地BSF 信息，或因为PCF 及BSF都同在归属地，PCF 可直接配置BSF 地址信息进行访问。

（4）PCF 在BSF 上注册基于ipv4+SUPI/GPSI 的会话绑定信息，注册信息包括用户地址、DNN、S-NSSAI、SUPI、GPSI 等用户PDU 会话相关信息和对应的PCF 信息。

（5）NEF 基于用户号段SUPI/GPSI 向NRF 查询BSF 信息，获取到归属地BSF 地址。

（6）NEF 根据上一步获取的信息，基于ipv4+SUPI/GPSI 向归属地BSF 查询PCF 绑定信息，查询结果包括：SUPI、GPSI、S-NSSAI、DNN、PCF 信息。NEF 向归属地PCF 发起策略授权请求（N5 接口），实现N5 接口与N7 接口寻址到同一PCF，完成用户会话绑定。

方案要求：

（1）BSF 向NRF 注册信息需支持用户号段信息（SUPI/GPSI），用于NEF 向NRF 查询时可查找到用户归属地BSF，目前的国际标准尚不支持此功能，初期可以考虑通过运营商企业标准进行定制化实现。

（2）NEF 获取用户号段信息（SUPI/GPSI）的方案，可以分别考虑从应用侧或者网络侧来获取，应用本身可通过客户端或者签约方式获取用户号码信息；网络侧可以通过UPF 的HTTP 头增强插入功能，或者提供能力开放方式支持用户号段信息的查询。

3.3 非BSF方案，根据SUPI/GPSI查询PCF

如图8 所示，该方案由PCF 直接携带号段信息在NRF 上注册，NEF 可以通过NRF 的查询接口使用SUPI/GPSI 获取服务PCF 信息，无需通过BSF 查找PCF。

图8 根据SUPI/GPSI查询PCF（无BSF）

方案流程：

（1）PCF 携带号段信息SUPI 或GPSI 在NRF 上注册。

（2）用户PDU 会话创建时，拜访地SMF 选择用户归属地PCF 获取策略信息（N7 接口）。

（3）NEF 可以通过NRF（L-NRF 及H-NRF，两级组网NRF）查询获取服务PCF 信息。

（4）NEF 根据查询到服务用户的PCF 地址，向归属地PCF 发起策略授权请求（N5 接口），实现N5 接口与N7 接口寻址到同一PCF，完成用户会话绑定。

方案要求：

（1）SMF 选择PCF 的方式需要根据号段进行规划，如果SMF 按照负荷分担方式选择PCF，NEF 从NRF 中查询获取到的是多台含该号段的PCF 信息，无法准确找到服务PCF（临时解决方案可以考虑在NEF 增加轮询机制，即NEF 需遍历满足条件的所有PCF，直至查找到用户PDU 会话所在的PCF）。

（2）由于采用号段进行网元选择，会带来号段信息更新的工作量；如今携号转网服务已全面开放，携号转网的用户GPSI 保持不变，因此如果通过GPSI 进行PCF寻址，需要及时更新配置各运营商的GPSI 号段信息，对配置运维、NRF 的号段处理及缓存资源要求增加。

3.4 会话绑定方案对比

表2 对3 种不同的会话绑定方案进行比较分析，如果现网部署BSF 且PCF 开启了会话绑定功能，采用BSF 方案将更有利于5G 能力开放业务的发展，但BSF 是5G 新引入的网元，部署BSF 时需考虑多个因素，如BSF 部署形式、是否与DRA（Diameter Routing Agent，Diameter路由代理）或SMF 合设、是否引入SCP 等。采用拜访地BSF 还是归属地BSF 对周边网元也有不同的功能要求。非BSF 方案的特点是对周边业务网元的要求大大降低，便于在现网快速实现，但从长远的业务发展角度来看，存在诸多限制因素（SMF 选择PCF 的方式、携号转网的影响等），因此更加适合初期业务发展或局部组网的情况。

表2 5G网络能力开放的不同会话绑定方案对比

综上所述，初期基于业务需求推动、且网络规模及用户规模较小情况下，可采用无BSF 方案，中远期应向标准BSF 方案演进。

3.5 其他关键问题及方案

5G 网络能力开放的会话绑定方案主要解决的是涉及PCF 相关的策略控制能力路由问题，5G 网络能力开放还包含NEF 对其它网元的发现问题，如如何发现UDM、AMF、SMF 等，针对涉及的不同网元及能力，建议如下：

（1）UDM 发现：NEF 通过NRF 寻址（基于用户号段信息）。

（2）AMF 发现：根据不同的AMF service 采用不同发现方案。

（3）如位置订阅（Location-Report），NEF 通过UDM 向AMF 进行订阅。

（4）如AOI 事件（Presence-In-AOI-Report），NEF 通过向UDM 查询，获取用户所在AMF 实例后，NEF 向AMF 订阅。

（5）如区域用户数事件（UEs-In-Area-Report），在NEF 上配置寻址局数据。

（6）SMF 发现：NEF 通过UDM 查询用户所在的SMF 实例。

4 结束语

5G 网络与垂直行业的融合催生了大量网络能力开放需求，尽早部署以NEF 为基础的5G 网络能力开放平台将有利于运营商提升5G 网络附加值，亦能助力行业客户按需提供定制化应用，提高5G 网络粘性。本文基于业务场景需求、业务灵活性、5GC 建设现状等因素给出3 种NEF 部署方案，同时还重点分析5G 网络能力开放中涉及的会话绑定问题并提供3 种解决方案，为运营商的5G 网络能力开放部署方案提供了参考。未来，运营商应更加聚焦自身擅长的核心能力，以客户需求为中心提供5G 能力开放的运营支撑和生态服务，共筑5G 生态繁荣。