5G TOB高可用邊緣網關方案在智慧煤礦中的容災探究

成曉東

【摘要】? ? 當前5G正以其獨特的技術優勢，賦能千行百業，成為行業數字化的關鍵生產力，數字經濟的新引擎。高可靠性邊緣網管容災方案有效的解決了5G核心網異常斷網的問題，實現了控制面全故障或斷連時邊緣用戶面慣性運行，連接態非移動性業務仍可持續運行，連接態移動性業務短暫中斷后重新注冊恢復，新用戶可以正常接入，故障恢復后，所有業務可平滑恢復到故障前狀態。端到端的高效、優質、安全成為了企業使用5G網絡的基礎。

【關鍵詞】? ? 5G TOB? ? 智慧煤礦? ? 風箏方案

一、概述

在5G ToB網絡建設中，低時延、企業數據不出園區、小型化核心網、大網中斷業務不中斷等是企業一致的訴求，因此網絡安全可靠，尤為重要。當前5G核心網采用大區劃建設方案，以山西為例，節點信令面對接華北大區和東北大區，轉發面UPF下沉省內。地市級別的部署位置相對最高，機房條件最好，主要面向時延不敏感的部分業務，比如：高清視頻、VR視頻等。園區級別一般部署在企業園區，通過分布式邊緣計算（MEC）將網絡能力下沉到邊緣行業內部，實現低時延、大帶寬、邊緣計算的應用在本地閉環同時兼顧數據不出園區且高可靠的業務訴求[1]，比如：工業互聯網場景下的園區監控，工業視覺檢測、工業控制等。

二、目前針對園區組網方案

企業部署入駐式MEC，內部終端訪問園區和公網業務，通過代理提供internet出口，企業終端簽約專用DNN，在園區內通過邊緣UPF訪問園區，邊緣UPF不提供公網接入。UPF N6通過專線方式接入園區網絡，N6專線可通過OTN/SPN提供;企業園區internet接入可以通過PON網絡提供互聯網專線，或通過OTN/SPN提供高價值互聯網專線;如果園區外限制用戶訪問園區，需要在PCF簽約區域控制[2]。

MEC是為了滿足云應用在本地閉環、移動網絡分布式下沉以及終端算力上收，所形成的連接+計算的融合匯聚節點。MEC所處的位置由時延體驗、物理基礎設施等相關因素共同決定，5G接入技術實現更高的帶寬，邊緣UPF支持本地分流實現更低的時延、邊緣UPF通過MEP集成APP實現第三方APP的靈活快速部署[3]。

從網絡功能的劃分來看，MEC在5G網絡中處于本地用戶面位置，是部署于邊緣位置的UPF和本地數據網（DN）以及AF組成的聯合解決方案。

當前的網絡部署在一系列的技術和設備規范保障下網絡已達到電信級安全。但在極端場景下，如果控制面與轉發面之間的傳輸鏈路（N2/N4）中斷時，園區業務將不能正常運行。由于園區到控制機房存在較遠的路由特點，干線路由終端的問題時有發生;在5G已經深入煤礦的關鍵生產環節情況下，如何保障在大網中斷的極端情況下，也能保證企業生產系統正常運行是亟需解決的一大難題。

三、高可用邊緣網關部署

呂梁移動聯合華為圍繞最終客戶訴求，創新性提出高可靠邊緣網管方案——“風箏”解決方案。通過對MEC可靠性設計做了進一步增強，將部分控制面網元功能備份到園區本地，基于運營商5G網絡，中心與邊緣的容災協同，公網專用，率先實現了極端場景下，關鍵生產系統的正常運行，使網絡可靠性進一步增強。另外通過省中心運維管理面遠程集中高效運維，同時依托于移動集團5G大網，具備后續5G網絡新特性演進能力。 5GtoB公網專用風箏方案基于運營商5G網絡公網專用，通過中心與邊緣容災協同，穩若磐石，敏如風箏，在園區入駐專網與中心網絡失聯時，能夠自動切換到專網應急容災控制面，大大提高了5G專網的可靠性，保障了企業生產系統的高可用性，此方案在鑫巖煤礦園區專網成功進行了測試驗證。

3.1實現目的

高可靠，網斷業不斷：創新性地在園區部署應急控制面，與中心網絡進行實時數據同步，在與中心網絡連接中斷以后，本地網絡能夠無縫接管業務，保證企業關鍵生產系統的正常運行。

高效率，網沉人不增：采用邊緣一體化交付模式，即插即用，一鍵式部署，2小時開通，極大地提升了交付效率。

高安全，數據不出園區：同時提供S、M、L系列化規格，滿足不同專網的不同訴求。S模式對應小號專網，多企業共享運營商的網絡;M/L模式采用MEC入駐企業，數據不出園區，解決企業數據安全顧慮。

3.2組網方案說明

園區VNF包含邊緣UPF和本地輕量化CP，輕量化CP包含Lite AMF， Lite SMF和Lite UDM。當前R3版本，邊緣環境獨立部署UEG、UNC（AMF、SMF合設）、UDM，R4版本UEG+（包含UEG、UNC、UDM融合部署）。

3.3高可用邊緣網關網元功能介紹

UDM 用戶數據：正常狀態功能：實時同步用戶簽約/營帳，應急狀態功能：支持本地簽約數據查看，禁止修改，提供本地認證/接入。

AMF 用戶移動性管理：正常狀態：本地靜默運行;支持強制遷移用戶回大網;應急狀態：大網失聯情況下，支持基站選擇本地AMF，本地AMF選擇本地SMF，UDM進行業務注冊。

SMF 用戶會話管理功能： 正常狀態：本地靜默運行; 應急狀態：本地AMF選擇本地SMF，SMF選擇UPF進行會話管理。

UPF 用戶面管理功能：正常狀態：標準UPF功能，支持本地業務/大網業務不同分流策略;應急狀態：支持本地計費信息緩存（離線計費），用戶慣性運行。

3.4公網專用高可用測試方案

組網配置組網關鍵點：

園區本地部署一套UPF和一套輕量化控制面（包含應急AMF、SMF、UDM;應急AMF/SMF只選擇應急SMF/UDM）。

園區AMF設置和大網AMF相同的SET，不同AMF ID（僅為了讓園區無線感知園區有可用AMF;園區AMF不注冊到大網NRF，不影響大網）。大網AMF保持現有capacity配置（255），園區AMF配置capacity為0。

園區UDM：1. 手工配置UDM安全參數（K4，加密算法， OPC，C1-C5，R1-R5等）2為測試用戶手工導入數據（用戶KI，簽約數據）。

測試采用獨立DNN;大網SMF針對測試DNN，關閉計費，PCC策略?；拘枰卸鄠€，觸發移動切換。

前置條件：園區UPF已經部署完成且運行正常;基站和大網核心網5G網絡環境運行正常，用戶在大網開戶;終端可以正常激活;設置終端上傳視頻數據功能。

測試用例：園區與大網控制面中斷、恢復

類型1.新開機用戶，業務影響情況。

類型2.在線業務不中斷的用戶 。

類型3.連接態用戶移動至基站切換后重新注冊到園區控制面，業務正常。

測試結果：

在園區server上觀測上傳數據，斷開園區與大網鏈路，模擬N2、N4斷鏈故障，園區與大網鏈路恢復。

大網失聯：業務容災啟動（業務無影響/快速恢復）。

類型1. 新開機用戶（1.0->1.1）：gNB選擇園區應急AMF接入，業務無影響。

類型2. 在線業務用戶（連接態）（2.0）：園區gNB保持連接態;大網AMF， 大網SMF，園區UPF 保持用戶連接態（慣性運行）。業務無影響。

類型3. 已注冊的用戶，發起信令（終端發起，移動引起切換）（3.0->3.1）：園區gNB選擇Capacity Value=0的園區AMF處理，AMF引導用戶重新注冊，業務快速恢復。

大網失聯恢復：大網失聯恢復，業務容災和回遷（業務無影響）。

類型1.新開機的用戶（ 1.0-1.2 ）：選擇大網2B AMF接入，業務無影響。

類型2.在線業務不中斷的用戶（2.0-2.1）：用戶信令（GUTI為大網AMF），和大網AMF通信，業務無影響。

類型3.已接入園區AMF的用戶（3.0-3.1）：用戶的信令（GUTI）包含園區AMF的GUAMI，無線仍然選擇園區AMF，業務無影響。

應急場景用戶計費方案：慣性運行用戶計費補報。

關閉N4接口故障時UPF主動去激活用戶的開關，支持與N4斷鏈后，已經上線的用戶業務不受影響;大網斷鏈后，UPF仍累計流量，記錄在每個用戶最后一張打開的話單中，不再產生中間話單;鏈路恢復之后，由UPF將緩存話單發送到大網SMF，最終轉發到CHF，支持用戶正常計費。

測試場景測試結果符合預期，即大網和園區間鏈路斷開，已在線用戶數據回傳業務不中斷，業務正常。

四、結束語

用戶的業務體驗提升是產品和方案不斷追求努力的方向，也是吸引客戶、留住客戶、提升品牌價值的有效手段。從網絡側來看，端到端的業務訪問時延越小，則業務體驗越好，因此內容服務器下移部署，即把業務服務器盡可能的部署到靠近用戶的位置，就可以縮短用戶訪問業務的時延，可以有效提升用戶的業務體驗。另外網絡的運行安全和容災能力，也是保證業務連續和感知的重要環節。5G TOB網絡的高可靠邊緣網關功能，可以有效提升網絡抗風險能力，在外部斷網時為園區設備可以正常運行、工作提供保證。5GtoB商用啟航，行業數字化轉型加速。未來容災解決方案將在在煤礦、企業園區、工廠、港口、場館，以及工業互聯網等場景發揮至關重要的作用，是推動5G成為行業數字化轉型的關鍵驅動力量。

參? 考? 文? 獻

[1]周漢， 馮江平. MEC標準化進展[C]// 2019全國邊緣計算學術研討會論文集. 2019.

[2] 張進財 5G+：九大垂直領域的5G智慧賦能. 化學工業出版社， 2021/3/1， （08）：161-162

[3]薛松荃， 李瞻宇， 鄒宇辰. 基于共建模式下共享方MEC部署方案研究[J]. 現代信息科技， 2020， v.4（06）：65-68.

[4]陳鵬，李南希，田樹一等.5G移動通信網絡：從標準到實踐. 機械工業出版社. 2020/7/1