王駿彪 王昕

【摘? 要】隨著5G的規(guī)模商用和5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，5G應(yīng)用將步入發(fā)展的快車道。受益于5G系統(tǒng)開放性，通過5G應(yīng)用與5G網(wǎng)絡(luò)的深度融合，實現(xiàn)應(yīng)用面向網(wǎng)絡(luò)的“可編程”已具備了條件。參照3GPP關(guān)于應(yīng)用能力下沉移動域邊沿的相關(guān)建議，結(jié)合運營商5G組網(wǎng)實際，對5G回傳網(wǎng)中影響應(yīng)用能力下沉決策的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了在5G網(wǎng)絡(luò)邊沿部署應(yīng)用能力的規(guī)劃模型，并利用實例化數(shù)據(jù)對模型的有效性進(jìn)行了驗證。

【關(guān)鍵詞】5G;分布式部署;數(shù)學(xué)模型

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.005? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0024-05

引用格式：王駿彪，王昕. 在網(wǎng)絡(luò)邊沿部署5G應(yīng)用能力的模型研究[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 24-28.

0? ?引言

隨著5G的規(guī)模商用和5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，越來越多的5G業(yè)務(wù)正走進(jìn)我們的生活和工作，豐富的業(yè)務(wù)形態(tài)源于5G強(qiáng)大的技術(shù)動力，5G大帶寬、低時延、多連接的性能特點已被人們所認(rèn)知。在eMBB、uRLLC、mMTC催生了移動應(yīng)用升華的同時，也引發(fā)了5G應(yīng)用能力部署方法的革命性變化。

長期以來，移動應(yīng)用系統(tǒng)多采用集中部署的方式，面向移動核心網(wǎng)一點接入，應(yīng)用能力部署方法比較單一，然而，在進(jìn)入5G時代以后，應(yīng)用系統(tǒng)部署方式發(fā)生了變化。為了給5G業(yè)務(wù)提供必要的性能保障，將應(yīng)用能力分拆開來，把性能敏感類處理能力下沉到近終端點，這種分布式的應(yīng)用能力部署模式，已在業(yè)內(nèi)形成了共識[5-6]。

為了實現(xiàn)“業(yè)務(wù)能力盡量靠近端點部署”的組網(wǎng)思想[4]，3GPP在標(biāo)準(zhǔn)中明確要求，5G系統(tǒng)應(yīng)能向第三方提供網(wǎng)絡(luò)切片，同時應(yīng)向第三方提供合適的API，以保證第三方能夠在5GS內(nèi)，針對與此切片相關(guān)的用戶、策略、話務(wù)路由等實施業(yè)務(wù)干預(yù)。這意味著應(yīng)用系統(tǒng)將能以第三方的身份，利用API對業(yè)務(wù)流進(jìn)行調(diào)度，使之與部署于移動域外沿的應(yīng)用能力實現(xiàn)良好的協(xié)同。5GS這一強(qiáng)大而靈活的開放能力為5G應(yīng)用能力的靈活部署注入了活力，同時也為應(yīng)用提供商降低運營成本創(chuàng)造了條件，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面為5G應(yīng)用能力的靈活部署提供了保障。

將性能敏感型業(yè)務(wù)處理能力下沉到移動域邊沿是5G應(yīng)用系統(tǒng)部署方式的主要特征[7]。然而在具體的項目推進(jìn)過程中卻遇到了矛盾，如果深度下沉（如到鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面），則會因為節(jié)點數(shù)量巨大而給業(yè)務(wù)調(diào)度帶來困難，同時也會造成維護(hù)和工程造價的巨大壓力;如果向上收斂，則很可能無法對業(yè)務(wù)提供所必要的性能保障。為解決這一矛盾，有必要針對應(yīng)用能力下沉節(jié)點的規(guī)劃構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，科學(xué)部署下沉應(yīng)用節(jié)點，保證經(jīng)濟(jì)效益與業(yè)務(wù)性能保障達(dá)到最佳平衡。

1? ? 建模準(zhǔn)備

1.1? 建模思路

影響5G邊沿運用能力（Remote Application Capability，如VR渲染、CDN等，本文統(tǒng)稱為RAC）布局的因素很多，歸納起來主要包括業(yè)務(wù)回傳網(wǎng)的性能狀況（如網(wǎng)絡(luò)各鏈路時延）、具體應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的性能要求和從運營便利性與經(jīng)濟(jì)性方面提出的要求。為了實現(xiàn)對5G下沉應(yīng)用能力布局?jǐn)?shù)學(xué)建模，首先應(yīng)對業(yè)務(wù)回傳網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化轉(zhuǎn)換，基于數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)模型，以應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的性能需求指標(biāo)為控制要素，兼顧模型化的運營訴求，以運籌學(xué)原理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，輸出針對RAC布局的優(yōu)選方案。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)模型

要策劃邊沿業(yè)務(wù)處理能力部署方案，網(wǎng)絡(luò)模型化是基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)建模應(yīng)遵循3GPP對5G組網(wǎng)的技術(shù)要求，結(jié)合運營商對回傳網(wǎng)的組網(wǎng)原則，對5G回傳網(wǎng)做出準(zhǔn)確刻畫。

（1）在3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面

3GPP對5G應(yīng)用的部署提出了業(yè)務(wù)近終端部署的的建議（hosting services closer to the end points）[4]，5GS支持UPF下沉，同時支持UPF級連。這意味5G N3接口進(jìn)入回傳網(wǎng)后，在回傳網(wǎng)的任何節(jié)點處，均可通過部署于此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的UPF（下沉UPF）進(jìn)入應(yīng)用域（RAC）。

為保障應(yīng)用系統(tǒng)能夠與5GS實現(xiàn)有機(jī)協(xié)同，3GPP明確了對5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯切片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過應(yīng)用實例與切片相關(guān)聯(lián)，應(yīng)用側(cè)可以用戶或用戶組為顆粒度，對此應(yīng)用在5GS中的業(yè)務(wù)流進(jìn)行干預(yù)[1-3]。應(yīng)用提供者可通過部署于應(yīng)用系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化接口（AF）與部署于5GC側(cè)的NEF功能單元相對接，通過AF調(diào)用NEF相關(guān)服務(wù)，經(jīng)NEF與SMF協(xié)同，影響SMF中與該切片相關(guān)的業(yè)務(wù)路由方案、影響PCF中與該切片相關(guān)的業(yè)務(wù)控制策略、向5GC內(nèi)的授權(quán)NFs訂閱（Subscribe）與該切片相關(guān)的信息和向5GC內(nèi)的授權(quán)NFs申請與該切片相關(guān)事件提醒（Notification）。

這意味著應(yīng)用系統(tǒng)可拆分成若干個子應(yīng)用，將對網(wǎng)絡(luò)性能敏感的子應(yīng)用下沉至移動域邊沿，通過AF對指定用戶的業(yè)務(wù)流進(jìn)行靈活調(diào)度，以適應(yīng)這種分布式的能力部署模式。

基于以上技術(shù)考慮，從網(wǎng)絡(luò)模型的角度上看，回傳網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點，在滿足業(yè)務(wù)性能要求的前提下，均可作為5GS內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)與其RAC的接口點，因此必定存在最優(yōu)的、且可滿足業(yè)務(wù)性能要求的RAC布局方案。

（2）在運營商對回傳網(wǎng)的組網(wǎng)模式方面

目前運營商多采用BBU堆疊的方式，在堆疊點（A點，區(qū)鄉(xiāng)接入點機(jī)房）進(jìn)入IPRAN A設(shè)備，經(jīng)IPRAN匯接至區(qū)域中心（B節(jié)點，通常在縣中心機(jī)房），再向上收斂至ER節(jié)點（E節(jié)點，通常在州府中心機(jī)房），經(jīng)干線網(wǎng)絡(luò)傳送至省中心（C節(jié)點，通常在省中心機(jī)房）。以上各節(jié)點均視為可部署RAC的候選節(jié)點，如圖1所示。

（3）應(yīng)用提供者希望盡量少地租賃邊沿基礎(chǔ)能力，在有網(wǎng)絡(luò)性能保障的前提下希望能夠在便于維護(hù)管理的節(jié)點部署其RAC。

（4）已知，在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均有部署RAC的基礎(chǔ)資源保障。

基于以上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)定條件，各實例化模型參數(shù)如下。

經(jīng)過計算：

（1）對于a1業(yè)務(wù)：

因E矩陣為2×251階矩陣，在此只做部分展現(xiàn)。

R=[2 2 4 3]

因此4號場景為最優(yōu)方案，即RAC下沉到6號節(jié)點。

（2）對于a2業(yè)務(wù)：

因E矩陣為2×177階矩陣，在此只做部分展現(xiàn)。

R=[6 6 5 5? 4? 4 ]

因此5號、6號場景為最優(yōu)方案，即RAC下沉到6/8、6/7號節(jié)點。

4? ? 結(jié)束語

策劃邊沿業(yè)務(wù)處理能力部署方案是一項繁瑣而復(fù)雜的工作，在實際工作過程中，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點量大、節(jié)點連接關(guān)系復(fù)雜、各鏈路性能差異較大，只有通過數(shù)學(xué)建模的手段，才能高效而準(zhǔn)確地完成策劃工作。

然而，模型是對現(xiàn)實的一種數(shù)學(xué)抽象，而過度刻畫現(xiàn)實的模型會因其復(fù)雜性而喪失可用性。本模型著重考慮了影響邊沿業(yè)務(wù)處理能力部署的主要因素，因此在實際運用過程中應(yīng)根據(jù)具體情況對模型的輸出結(jié)果進(jìn)行必要的校準(zhǔn)。

本模型主要用于規(guī)劃邊沿業(yè)務(wù)處理能力的部署方案，但可以拓展使用，如運營商在完成其邊沿資源能力部署后，可把此模型作為內(nèi)核，核算出不同業(yè)務(wù)性能需求（如不同時延區(qū)間）下可供應(yīng)用提供者選用的MEC部署方案，為應(yīng)用提供者提供便利，為5G應(yīng)用推廣提供更加良好的生態(tài)氛圍。

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作者簡介

王駿彪（orcid.org/0000-0002-9103-9394）：信息通信工程高級工程師，畢業(yè)于南京郵電學(xué)院，曾任中國電信股份有限公司云南分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展部總經(jīng)理、企業(yè)信息化部總經(jīng)理，現(xiàn)任中國電信股份有限公司云南分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展部高級顧問，長期從事通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及技術(shù)管理工作，負(fù)責(zé)云南電信科技創(chuàng)新工作。

王昕：副教授，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，曾任云南通信股份有限公司網(wǎng)絡(luò)運行項目經(jīng)理、云南匯深通信工程有限公司技術(shù)總監(jiān)，現(xiàn)任云南師范大學(xué)文理學(xué)院信息工程學(xué)院電子信息工程教研室主任。