【摘要】傳統核心網絡的豎井式架構及網絡功能定位導致了業務與能力緊耦合，各網元對網絡能力的封裝已無法應對OTT競爭及未來業務豐富多樣化的需求。根據網絡能力開放的多種實際應用需求，結合3GPP規范定義總結出運營商可通過引入SCEF實現QoS管道能力開放、物聯網領域能力開放的部署應用。展望面向5G業務需求，SCEF演進網元將帶來更廣領域、更高價值的應用。
【關鍵詞】SCEF；QoS能力開放；物聯網能力開放
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000 中圖分類號：TN915.81 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)02-0000-00
引用格式：宋小明,邵永平,楊旭,等. SCEF引入需求分析及部署應用[J]. 移動通信, 2018,42(2): 00-00.
The Analysis of SCEF is Introduced and Deployed
SONG Xiaoming, SHAO Yongping, YANG Xu, WANG Fang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)
[Abstract] The traditional core network of the vertical structure and network function positioning led to the business and the ability to tightly coupled, The network capacity which are packed has been unable to deal with OTT competition and future business needs, According to the analysis of network capacity to open a variety of practical application needs, Combined with 3GPP specification definition, Operators can be introduced through the introduction of SCEF QoS capacity open, the field of things open capacity, prospected 5G business needs, SCEF evolved network elements will bring a wider range of applications, higher value.
[Key words] SCEF; QoS ability to open; Internet of things ability to open
1 引言
在電信運營商CT向IT戰略轉型，大力推進網絡能力開放，積極發展蜂窩物聯網的背景下，面向第三方應用的業務及場景日益增多，這將會對核心網提出更高的能力要求。3GPP R13定義了能力開放架構，引入業務能力開放網元SCEF（Service Capibility Exposure Function，網絡能力開放功能），并定義了SCEF相關的網元接口以安全開放網絡業務能力，SCEF可實現的主要功能為將核心網網元能力開放給各類業務應用，通過協議封裝及轉換實現與合作/自有平臺對接，SCEF的應用使網絡具備了多樣化的運營服務能力。
2 SCEF引入需求分析
傳統電信網絡雖然語音、數據等基礎網絡能力強大，但核心網的豎井式架構導致了業務與能力緊耦合，各網元對網絡能力的封裝形成了資源孤島，極大地限制了業務創新空間，已無法適應互聯網+時代開放、共享、合作模式的多樣化業務創新需求。因此運營商網絡轉型需求迫切，可通過引入3GPP定義的能力開放架構，運營商通過SCEF網元開放接口、屏蔽底層實現，將蘊含在網絡和系統中的核心能力提供給上層使用，由應用向用戶提供靈活豐富的業務模式。
核心網通過引入SCEF可滿足多場景、多類型業務應用的需求。
（1）管道能力差異化應用需求。可充分挖掘現有網絡能力價值，例如管道能力是電信網絡的核心競爭力，若能通過SCEF能力開放接口面向游戲/視頻類應用打開QoS（Quality of Service，服務質量）管控等能力，為不同用戶提供多樣化、差異化管道服務，可進一步將運營商網絡資源價值最大化。
（2）網絡適配物聯網終端的靈活、快速響應需求。物聯網終端類型繁多，不同應用的通信屬性差異較大，比如有些業務場景需要網絡參數按需實時調整配置時，若采用修改HSS等網元配置信息的方式，會存在網絡配置工作量大、需求響應周期長、影響網絡安全等問題。而采用打開SCEF能力開放接口的方式，實現配置參數下發，將第三方平臺用戶屬性或配置需求信息實時更新至網絡側，可滿足靈活、快速、高效配置網絡屬性的需求。
（3）面向5G微服務化需求。5G網絡架構采用切片化提供網絡能力，以適應多類型業務多場景化通信需求，業務可編排網絡可自動部署的演進趨勢更需要網絡能力可開放可共享。因此SCEF網元功能將變得尤為重要，各類控制面網元可通過SCEF來實現信息可交互、可共享、可配置、可編排，以滿足5G多樣化業務需求。
3 SCEF網絡架構及開放的能力
3GPP R13定義的能力開放架構如圖1所示，通過各類接口可開放的網絡能力主要包括：通信信息獲取、位置信息獲取、通信服務開通信息獲取、網絡設置信息獲取等。SCEF的引入使得能力開放網絡配置簡單、高效。通過對單個網元SCEF進行配置，即可實現核心網多網元各種能力的開放，而不需要在每個核心網網元中新增能力開放模塊；同時，引入SCEF網元對接各種業務需求的合作/自有平臺，可自動將平臺需求參數通過SCEF自動下發至核心網網元，避免了網絡維護人員工作量的增加以及人為配置可能出現差錯的風險，可確保網絡配置的正確率及網絡安全，提高網絡運維效率。
圖1 3GPP R13 SCEF網絡架構圖
基于SCEF網絡架構定義，可開放的網元能力及應用主要包括下面幾點。
（1）對PCRF的能力實現開放
面向用戶多樣化數據速率承載的需求，運營商可將SCEF與流量經營PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計費規則功能網元）網元之間的Rx接口進行能力開放，例如可將PCRF自有能力：PCC加速、QoS資源申請、修改、釋放等功能開放給業務平臺，以實現管道能力實時敏捷適配用戶多樣化需求。
（2）對HSS/MME實現能力開放
隨著物聯網業務的高速發展，其終端多樣化、需求個性化將會對核心網網絡提出更多能力要求。一方面是網絡側信息獲取需求，通過SCEF可將網絡側HSS/MME（Home Subscriber Server/ Mobility Management Entity，歸屬用戶服務器/移動性管理實體）中存儲的用戶位置信息、網絡配置、業務/服務開通信息等網絡側信息提供給第三方/自有應用平臺，可為用戶提供多樣化信息服務。另一方面需要將第三方平臺用戶個性化屬性或配置信息下發至網絡側，以實現網絡參數按需靈活自動配置。
（3）對更多核心網能力實現開放
面向未來5G應用的多種業務場景及多樣化用戶需求，運營商還可將更多的網元能力進行開放。例如開放S-CSCF（Serving-Call Session Control Function，服務-呼叫會話控制功能）與SCEF之間的ISC（IP multimedia Subsystem Service Control，IMS業務控制）接口可實現多方會議、號碼顯示等語言類能力的開放等，并最終可基于4G/5G融合架構通過NEF（Network Exposure Function，網絡功能開放）與SCEF統一的北向接口實現更多核心網網元能力的融合開放。
4 SCEF部署及應用
4.1 QoS管道能力開放及部署應用
面向未來市場的井噴式發展以及業務的QoS多樣化、個性化需求，運營商可充分利用自身管道優勢，面向合作方業務平臺，開放網絡管道能力以滿足游戲加速、視頻類應用等多樣化QoS需求。
部署方式為在EPC（Evolved Packet Core，演進的分組核心網）網絡架構中增加網絡能力開放層SCEF，根據應用的QoS要求向PCRF申請、調整網絡資源，同時根據應用要求向PCRF執行網絡資源事件通知的訂閱和取消訂閱，并將SCEF與業務平臺之間基于JSON/XML（JavaScript Object Notation/Extensible Markup Language，Java腳本對象表示/擴展標記語言）的協議轉換為SCEF與PCRF之間的Diameter協議，解決了協議兼容性問題的同時也提高了網絡安全性。EPC網絡基于SCEF的QoS能力開放架構如圖2所示，SCEF通過API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）接口向第三方業務開放網絡能力，通過Rx接口實現接入控制，并實現接口封裝及轉換、會話管理、路由等功能。
圖2 QoS管道能力開放架構圖
通過SCEF將網絡側用戶數據業務的QoS能力封裝后以API（Application Programming Interface,應用程序編程接口）形式開放給第三方應用。應用平臺根據用戶需求及時（用戶使用業務時）向網絡側發起業務加速申請，網絡側依據與業務簽訂的協議，為當前用戶提供加速服務。以游戲加速應用為例，用戶開啟某個手機游戲，發起業務加速請求，游戲業務平臺調用能力網元接入模塊經由管道能力網元向網絡側申請業務加速，用戶升級為臨時VIP用戶，游戲服務商為該用戶的游戲鏈接申請差異化服務。
4.2 物聯網領域的能力開放及部署應用
NB-IoT蜂窩物聯網以其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低等優勢而得到迅速發展。以NB-IoT低功耗實現技術的能力開放為例，若引入能力開放網元SCEF，可使終端省電特性更加智能化，同時運營商網絡運維更加安全、高效。
基于現有EPC架構的NB-IoT網絡，影響終端省電時長的三個參數為周期性TAU（Tracking Area Update，跟蹤區更新）、PSM（Power Saving Mode，省電模式）的Active Time和eDRX（extended Idle Mode DRX，擴展的空閑模式DRX）周期長度，三個參數關系如圖3所示。終端在一個TAU周期結束后，會退出省電模式，再次發起TAU流程；UE可同時請求激活PSM模式和eDRX兩種省電模式，由MME決定某個或兩個同時生效。若將核心網MME、HSS網元的網絡參數配置能力進行開放，可將物聯網用戶個性化、多樣化的省電時長需求參數通過物聯網卡和終端的統一管理平臺下發至核心網控制面網元，以實現網絡自助配置并決定終端省電時長。這不但滿足了終端用戶多樣化的省電時長需求，更是避免了網絡維護人員工作量的增加以及人為配置可能出現差錯的風險，且免去網維人員參與配置，需求響應更及時高效。
圖3 周期性TAU、Active Time、eDRX三個參數關系圖
部署方式為在EPC網絡架構中增加網絡能力開放SCEF網元，網絡架構如圖4所示。物聯網統一管理平臺將影響終端休眠時長/頻率的三個時間參數PSM的Active Time、周期性TAU時間和eDRX周期長度集合下發至SCEF，SCEF將周期性TAU時長參數下發至HSS，HSS再下發至MME，SCEF通過S6t接口向用戶歸屬HSS查詢到用戶拜訪的MME，SCEF將省電模式的時間參數PSM的Active Time、eDRX參數通過T6a接口下發至MME，當UE和MME進行Attach附著/TAU流程時協商省電模式時間參數，并以MME配置參數為準。SCEF能力開放功能的引入，使得網絡可根據物聯網用戶需求自助配置省電時間參數，滿足了用戶多樣化、個性化低功耗需求。
圖4 物聯網應用能力開放架構圖
5 SCEF面向5G演進的展望
SCEF的引入為運營商網絡能力開放帶來了新的商機，但面向未來5G豐富多樣的業務需求，能力開放若面向多網元應用，南向需支持多種協議接口，將導致網絡結構很復雜，接口功能分散且重復、網絡部署與運維難度大、存在安全性風險等問題。因此，5G架構規范TS 23.501中將NEF作為了架構中的重要功能，如圖5所示，且控制功能集中部署、切片化的架構設計更利于網絡能力開放。另外，5G架構的網絡還可將虛擬化管理及編排能力等新型網絡能力對外開放，實現業務自主編排、網絡服務及功能差異化定制、網絡資源按需伸縮等多類型能力開放應用。
圖5 能力開放基于5G的網絡架構
SCEF的引入打開了運營商網絡能力開放的窗口，也改變了傳統業務的運營模式。面對日益多樣化、差異化的業務需求，運營商通過能力開放將核心能力轉化為競爭優勢，SCEF的引入功不可沒，面向未來5G，它將以特有的優勢聯手優質第三方合作平臺，開放各種業務能力，創建共贏的電信生態環境
6 結束語
面對OTT競爭及未來業務豐富多樣化的需求，網絡能力開放是電信網絡發展的必然趨勢。本文以SCEF引入的需求分析為切入點，從管道能力差異化應用、網絡智能適配物聯網終端需求、5G微服務化應用三個方面分析了未來核心網網絡能力開放的必要性。通過分析規范定義的SCEF網絡架構及其可提供的開放能力，提出了SCEF在QoS管道能力開放應用、物聯網終端省電智能化配置應用的部署實例。同時，展望5G架構，進一步明確了SCEF能力開放引入的重要意義。面向未來，運營商通過能力開放將核心網絡能力轉化為競爭優勢，還可聯手優質第三方合作平臺，通過開放各種網絡能力，共同創建共贏的電信生態環境。
參考文獻：
[1] 中國通信標準化協會. 2016-1847T-YD面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網設備技術要求（報批稿）[S]. 2017.
[2] 中國通信標準化協會. 2016-1854T-YD面向物聯網的蜂窩窄帶接入（NB-IoT）核心網總體技術要求（報批稿）[S]. 2017.
[3] 3GPP TS 23.401 V14.3.0. Technical Specification Group Services and System Aspects; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 14)[S]. 2017.
[4] 3GPP TS 23.682 V15.0.0. Technical Specification Group Services and System Aspects; Architecture enhancements to Facilitate Communications with Packet Data Networks and Applications (Release 15)[S]. 2017.
[5] 張卓筠,賀曉博,高功應,等. 5G網絡能力開放需求和解決方案研究[J]. 郵電設計技術, 2016(7): 9-11.
[6] 高楓,張峰,馬錚,等. 電信能力開放趨勢分析及策略探討[J]. 移動通信, 2014(23): 53-57.
[7] 葉宇宏. 基于移動互聯網的能力開放平臺的規劃和設計[J]. 福建電腦, 2016(7): 121-122.
[8] 刁永平. 運營商能力開放整體框架探析[J]. 廣東通信技術, 2016(12): 31-34.
[9] 徐良紅,皋宇. 運營商網絡能力開放研究[J]. 電信技術, 2014(12): 19-21.
[10] 于潔. 運營商整合IT資源實現能力開放的初步研究[J]. 通訊世界, 2016(8): 109-120.
作者簡介
宋小明：工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信集團設計院有限公司項目經理，從事移動通信核心網咨詢、規劃和工程設計工作。
邵永平：高級工程師，學士畢業于南京郵電大學，現任中國移動通信集團設計院有限公司項目經理，從事移動通信核心網咨詢、規劃和工程設計工作。
楊旭：工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信集團設計院有限公司項目經理，從事移動通信核心網咨詢、規劃和工程設計工作。
