【摘 要】传统核心网络的竖井式架构及网络功能定位导致了业务与能力紧耦合，各网元对网络能力的封装已无法应对OTT竞争及未来业务丰富多样化的需求。根据网络能力开放的多种实际应用需求，结合3GPP规范定义总结出运营商可通过引入SCEF实现QoS管道能力开放、物联网领域能力开放的部署应用。展望面向5G业务需求，SCEF演进网元将带来更广领域、更高价值的应用。
【关键词】SCEF；QoS能力开放；物联网能力开放
Analysis on Introduction Requirements and Applications Deployment of SCEF
SONG Xiaoming， SHAO Yongping， YANG Xu， WANG Fang
[Abstract] The shaft architecture and network function positioning of traditional core network led to the tight coupling of service and capability. The encapsulation of each network element for network capability is unable to cope with the OTT competition and the spanersification of future services. According to various actual application requirements of network capability openness and the specification definitions of 3GPP， operators can introduce the application deployment of SCEF to enable QoS pipeline capability openness and in the field of IoT capability openness. SCEF evolved network elements will bring applications with wider range and higher value according to 5G business needs.
[Key words]SCEF； QoS capability openness； IoT capability openness
1 引言
在电信运营商CT向IT战略转型，大力推进网络能力开放，积极发展蜂窝物联网的背景下，面向第三方应用的业务及场景日益增多，这将会对核心网提出更高的能力要求。3GPP R13定义了能力开放架构，引入业务能力开放网元SCEF（Service Capibility Exposure Function，网络能力开放功能），并定义了SCEF相关的网元接口以安全开放网络业务能力，SCEF可实现的主要功能为将核心网网元能力开放给各类业务应用，通过协议封装及转换实现与合作/自有平台对接，SCEF的应用使网络具备了多样化的运营服务能力。
2 SCEF引入需求分析
传统电信网络虽然语音、数据等基础网络能力强大，但核心网的竖井式架构导致了业务与能力紧耦合，各网元对网络能力的封装形成了资源孤岛，极大地限制了业务创新空间，已无法适应互联网+时代开放、共享、合作模式的多样化业务创新需求。因此运营商网络转型需求迫切，可通过引入3GPP定义的能力开放架构，运营商通过SCEF网元开放接口，屏蔽底层实现，将蕴含在网络和系y中的核心能力提供给上层使用，由应用向用户提供灵活丰富的业务模式。
核心网通过引入SCEF可满足多场景、多类型业务应用的需求。
（1）管道能力差异化应用需求。可充分挖掘现有网络能力价值，例如管道能力是电信网络的核心竞争力，若能通过SCEF能力开放接口面向游戏/视频类应用打开QoS（Quality of Service，服务质量）管控等能力，为不同用户提供多样化、差异化管道服务，可进一步将运营商网络资源价值最大化。
（2）网络适配物联网终端的灵活、快速响应需求。物联网终端类型繁多，不同应用的通信属性差异较大，比如有些业务场景需要网络参数按需实时调整配置时，若采用修改HSS等网元配置信息的方式，会存在网络配置工作量大、需求响应周期长、影响网络安全等问题。而采用打开SCEF能力开放接口的方式，实现配置参数下发，将第三方平台用户属性或配置需求信息实时更新至网络侧，可满足灵活、快速、高效配置网络属性的需求。
（3）面向5G微服务化需求。5G网络架构采用切片化提供网络能力，以适应多类型业务多场景化通信需求，业务可编排网络可自动部署的演进趋势更需要网络能力可开放可共享。因此SCEF网元功能将变得尤为重要，各类控制面网元可通过SCEF来实现信息可交互、可共享、可配置、可编排，以满足5G多样化业务需求。
3 SCEF网络架构及开放的能力
3GPP R13定义的能力开放架构如图1所示，通过各类接口可开放的网络能力主要包括：通信信息获取、位置信息获取、通信服务开通信息获取、网络设置信息获取等。SCEF的引入使得能力开放网络配置简单、高效。通过对单个网元SCEF进行配置，即可实现核心网多网元各种能力的开放，而不需要在每个核心网网元中新增能力开放模块。同时，引入SCEF网元对接各种业务需求的合作/自有平台，可自动将平台需求参数通过SCEF自动下发至核心网网元，避免了网络维护人员工作量的增加以及人为配置可能出现差错的风险，可确保网络配置的正确率及网络安全，提高网络运维效率。 基于SCEF网络架构定义，可开放的网元能力及应用主要包括下面几点。
（1）对PCRF的能力实现开放
面向用户多样化数据速率承载的需求，运营商可将SCEF与流量经营PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能网元）网元之间的Rx接口进行能力开放，例如PCRF自有能力、PCC加速、QoS资源申请、修改、释放等功能开放给业务平台，以实现管道能力实时敏捷适配用户多样化需求。
（2）对HSS/MME实现能力开放
随着物联网业务的高速发展，其终端多样化、需求个性化将会对核心网网络提出更多能力要求。一方面是网络侧信息获取需求，通过SCEF可将网络侧HSS/MME（Home Subscriber Server/ Mobility Management Entity，归属用户服务器/移动性管理实体）中存储的用户位置信息、网络配置、业务/服务开通信息等网络侧信息提供给第三方/自有应用平台，可为用户提供多样化信息服务。另一方面需要将第三方平台用户个性化属性或配置信息下发至网络侧，以实现网络参数按需灵活自动配置。
（3）对更多核心网能力实现开放
面向未来5G应用的多种业务场景及多样化用户需求，运营商还可将更多的网元能力进行开放。例如开放S-CSCF（Serving-Call Session Control Function，服务-呼叫会话控制功能）与SCEF之间的ISC（IP Multimedia Subsystem Service Control，IMS业务控制）接口可实现多方会议、号码显示等语言类能力的开放等，并最终可基于4G/5G融合架构通过NEF（Network Exposure Function，网络功能开放）与SCEF统一的北向接口实现更多核心网网元能力的融合开放。
4 SCEF部署及应用
4.1 QoS管道能力开放及部署应用
面向未来市场的井喷式发展以及业务的QoS多样化、个性化需求，运营商可充分利用自身管道优势，面向合作方业务平台，开放网络管道能力以满足游戏加速、视频类应用等多样化QoS需求。
部署方式为在EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）网络架构中增加网络能力开放层SCEF，根据应用的QoS要求向PCRF申请、调整网络资源，同时根据应用要求向PCRF执行网络资源事件通知的订阅和取消订阅，并将SCEF与业务平台之间基于JSON/XML（JavaScript Object Notation/Extensible Markup Language，Java脚本对象表示/扩展标记语言）的协议转换为SCEF与PCRF之间的Diameter协议，解决了协议兼容性问题的同时也提高了网络安全性。EPC网络基于SCEF的QoS能力开放架构如图2所示，SCEF通过API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）接口向第三方业务开放网络能力，通过Rx接口实现接入控制，并实现接口封装及转换、会话管理、路由等功能。
图2 QoS管道能力开放架构图
通过SCEF将网络侧用户数据业务的QoS能力封装后以API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）形式开放给第三方应用。应用平台根据用户需求及时（用户使用业务时）向网络侧发起业务加速申请，网络侧依据与业务签订的协议，为当前用户提供加速服务。以游戏加速应用为例，用户开启某个手机游戏，发起业务加速请求，游戏业务平台调用能力网元接入模块经由管道能力网元向网络侧申请业务加速，用户升级为临时VIP用户，游戏服务商为该用户的游戏链接申请差异化服务。
4.2 物联网领域的能力开放及部署应用
NB-IoT蜂C物联网以其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低等优势而得到迅速发展。以NB-IoT低功耗实现技术能力开放为例，若引入能力开放网元SCEF，可使终端省电特性更加智能化，同时运营商网络运维更加安全、高效。
基于现有EPC架构的NB-IoT网络，影响终端省电时长的三个参数为周期性TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）、PSM（Power Saving Mode，省电模式）的Active Time和eDRX（extended Idle Mode DRX，扩展的空闲模式DRX）周期长度，这三个参数的关系如图3所示。终端在一个TAU周期结束后，会退出省电模式，再次发起TAU流程；UE可同时请求激活PSM模式和eDRX两种省电模式，由MME决定某个或两个同时生效。若将核心网MME、HSS网元的网络参数配置能力进行开放，可将物联网用户个性化、多样化的省电时长需求参数通过物联网卡和终端的统一管理平台下发至核心网控制面网元，以实现网络自助配置并决定终端省电时长。这不但满足了终端用户多样化的省电时长需求，更是避免了网络维护人员工作量的增加以及人为配置可能出现差错的风险，且免去网维人员参与配置，需求响应更及时高效。
图3 周期性TAU、Active Time、eDRX三个参数关系图
部署方式为在EPC网络架构中增加网络能力开放SCEF网元，网络架构如图4所示。物联网统一管理平台将影响终端休眠时长/频率的三个时间参数PSM的Active Time、周期性TAU时间和eDRX周期长度集合下发至SCEF，SCEF将周期性TAU时长参数下发至HSS，HSS再下发至MME，SCEF通过S6t接口向用户归属HSS查询到用户拜访的MME，SCEF将省电模式的时间参数PSM的Active Time、eDRX参数通过T6a接口下发至MME，当UE和MME进行Attach附着/TAU流程时协商省电模式时间参数，并以MME配置参数为准。SCEF能力开放功能的引入，使得网络可根据物联网用户需求自助配置省电时间参数，满足了用户多样化、个性化低功耗需求。 图4 物联网应用能力开放架构图
5 SCEF面向5G演进的展望
SCEF的引入为运营商网络能力开放带来了新的商机，但面向未来5G丰富多样的业务需求，能力开放若面向多网元应用，南向需支持多种协议接口，将导致网络结构很复杂，接口功能分散且重复、网络部署与运维难度大、存在安全性风险等。因此，5G架构规范TS 23.501中将NEF作为了架构中的重要功能，如图5所示，控制功能集中部署、切片化的架构设计更利于网络能力开放。另外，5G架构的网络还可将虚拟化管理及编排能力等新型网络能力对外开放，实现业务自主编排、网络服务及功能差异化定制、网络资源按需伸缩等多类型能力开放应用。
图5 能力开放基于5G的网络架构
SCEF的引入打开了运营商网络能力开放的窗口，也改变了传统业务的运营模式。面对日益多样化、差异化的业务需求，运营商通过能力开放将核心能力转化为竞争优势，SCEF的引入功不可没，面向未来5G，它将以特有的优势联手优质第三方合作平台，开放各种业务能力，创建共赢的电信生态环境。
6 结束语
面对OTT竞争及未来业务丰富多样化的需求，网络能力开放是电信网络发展的必然趋势。本文以SCEF引入的需求分析为切入点，从管道能力差异化应用、网络智能适配物联网终端需求、5G微服务化应用三个方面分析了未来核心网网络能力开放的必要性。通过分析规范定义的SCEF网络架构及其可提供的开放能力，提出了SCEF在QoS管道能力开放应用、物联网终端省电智能化配置应用的部署实例。同时，展望5G架构，进一步明确了SCEF能力开放引入的重要意义。面向未来，运营商通过能力开放将核心网络能力转化为竞争优势，还可联手优质第三方合作平台，通过开放各种网络能力，共同创建共赢的电信生态环境。
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