基于5G的MEC应用部署研究和政务园区实践

在5G 时代，移动通信将进一步实现物与物、物与人更加多元化的连接，最终走进万物互联的时代。不同的行业领域对网络带宽、时延、可靠性等方面的需求各有侧重，引入MEC技术可以充分发挥5G 网络优势，解决不同垂直行业用户的应用需求，创造更多网络价值。结合5G及MEC的技术特点，对基于5G的MEC应用部署进行研究。同时，参与某政务园区5G+MEC平台的的应用部署实践，根据客户需求制定实施方案并通过验证，有力支撑了5G新业务发展。

背景

5G 时代，移动通信将进一步实现物与物、物与人更加多元化的连接，最终走进万物互联的时代。不同行业领域具有差异化的应用场景，对网络带宽、时延、可靠性等方面的需求各有侧重，传统网络的集中部署方式已经无法满足业务需求。如何充分挖掘运营商网络能力，发挥5G 网络优势，解决不同垂直行业用户的应用需求，已经成为亟待解决的问题。

多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）的提出对于运营商而言是一个提升网络价值的契机，它将推动产业链价值重构。随着5G网络建设规模的不断加大，运营商在部署新一代网络的过程中引入MEC技术，使内容与计算能力下沉，从而有效支撑时延敏感型、大计算及高处理能力需求的业务，助力运营商实现从连接管道向信息化服务使能平台的转型，为行业数字化转型赋能，为未来创造更多网络价值。

基于5G技术的MEC应用部署研究

5G之前的网络，包括5G非独立组网，基本都是按照接入网、承载网、核心网的业务处理模式，最后由核心网决定怎么去调度和处理。在这种网络模式下，MEC应用没有办法实现业务处理的完全下沉，只能实现部分功能。

随着5G的到来，在5G标准中，3GPP SA2下一代网络构架研究（3GPP TS 23.799）以及 5G 系统架构（3GPP TS 23.501）对 MEC 予以了支持。MEC 可以根据应用标识、IP地址、数据流规则等通过5G控制面AF传递给 PCF（Policy Control function），从而影响 SMF（Session Management Function）对 UPF（User planeFunction）进行选择及PDU会话的建立。

5G网元及无线网CU/DU架构

5G 核心网摒弃了传统设备功能实体的设计，采用了虚拟化技术和服务化架构（Service-based Architecture，SBA）的设计理念，控制面和用户面彻底分离，UPF作为独立的用户面实体，可以根据需要部署于各层级机房。而无线网则采用CU/DU架构，可以部署于无线接入机房和边缘汇聚机房。5G 网络架构和用户面部署方式如图1所示。

图1 5G 网络架构和用户面部署方式

根据 5G 网络特点，针对不同业务的应用场景，MEC可以灵活地在多个网络位置进行部署。

a）MEC与基站CU单元、核心网转发面UPF部署于接入机房或者用户机房。此方式适用于移动速度低但对时延敏感或者可靠性要求高的业务，例如工业控制、智能制造等场景。

b）MEC和UPF一起部署于边缘汇聚机房、与5G gNB CU单元经过传输接入环相连，或者MEC、UPF和CU单元共同部署于边缘云。该方式适合部署于高带宽、移动范围广且有时延要求的业务场景，例如云游戏、移动视频监控、AR/VR等。

5G的会话及业务连续性

针对5G网络架构中UPF的多层次部署以及业务应用本地化带来的会话及业务连续性 SSC（Sessionand Service Continuity）问题，3GPP 给出了 3 种会话及业务连续性管理（SSC）模式，以保证终端高移动性场景下的用户体验。

a）SSC模式1：用户在移动过程中，PDU会话建立时的锚点UPF保持不变。在此模式下，应用对带宽与时延都没有特别高的要求，适用于普通的互联网应用场景。

b）SSC模式2：当用户离开锚点UPF区域时，网络会先释放掉原有 PDU 会话，并立即建立新的 PDU 会话。在此模式下，应用对带宽有较高要求，短暂的业务中断不会对用户的体验造成较大影响，适合高清视频、AR/VR等场景。

c）SSC模式3：当用户离开锚点UPF区域时，保持原有的PDU会话，同时建立新会话，最后再释放掉原有的PDU会话。此模式下，应用对时延和网络可靠性要求很高，适合车联网、智能制造等场景。

5G MEC的业务分流

5G核心网SMF有灵活的会话管理机制，结合PCF的策略管理功能，在MEC的部署过程中，可以根据不同的业务场景实现多样化的本地流量疏导。

DNN（Data Network Name）方案

核心网 UDM 为用户签约专用 DNN，用户终端配置专用 DNN并发起会话建立请求，SMF根据 DNN选择目的边缘UPF，完成PDU会话建立，即可接入与边缘UPF对接的MEC平台。DNN方案实现简单，对终端和网络的要求较小，选择此方案可以实现MEC业务快速上线，但此方案只支持单DNN接入，不支持同时访问Internet和本地分流业务。DNN方案如图2所示。

图2 DNN方案

目前，DNN方案在工业互联网应用比较广泛，在云巴、轻轨等智慧交通行业及智慧园区上也有应用。在这些场景中，USIM卡芯片一般是定制集成在终端上，专卡专用，终端没有同时访问Internet和本地分流业务的需求。同时，结合5G网络切片功能，该方案可以很好地满足低时延、高可靠、高带宽等业务性能要求。

例如，在工业互联网的 5G+智慧矿山应用中，给UE配置专用DNN，通过定制高5QI优先级保障+RB无线资源预留+FlexE+VPN隔离的切片方案，以低时延、高可靠性的能力进行采煤机、掘进机的远程控制以及井下铲运车、齿轨车的远程驾驶；通过定制5QI优先级保障+RB无线资源共享+VPN共享的切片方案，提供高带宽和较高优先级的能力，实现井下视频回传和硐室、综采工作面、巷道等场景的高清视频监控。此外，DNN方案在智慧钢铁、工业制造、智慧港口等工业互联网场景中也有类似的应用。

在智慧交通行业的云巴、轻轨应用中，给UE配置专用DNN，定制低时延、高可靠性的切片方案，通过列车 CBTC 系统（Communication Based Train Control System）控制信息的传输，根据列车运行的实际情况，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调整。通过定制高带宽和较高优先级的切片方案，进行列 车 乘 客 信 息 系 统（PIS）信 息 传 输 和 列 车 CCTV（Closed Circuit Television）信息实时回传。

LADN（Local Area Data Network）方案

LADN只允许UE在特定区域内访问该数据网络，UE需要签约专用DNN，而且需要特定终端支持，AMF会在Registration Accept消息中将DNN和服务区域发送给UE。当用户移动到LADN服务区域时，终端请求建立 PDU 会话，SMF 选择 UPF 实现本地边缘网络接入。此时用户可以同时拥有互联网及 LADN 会话。LADN方案如图3所示。

图3 LADN方案

LADN属于5G新引入的特性，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UE路由选择策略（用于将应用流绑定到LADN DNN上）。

目前，LADN方案有在智慧教学的场景中进行应用。在VR/AR教学中，为减小业务时延，采用MEC边缘云架构，将对时延要求高的渲染功能靠近用户侧部署，可以提升传输速率，改善学习体验。

UL CL（Uplink Classifier）方案

对于 IPv4、IPv6 或 IPv4v6 类型的 PDU 会话，都可以采用UL CL方案。在用户PDU会话建立过程中或建立完成后，SMF可以在PDU会话的数据路径中插入或者删除支持UL CL功能的UPF，并基于SMF提供的流量检测和流量转发规则，向不同的 PDU 会话锚点UPF转发上行业务流，分流至MEC平台；同时将不同PDU会话锚点UPF的下行业务流合并到UE。

满足触发条件插入UL CL后，还需要将业务数据包与流过滤规则进行匹配，符合流过滤规则的数据包才会被转发到指定的路径（一般是本地MEC平台），不符合流过滤规则的数据包则按照常规路径转发。常见的流过滤规则配置有IP五元组和应用URL：IP五元组指源IP地址/端口、目的IP地址/端口和传输层协议，将用户业务数据包的五元组信息与流过滤规则里配置的五元组信息进行对比，如果匹配则转发到指定路径；而应用URL则要求MEC平台将需要分流的本地IP地址与URL对应起来，判断用户业务数据包里的URL信息与流过滤规则里配置的URL信息是否匹配，如果匹配则转发到指定路径。在不进行特定配置的情况下，流过滤规则里的IP五元组和应用URL一般默认是ANY，即所有业务流默认匹配成功，数据包转到指定路径。UL CL方案如图4所示。

图4 UL CL方案

UL CL方案根据触发条件的不同可以细分为以下几种。

特定位置UL CL方案

特定位置 UL CL 方案是指在 SMF上配置分流策略，当用户移动到特定位置（TAC）时，AMF向 SMF上报用户的位置信息，SMF根据用户位置信息及分流策略触发 UL CL 分流。此方案的流过滤规则默认是ANY，即所有业务流量都分流到本地MEC。

特定位置触发UL CL分流和LADN 场景类似，都是用户移动到特定位置时触发分流，适用于对公众用户开放的MEC场景，如在博物馆内体验AR/VR业务。由于MEC区域所有用户（即使不使用MEC业务）都会接入边缘UPF，可能会对边缘UPF造成压力。

位置及用户签约UL CL方案

用户需在 PCF 上签约支持使用 MEC 业务，并且PCF订阅用户位置信息。当用户移动到MEC区域时，AMF通过SMF向PCF上报用户位置信息，PCF根据用户位置信息及签约信息触发UL CL插入流程，新增边缘UPF锚点并插入UL CL。此方案的流过滤规则默认是 ANY，即签约用户的所有业务流量都分流到本地MEC。

当在MEC区域内区分用户群体时，可采用位置及用户签约触发UL CL的方案，只有签约了此MEC业务的用户才会触发业务分流，避免MEC区域所有用户都占用边缘UPF资源。

位置、签约及应用检测UL CL方案

用户需在PCF上签约支持使用MEC业务，PCF订阅用户位置信息，并在PCF、SMF和中心UPF上分别配置特定的应用流过滤规则，如五元组信息、应用URL。当用户移动到MEC区域并使用特定应用时，中心UPF根据应用标识对应的过滤器检测出业务流，通过SMF上报PCF，PCF结合上报的用户位置信息及应用流检测结果，触发UL CL插入流程。此方案的流过滤规则需要配置特定的五元组信息或URL信息，只有匹配流过滤规则的流量才会分流至本地MEC，其他流量则按照常规路径转发。

位置、签约及应用检测UL CL方案可按应用的IP五元组、URL信息触发分流策略，可控粒度更细，适用于支持终端同时接入本地业务和互联网业务的场景。

能力开放UL CL方案

该方案的分流策略配置在 MEC/APP（作为 AF）上，NEF支持向MEC/APP开放2个API，包括流量引导功能（Traffic Influence）及用户位置功能（MonitoringEvent）。当用户移动到MEC区域时，AMF通过NEF的用户位置功能把用户位置信息通知给MEC/APP，MEC/APP通过NEF触发流量引导功能，将分流规则传递给PCF，PCF结合用户位置信息及应用流检测结果触发UL CL 插入流程。此方案可根据业务需求动态触发UL CL策略，更为灵活，但有一定的开发门槛。

IPv6 Multi-Homing方案

PDU会话可以与多个IPv6前缀相关联，这被称为多 归 属（Multi-Homing）PDU 会 话 。根 据 3GPP TS23.501规定，PDU会话的多归属仅适用于IPv6类型的PDU会话。

IPv6 Multi-Homing 场景下通过对会话分支点（Branching Point，BP）的增加、删除完成对本地业务锚点的创建，完成分流功能。在PDU会话建立过程中或建立完成后，SMF可以在PDU会话的数据路径中插入或者删除会话分支点，分支点UPF根据SMF下发的过滤规则，通过检查数据包源IP地址进行分流，将不同IPv6前缀的业务流转发至不同的PDU会话锚点UPF，以及将不同PDU会话锚点UPF的下行业务流合并到5G终端。IPv6 Multi-Homing方案如图5所示。

图5 IPv6 Multi-Homing方案

IPv6 Multi-Homing可用于支持先通后断服务连续性，即SSC模式3，也可以用于支持终端同时接入本地业务和互联网业务的场景。

5G的网络切片功能

网络切片是指将物理网络通过虚拟化技术分割为多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的虚拟网络，以满足不同行业客户对网络能力的不同要求，如时延、带宽、可靠性等。每个虚拟网络被称为一个网络切片，每个网络切片中的网络功能可以在定制化的裁剪后，通过动态的网络功能编排形成一个完整的实例化的网络架构。

网络切片具有按需定制、端到端、隔离性三大特点，能够做到端到端的动态按需部署网络服务，并保证切片具有独立的生命周期管理，切片之间相互不影响。

在MEC网络中引入网络切片功能，可以为不同垂直行业应用场景创建网络切片，以便根据业务特征采用不同的网络架构和管理机制，包括合理的资源分配方式、控制管理机制和运营商策略，从而保证行业应用场景中的性能需求，提高用户体验以及网络资源的利用率。

政务园区5G+MEC项目应用部署实践

随着政务服务信息化进程的推进，公务人员移动办公需求显著增加，电子政务成为建设“数字政府”、推动政府管理和社会治理模式创新的重要抓手。政务专网作为电子政务的核心基础设施和信息网络平台，由内网和外网构成，政务内网主要是办公专网，外网主要运行面向社会的专业性业务。如何实现移动终端对政务内网和外网的业务访问，同时保证内网的业务数据不出园区，成为政务专网建设的要点。

业务需求分析

某政务局5G MEC项目应用的业务需求如下。

a）针对指定 2C 用户，不换卡不换号，使用公共DNN，在指定区域内可以同时访问政务内网和Internet业务（包括政务外网），在区域外只能访问 Internet业务，不能访问政务内网；其他非指定用户在指定区域内只能访问Internet业务。

b）访问政务内网的业务数据不出政务园区。

c）采用IPv4的应用。

针对业务需求进行分析如下。

a）通过专线方式可以连通运营商行业应用共享UPF至园区政务内网的网络，配置专用的DNN，实现指定用户到园区政务内网的访问，但此时用户无法同时进行园区政务内网和外网的访问。如果同时访问园区政务内网和Internet业务，需要通过MEC的业务分流来实现。

b）若要保证访问政务内网的业务数据不出园区，需要采用独立的UPF，将UPF下沉到用户园区。

c）IPv4应用，可以排除IPv6 Multi-Homing方案。

应用部署方案

MEC部署位置选择

访问政务内网的业务数据不出园区，MEC+UPF只能部署到用户园区机房。

5G的会话及业务连续性方案选择

在政务园区的应用场景中，用户PDU会话建立时辅锚点UPF是用户园区的UPF，保持不变，且由于应用对带宽与时延都没有特别高的要求，选择SSC模式1。

业务分流方案选择

业务分流需求要点包括签约特定用户、划分特定MEC服务区域、实现政务内网和 Internet的业务分流这3个要点，结合表1中对5G MEC分流方案的分析比较，确认使用位置、签约及应用检测UL CL方案。

表1 政务园区MEC业务分流方案比较

业务切片方案选择

在政务园区的应用场景中，用户对带宽与时延都没有特别高的要求，按默认切片方案部署。

整体实施方案

a）在政务园区内下沉建设UL CL+辅锚点合设的UPF，通过园区DCGW路由器与运营商智能城域网相连，通过运营商承载网和云资源池中2C的5GC核心网元对接，MEC项目组网拓扑如图6所示。

图6 政务园区MEC网络架构

b）用户数据规划。测试用户1和测试用户2都签约公共DNN，其中用户1不签约政务分流业务策略，用户2签约分流策略。

c）规划指定的TAC范围，PCF配置分流策略使能的TAC list，PCF基于签约+位置下发分流策略。

d）SMF基于PCF下发的分流策略，对签约了策略的用户，选择UL CL+辅锚点UPF插入用户会话，触发UL CL分流。

e）在UL CL+辅锚点UPF上配置五元组的流过滤规则，基于政务内网 IP+端口号进行业务数据路由。如果业务流与流过滤规则匹配，UL CL+辅锚点UPF则会通过N6接口将业务流路由到政务内网；如果业务流与规则不匹配，则将业务流通过N9接口转发到主锚点UPF后再通过N6接口路由到互联网。

f）未签约的用户不触发UL CL分流，只能通过运营商核心网的主锚点UPF访问互联网，不能访问政务内网。

业务分流流程描述

当用户移动到指定区域时，AMF通过SMF向PCF上报用户位置信息，PCF根据用户位置信息及签约信息，触发UL CL插入流程，新增边缘UPF辅锚点并插入UL CL，具体业务分流流程如图7所示。

 图7 政务园区MEC业务分流流程

a）在 PCF上配置触发 UL CL插入用户会话的指定区域（TAI list），并配置UE签约的业务套餐与预定义规则A之间的绑定关系。

b）进行初始化 PDU 会话建立，锚定在主锚点UPF。

c）用户移动到指定区域（TAI list）。

d）AMF通过SMF向PCF上报UE位置信息。

e）PCF根据用户位置信息及签约信息，下发 UE签约业务对应的预定义规则A到SMF。

f）若 SMF根据配置发现 PCF下发的规则 A是分流的预定义规则，则基于UE的DNN、TAI选择UL CL+辅锚点UPF插入用户会话中。

g）SMF在N4消息中下发分流规则给UL CL+辅锚点UPF，指示匹配该Application ID的报文按分流规则进行本地分流。

h）UL CL+辅锚点 UPF 基于本地绑定的 Application ID与流过滤规则（IP及端口号），通过流过滤规则识别边缘业务流，分流用户数据。

i）如果匹配流过滤规则，UL CL+辅锚点UPF则通过N6接口将业务数据路由到政务内网，实现对政务内网的访问。

j）如果未匹配流过滤规则，UL CL+辅锚点UPF将业务数据通过N9接口转发到中心站点部署的主锚点UPF，再通过N6接口路由到互联网，实现对公网业务的访问。

流过滤规则描述

政务园区业务场景采用的流过滤规则为基于IP地址+端口号（五元组）进行分流的规则，流程如图8所示。

图8 政务园区MEC业务流过滤规则

a）UE发起上行IP报文，传输层协议采用TCP或UDP均可。

b）IP报文经gNB封装成N3接口的GTP报文，发往UL CL+辅锚点UPF。

c）UL CL+辅锚点UPF基于上行报文匹配L34流过滤规则，即目的IP为A，端口号为B。如果匹配，执行分流动作，将IP报文路由到本地；如果不匹配，则将报文转发到主锚点的UPF。

d）如果匹配流过滤规则，UL CL+辅锚点 UPF解封装GTP隧道报文，并将IP报文通过N6接口路由到政务内网。

e）如果未匹配流过滤规则，UL CL+辅锚点UPF将GTP报文通过N9接口转发到主锚点UPF，主锚点UPF解封装GTP隧道报文后将IP报文通过N6接口路由到互联网。

f）匹配流过滤规则的下行响应报文，将通过基于UL CL+辅锚点UPF后端的NAT发布路由或N6接口隧道返回UL CL+辅锚点UPF。

g）未通过匹配的下行响应报文将通过基于主锚点UPF后端的NAT发布路由或N6接口隧道返回主锚点UPF，经主锚点UPF转发至UL CL+辅锚点UPF。

h）UL CL+辅锚点UPF封装N3接口的GTP隧道，将下行报文发送给gNB。

i）gNB解封装GTP后将下行IP报文发送给UE。

业务测试验证

测试卡1和测试卡2都签约公共DNN，其中测试卡1不签约政务分流业务策略，测试卡2签约。测试终 端 选 择 支 持 5G SA 的 测 试 手 机 1 台 ，并 安 装CELLULAR-Z软件。测试区域为2个相邻的指定TAC区域：8×××100、8×××200。业务测试结果如表2所示。

表2 政务园区MEC业务测试结果

测试总结

测试终端配置公共DNN，未签约政务分流业务策略的测试卡1在指定区域内只能访问互联网业务、不能访问园区政务业务；而签约政务分流业务策略的测试卡2在指定区域内能同时访问园区政务和互联网业务，移动到指定区域外则只能访问互联网业务、不能访问园区政务业务。测试结果符合预期，满足业务需求。

总结

本文结合 5G 及 MEC 的技术特点，对基于 5G 的MEC 应用部署进行研究。同时，通过参与政务园区5G+MEC平台的应用部署实践，进行了UL CL（PCF签约+位置触发+五元组流过滤）分流方案的制定和实施，在现实环境下验证了 MEC 应用部署方案的可行性。

MEC技术在5G网络下具有广阔的应用前景。通过对 5G+MEC技术在不同行业场景中应用部署的研究，发现该技术可应对各类业务场景以及对网络的时延、安全性、容量等方面的要求，按需选择差异化的部署方案，给用户提供最优的网络环境，对运营商5G时代2B业务的发展具有重要意义。

参考文献

［1］ 3GPP. System architecture for the 5G System（5GS）：3GPP TS 23.501［S/OL］.［2022-12-05］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs.

［2］ 3GPP. Procedures for the 5G System（5GS）：3GPP TS 23.502［S/OL］.［2022-12-05］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs.

作者简介

涂灿，工程师，学士，主要从事移动核心网建设、维护和优化工作；

王琛，工程师，硕士，主要从事5G网络客户工程建设和交付工作；

吴志伟，工程师，学士，主要从事移动核心网建设、维护和优化工作。