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专题丨融合的能力开放架构及部署建议

信息通信技术与政策

2021-01-08

导读：李金艳，张蕾，夏新兰

作者简介

李金艳

中国电信股份有限公司技术创新中心教授级高级工程师，主要研究方向为移动通信网络关键技术和网络演进，国家科技重大专项项目“基于R15 5G网络服务能力开放研究、标准制定和预商用系统研发”课题负责人。

张蕾

中国电信股份有限公司技术创新中心工程师，主要研究方向为移动通信网络能力开放及边缘计算等关键技术。

夏新兰

中国电信股份有限公司技术创新中心工程师，主要研究方向为移动通信核心网及边缘计算等关键技术。

论文引用格式：

李金艳，张蕾，夏新兰. 融合的能力开放架构及部署建议[J]. 信息通信技术与政策, 2020(12): 21-27.

∗基金项目：国家科技重大专项项目（No.2018ZX03001016）资助

融合的能力开放架构及部署建议*

李金艳张蕾夏新兰

（中国电信股份有限公司技术创新中心，北京 102209）

摘要：5G网络可以提供灵活、快速的按需定制网络的能力，统一的能力开放平台可以将网络能力开放提供给第三方，实现与第三方应用的交互，进而改善业务体验、优化网络资源配置。从融合的能力开放架构及可开放的能力入手，对可开放的网络能力进行了总结和分析；针对不同需求提供了不同的部署方案，对该系统平台的落地实施提供了指导意见；最后介绍了几种典型能力开放的应用场景，作为发展业务应用的参考。

关键词：5G；能力开放架构；平台部署方案；能力开放场景

1 引言

能力开放技术是5G网络的重要特性，基于服务化的架构，将网络能力开放给第三方，可实现网络能力与业务需求的友好对接，进而改善业务体验、优化网络资源配置，有助于繁荣业务发展，取得移动网络运营商、应用服务商、用户三方共赢的协同发展格局。本文针对网络能力开放的架构、平台部署方案和应用场景进行了研究和总结。

2 融合的能力开放架构

2.1 网络能力开放逻辑架构

5G服务化的网络架构，使得新业务的开发及网络功能的演进更加方便和高效，对垂直行业的支持性也更加友好，可直接或者间接地通过统一的能力开放平台向外部应用提供网络服务。本文主要介绍了一种5G网络能力开放的逻辑架构^[1]，具体参见图1。该架构主要包括网络能力层、网络能力开放平台和应用层3个模块，模块功能介绍如下。

图1 网络能力开放逻辑架构

（1）应用层：位于最髙层，是能力开放的需求方。运营商或与运营商签约的第三方业务，按照协议对网络能力进行安全的调用。

（2）网络能力开放平台：包含网络能力提取层与网络能力开放层。网络能力提取层，南向上与网络交互，提取网络的能力，负责相关功能节点可开放功能封装和管理功能，包括服务化API可用性订阅和通知处理；网络能力开放层，北向上向第三方开放，实现对API的认证和管理，实现身份认证、服务注册、网内拓扑隐藏、协议转换和适配、计费等功能。

（3）网络能力层：提供各种可开放能力，通过能力开放平台对外开放和发布，并接受管理和调用。

2.2 4G/5G融合的网络能力开放架构

为了能够对外提供统一的能力开放平台，3GPP定义了一种统一的网络能力开放架构（Common API Framework for 3GPP northbound APIs，CAPIF）^[2]，支持与NEF联合提供对外的网络开放能力（见图2）。CAPIF架构包含如下功能模块。

图2 统一的网络能力开放架构

（1）API调用者：通常由与通信运营商具有服务协议的第三方应用程序提供者提供。

（2）CAPIF核心功能：基于API调用者的身份信息等进行API调用前的认证及使用API前的授权，调用日志和计费管理等功能。

（3）API开放功能：是服务API的提供者，根据CAPIF核心功能提供的信息完成对API调用者的认证和授权。

（4）API发布功能：发布API信息，以便API调用者可以发现API服务。

（5）API开放管理功能：为API提供管理的功能。

基于图2统一的网络能力开放架构，进而提出支持4G/5G统一接入的能力开放网关（见图3），使得图1中的网络能力开放逻辑架构同时支持4G/5G的接入，简化网络和业务的对接，实现业务的统一平滑过渡，并围绕该统一融合的能力开放架构，持续研究和探索多种典型应用场景，进行标准化的推进。

图3 4G/5G融合的网络能力开放架构

3 可开放网络能力分析

5G网络具备丰富的可外放能力，通过能力开放平台向外部应用进行开放，包括网络事件监控与对外暴露、网络参数自主配置、策略/计费能力、流量引导能力等。

3.1 监控能力

可以开放的监控事件，是与5G系统移动性管理相关的事件。NEF收到外部第三方应用的监控请求，向5G各NF订阅特定的监控事件，各NF启动监控事件检测，检测到事件后上报监控事件给NEF，NEF上报第三方应用。监控事件包括UE可达事件、位置报告事件、机卡分离事件、漫游状态事件、通信故障事件、DNN失败后UE可达事件、特定区域内用户数事件。

3.2 网络参数自主配置

网络参数自主配置指允许签约的第三方应用通过NEF为5G网络功能实体提供相关参数，从而实现为指定的UE提供相应的网络服务。配置信息包括预期UE 移动性信息和通信模式信息。NEF认证和授权第三方应用，接收应用提供的参数配置信息，将此信息作为签约数据通过UDM存储到UDR，并分发给使用这些信息的网络功能实体。预期UE行为信息的每个参数都有指示有效时间，当有效时间过期时，相关的NF删除其关联的预期UE行为参数。

3.3 策略/计费能力

策略/计费能力允许外部第三方应用通过NEF接收策略和计费请求，通知各NF执行特殊策略和计费方式。该能力可用于针对UE会话进行特定的 QoS（包括QoS申请、修改、删除、查询与上报）或PFD（Packet Flow Description，包括PFD规则的创建、删除、获取、订阅与上报）等策略，并可指配计费方和计费费率。

3.4 流量引导能力

NEF可支持流量引导功能，包括向AF开放申请、修改、删除操作，并通过PCF下达策略控制给SMF，SMF根据收到的PCC规则（路由策略）重新选UPF，可应用于边缘计算和切片选择。

4 平台部署建议

为简化API的对接与管理工作，对外实现统一的能力开放接口，建议在全国层面集中部署一套能力开放平台实现业务的统一订购和集中管理。本文从AEF（API Exposure Function）是否统一发布以及是否统一调用的角度，提出了几种不同的平台部署建议^[3]。在实际部署的过程中，各省可根据具体的业务需求情况，选择适合本省发展的部署模式。

4.1 AEF集中全国部署

AEF集中全国部署方案为：将CAPIF核心功能、AEF、API Provider在全国层面集中部署。该方案可以实现NEF业务的统一对外接口，实现业务的一点开通和调用，具体的部署方案如图4所示。

图4 AEF集中全国部署结构图

4.2 AEF集中全国及分省部署

将CAPIFcore和AEF在全国层面集中部署，APIprovider在各省部署，同时各省公司再分别部署本地的AEF。该方案可以实现业务的统一对外接口，实现业务的一点开通和调用，具体的部署方案如图5所示。

图5 AEF集中全国及分省部署结构图

4.3 AEF仅各省分别部署

将CAPIFcore和AEF在全国层面集中部署，APIprovider在各省部署，同时各省公司再分别部署本地的AEF。该方案可以实现业务的统一对外接口，实现业务的一点开通和调用，具体的部署方案如图6所示。

图6 AEF仅各省分别部署结构图

当前给出的几种方案只是基于标准的初步情况，随着5G的推进，能力开放需求的增多，应用的推广，部署方案可能会存在差异，所以需保持对行业的整体关注，适时调整部署方案。

5 典型能力开放场景列举

5.1 基于位置能力开放的AR/VR视频应用

位置能力开放可以基于应用的订购，将5G网络用户的实时位置报告给应用，以实现针对性的业务推广或互动（见图7）。例如，AR/VR是当前的热点应用，采用新一代移动可穿戴式设备AR眼镜，可以作为信息录入和显示终端接入现有系统。提供快速高效的人脸识别、车牌识别等功能，为园区提供高效的移动布控、协查安保等。AR/VR与位置能力开放结合，能提供更加准确的VR视感和互动体验。

图7 基于位置的能力开放场景

该应用场景可应用于热门旅游景点或高人气商圈内，如实现基于位置的5G乐园体验（无人机航拍+VR直播、AR体验、服务机器人、无人游览车等）；基于位置的5G园区管理（无人物流车、无人机巡检），如在大型游乐场内可实现基于位置的3D电子地图导引，游乐项目需等待时间的提示，VR实景展示等；基于位置的商圈商户推广/VR寻宝互动等。均可实现较好的商业宣传推广效果。

5.2 基于QoS管理能力开放的定制化业务保障

请求特定的QoS一直是能力开放的要点，即通过运营商的特殊保障从而为某些业务提供不一样的质量，提升用户体验（见图8）。针对为某个特定应用申请所需的QoS资源，无线网络将对该应用做端到端的QoS保障。该特性支持保证带宽的QoS策略，或者基于优先级调度的不保证带宽的QoS 策略，具体的QoS策略由运营商统一规划并由应用标识来确定。

图8 基于QoS管理的能力开放场景

对带宽及时延有特殊处理要求的AF（Application Function）会通过能力开放接口指定特殊的QoS策略，如视频应用会针对签约用户提供特殊的带宽来保障用户的高清/超高清的观看需求。在车联网园区内，基于业务订购的低时延的QoS开放能力，网络提供低时延的通信保障，便于车辆实时做出正确的驾驶决策，达到高效、安全通行目的。

5.3 基于路由管理能力开放的工业园区组网方案

ITU对5G理想状况的端到端时延要求为1 ms，典型端到端时延为5 ms ~ 10 ms，大约为4G的1/10。在5G标准下要满足特殊场景作业的需求，如在智慧工厂，由于大量的机器都内建传感器，从传感器、后端网络下指令，再传送回机器本身的这些过程，若以现有的网络传输，将出现很明显的延迟，可能引发安全事故。

5G用户面UPF下沉部署，可根据实际需求选择合适的本地分流策略，较为灵活。一种典型的本地分流策略与能力开放网元NEF相关^[4]，方案需要NEF支持向应用方开放两个API，包括流量引导功能、用户位置功能或者应用规划获取位置信息。当5G用户移动到边缘区域时，应用调用NEF能力开放API（需携带用户IP、应用IP），NEF向PCF/SMF触发分流的实现。该方案适用于商业综合体、博物馆、体育馆等公众用户使用手机终端访问边缘应用的场景，同时支持用户访问互联网应用（见图9）。

图9 基于路由管理的能力开放场景

通常会将路由管理开放的能力结合边缘计算技术来使用，为工业园区提供本地分流方案：企业内终端访问园区业务时，在网络对外开放的路由管理接口设定分流规则，进行该特定业务分流，分流规则可基于IP地址、用户签约等方式，也支持由园区策略设置访问权限（应用层、白名单等）；规则生效后，终端数据通过园区基站后直接分流至园区内部网，无需通过VPN绕经Internet，降低了时延，提高了带宽。

6 结束语

5G网络能力开放，可通过统一的能力开放平台向外部应用安全的网络提供可开放能力，通过统一的接口向应用提供个性化和精细化的服务。本文首先介绍了一种可向4G/5G网络同时提供融合网络能力开放的架构，并对可开放的网络能力进行了分析。随后从API是否统一发布以及是否统一调用的角度，提出了几种不同的平台部署建议，最后介绍了几种典型能力的开放应用场景，作为发展业务应用的参考。

参考文献

[1] 李红祎, 赵一荣, 李金艳, 等. 基于能力开放的5G网络切片管理研究[J]. 电子技术应用, 2020,46(1):1-5+11.

[2] 3GPP.TS 23. 222 V17.1.0.Common API framework for 3GPP northbound APIs;stage 2[S], 2020.

[3] CCSA. TC5WG12 2018B52. 5G移动通信网络能力开放研究[R], 2018.

[4] 何宇锋, 林奕琳, 单雨威. 5GMEC分流方案探讨[J]. 移动通信, 2020,44(9): 49-57.

Converged capability exposure architecture and deployment suggestions

LI Jinyan, ZHANG Lei, XIA Xinlan

(Technology Innovation Center, China Telecom Corporation Limited, Beijing 102209, China)

Abstract: The 5G network can provide flexible and rapid on-demand customization of network capabilities, and a unified capability opening platform can open network capabilities to third parties to realize interaction with third-party applications, thereby improving business experience and optimizing network resource configuration. Starting from the integrated capability open architecture and openable capabilities, this paper summarizes the openable network capabilities, provides different deployment schemes and guidance on the implementation of the system platform, and presents several typical application scenarios of capability opening as a reference for developing business applications.

Key words: 5G; network exposure architecture; platform deployment strategy; capability exposure scenarios

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第12期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。