5G-R核心網容災組網方案及關鍵技術研究

石 波，藺 偉，李春鐸，胥 昊

(中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081)

引言

我國鐵路5G專網(5G-R)基于3GPP(第三代合作伙伴計劃)標準架構,按照將用戶層面的需求映射到裝備層面,通過增加鐵路特定功能相關設備,形成5G-R系統架構[1]。5G-R系統包括核心網、無線接入網、用戶設備、應用接入管理設備和運營與支撐系統[2],承載行車指揮及控制、運營維護類業務;旅客服務、工程建造等業務采用公網5G進行承載[3]。

5G-R核心網的特點:(1)采用5GC(公網5G核心網)通用架構,增加5G-IN(智能網)、MC(寬帶集群通信)等專用設備以及DNS(域名服務器)、RADIUS(遠程驗證撥入用戶服務),通過應用接入管理設備與應用業務系統互聯;(2)承載鐵路調度通信和列控、行車指揮、列車和鐵路沿線基礎設施監測檢測等信息傳送業務,對實時性、可靠性、安全性要求高;(3)網絡架構適應生產組織和維護管理體系,滿足列車高速運行條件下,跨局、跨線、跨區段正常通信功能,保持業務連續性;(4)采用NFV(網絡功能虛擬化)/SDN(軟件定義網絡)技術,基于服務化架構[4],網元和接口多,交互方式與傳統設備不同;(5)GSM-R與5G-R并存演進,需考慮系統之間互聯互通、業務無縫遷移、系統平滑過渡等。以上增加了5G-R系統核心網組網的特殊性、復雜性。

鐵路5G-R與公網5G在系統組成、業務功能、冗余組網、系統互操作性等方面存在差異。國際鐵路聯盟(UIC)目前初步確定將5G作為鐵路未來移動通信主體制式,計劃2023—2024年開展相關試驗[5],與其他國家相比,我國路網規模大,5G-R承載業務多、應用和組網相對復雜。因此,我國鐵路需結合實際開展相關研究,為標準制定、設備研發、業務應用、規劃建設提供支撐和參考。

1 組網需求分析

1.1 核心網組成和功能

5G-R系統構成如圖1所示[6],核心網包括全路共用設備(5G-EIR、5G-IN、SMSC、一級DNS、一級NRF)和局核心網設備(5GC、MC設備、RADIUS、二級DNS、二級NRF)。

圖1 5G-R系統構成示意

核心網具有注冊管理、移動管理、會話管理、業務控制與處理、用戶面管理、安全、邊緣計算、網絡切片、服務質量(QoS)管理等功能。

1.2 核心網組網需求分析

5G-R核心網組網需求分析如下。

(1)建設需求:適應運輸生產組織架構和維護管理需要,路局之間維護責任界面清晰,應急處置高效。減少設備影響范圍,維修影響其他局行車。此外,核心網組網應避免后建核心網節點接入既有網絡時,引起其他局核心網數據頻繁調整。

(2)業務需求:設備采用本地冗余部署、異地容災備份方式。當核心網任一網元/設備或任一DC(數據中心)或任一節點不可用時(如發生自然災害、停電等情況),系統能自動倒換,保證業務的安全性、可靠性、可用性和可維護性。

(3)運維需求:高鐵、普鐵線路維護方式和時間不同,高鐵維護天窗點在凌晨,普鐵根據情況要點實施維修。因此,核心網設備應冗余設置,當由于設備升級、擴容、處理故障時,高鐵、普鐵互不影響。此外,按照維規相關規定,核心網網元需按期進行主備單元倒換(如5 min/年)或軟件升級(參照以往平均2年1次),在此期間,為不影響業務,需要冗余部署核心網網元。

2 核心網容災備份組網關鍵技術

2.1 核心網規劃部署方案

核心網規劃部署方案如圖2所示。

圖2 核心網規劃部署方案示意

根據需求,5G-R核心網按鐵路局為單位進行集中部署,部分設備按需全路集中部署。核心網共用設備采用本地冗余、異地容災備份的組網方式[7],鐵路局核心網設備采用冗余部署、同城異址災備份組網方式。根據需要,特殊情況下部分控制面(AMF、SMF)、用戶面網元(UPF)可適當下沉部署。在靠近業務側宜設置邊緣計算節點設備[8]。

2.2 故障檢測和自動倒換機制

故障檢測是容災備份進行自動倒換的判斷依據之一,可采用以下4種方式。

(1)方式1:訪問端配置主、備用對端設備IP地址。當訪問端發送業務處理請求,未收到對端的響應消息,通過多次重發請求消息,在設定的時間內發送失敗或一直未收到響應消息,訪問端判斷對端故障,自動改為訪問備用的對端設備。

AMF訪問5G-EIR、GRIS訪問DNS、SMF訪問RADIUS[9]、MC訪問5G-IN均采用這種方式,訪問端重發次數和時間間隔,可根據需要配置。

(2)方式2:服務化NF(網絡功能)與NRF周期性交互心跳信息,NRF維護NF狀態,并向相關NF發送該NF狀態通知。AMF、SMF、PCF(策略控制功能)、UDM(統一數據管理)/AUSF(認證服務器功能)、NSSF(網絡切片選擇功能)、SMSF(短消息服務功能)采用此方式[10]。NF上線后,自動向NRF注冊,NRF在注冊成功響應消息中,向NF發送檢測時長。此后,NF周期性向NRF發送心跳信息,NRF收到后,回復心跳響應消息[11]。

若在檢測時長內,NRF一直未收到某一NF心跳消息,則NRF判斷此NF故障,標識其狀態為“不可用”,下次不再選擇,并將此NF狀態消息發送給訂閱此NF狀態事件的其他NF。

當NF故障恢復后,NRF再將其設為“可用”,再向訂閱事件的相關NF發送狀態變更消息,下次業務有請求時,可繼續選擇該NF提供服務。

NF支持使用緩存選擇目的NF。源NF通過NRF選擇目的NF,并緩存NRF查詢信息。緩存有效期內,源NF可使用本地緩存信息選擇目的NF。當NRF故障,且NF本地緩存均失效時,源NF可使用本地配置選擇目的NF[12]。

(3)方式3:訪問端和對端之間發送點對點心跳消息,當在檢測時長內未收到心跳消息,則判斷對端設備故障,轉為訪問備用對端設備。

對于服務化接口,采用方式2、方式3(通過緩存方式選擇目的NF情況下)。對于非服務化接口,如SMF和UPF之間的N4接口,按照3GPP規范,可通過NRF發現和選擇UPF,但目前各廠家暫不支持,現階段可采用方式3進行故障檢測[13]。

方式2和方式3檢測方式如表1所示[14]。

表1 基于周期性心跳的故障檢測方式

方式1、2、3的消息重發間隔、次數以及心跳周期、檢測時長和緩存時間可根據需要配置,具體應結合列控等應用業務需求,綜合考慮減少不必要的系統開銷等因素進行確定。

(4)方式4:通過信令網實現到主、備用對端設備的路由自動選擇。

例如,短消息MO(終端發起)業務路由UE→AMF→SMSF→SMSC。MT(終端結束)業務路由SMSC→SMSF→AMF→UE,SMSF與SMSC通過信令轉接設備(STP)連接,當主用SMSC故障,STP自動將短消息轉發給備用SMSC。再如,3GPP在R16中引入了SCP,當NF交互采用模式D時,SCP感知目的NF故障,自動將信令路由到備用目的NF。

2.3 容災備份方式比選

網元容災備份方式比選如表2所示。

通過比選可見,AMF、SMF、UPF不存儲用戶數據(只存用戶會話上下文),可采用池組負荷分擔方式;冗余網元之間若需實時雙向數據同步(如UDM/AUSF),可采用1+1主備方式;其他網元(如NRF等),可采用1+1負荷分擔方式。

2.4 網元之間故障檢測參數

網元之間的故障檢測參數包括心跳周期、最大重傳次數,根據需要可以配置。

以AMF和gNB(基站)之間N2口為例,該接口采用SCTP(流控制傳輸協議),故障檢測通過對SCTP偶聯狀態進行檢測,SCTP協議通過HEART BEAT和HEART BEAT ACK消息機制檢測對端狀態及維護SCTP偶聯狀態。當以配置間隔(心跳周期)發送HEART BEAT消息而未收到ACK的次數達到最大配置次數后,則判定故障。

AMF心跳間隔可配置,當在1個心跳間隔內,接口上無業務數據傳輸時,SCTP偶聯向對端IP地址發送心跳消息,以檢查遠端IP地址是否激活。

SCTP最大重傳次數可配置,當某個SCTP偶聯上連續重傳報文次數超過SCTP最大重傳次數時,將認為對端SCTP端點不可達。此時,本端將自動關閉該SCTP偶聯,通知SCTP用戶層(如M3UA等)該SCTP偶聯不可用,并上報斷鏈告警。

綜上,當SCTP鏈路上有數據發送時,故障檢測最大時間為RTO(恢復時間目標)*SCTP最大重傳次數,當無數據發送時,故障檢測最大時間為心跳間隔*SCTP最大重傳次數。

實際應用中,應結合5G-R承載的業務需要,例如,C3列控系統車地數據傳輸中斷20s[15]采取降級或降速措施,則故障檢測最大時間建議小于20s,網元相關參數值設置建議見表3。

3 核心網容災備份組網方案

3.1 基于消息重發的1+1主備容災備份組網方案

5G-EIR、5G-IN、DNS、RADIUS、MC設備等采用本方案。以5G-IN為例,全路部署兩套5G-IN,采用本地冗余、異地容災備份組網方式,如圖3所示。5G-IN與局核心網MC設備通過承載網互聯,數據鏈路冗余配置并由不同物理路由通道提供。

圖3 基于消息重發的1+1主備容災備份組網方案

異地5G-IN之間通過數據專線互連,傳送同步數據,通道冗余設置,按需配置帶寬。異地5G-IN采用主備工作方式,MC設備配置主用5G-IN為首選,備用5G-IN為次選,主備選擇由MC設備實現。

正常情況下,MC向主用5G-IN發送功能尋址業務請求消息,由主用5G-IN向全網MC設備提供功能號碼翻譯服務,備用5G-IN熱備、不處理業務。

當主用5G-IN發生故障時,MC連續多次(如設為3次)訪問主用5G-IN無應答,超時后,MC自動訪問備用5G-IN,由備用5G-IN提供服務。

原主用5G-IN故障恢復后,通過人工方式恢復工作狀態。

3.2 基于心跳檢測的池組負荷分擔容災組網方案

AMF、SMF、UPF宜采用本方案組網。以SMF組網為例,組網如圖4所示。

圖4 基于心跳檢測的池組負荷分擔容災備份組網方案

SMF按鐵路局集團公司集中部署,采用同城異址容災備份組網方式,即在鐵路局集團公司同城異址設置雙DC,雙DC內分別部署SMF,SMF與本局AMF、PCF、UDM等控制面NF和UPF、RADIUS等通過DC內部和DC間承載網互聯,與其他鐵路局SMF、UDM通過承載網互聯。

雙DC內的SMF采用池組負荷分擔工作方式。所有業務由池組內的SMF共同承擔,發起會話管理相關業務請求時,AMF宜優選本址DC內SMF提供服務,也可根據需要,按照負荷分擔的原則,選擇池組內的一個SMF提供服務;SMF與NRF周期性交互心跳消息,心跳周期、次數、探測時長等根據需求分別設置。

當池組內某個SMF發生故障時,NRF在檢測時長內未收到SMF發送的心跳,則判斷SMF故障,NRF向訂閱SMF狀態變更的NF(NF服務交互為模式C)或SCP(NF服務交互為模式D)[12]發送SMF故障通知,對端NF或SCP收到消息后更新所存儲的SMF狀態信息[16];正在進行的業務,由AMF通知UE重新注冊,恢復業務;新發起的業務,由AMF或SCP自動選擇SMF池組內其他可用的SMF提供服務。

SMF故障恢復后,避免自動倒回導致業務受損,采用有計劃的人工方式恢復工作狀態[17]。

需要說明的是:(1)SMF故障時,AMF通過NRF感知故障,通知UE去注冊,并在原因值中指示UE重新注冊[18];(2)UPF故障時,SMF感知后,釋放當前PDU會話[19],通知網絡相關實體(PCF、RADIUS、基站)釋放PDU會話資源,包括N3/N9、無線接入以及IP地址/前綴,并在原因值中指示UE重新建立PDU會話,恢復業務[20]?；就ㄟ^與UPF之間點對點心跳檢測機制感知UPF故障,超時后釋放資源,避免進程異常。

3.3 基于心跳檢測的1+1主備容災備份組網方案

UDM/AUSF、PCF、NSSF、SMSF等網元采用本方案,以UDM/AUSF為例,UDM/AUSF按鐵路局部署,采用同城異地容災備份組網方式。在各鐵路局同城異設置雙DC,在雙DC內分別部署UDM/AUSF,各DC內的UDM/AUSF冗余配置,UDM/AUSF與本局AMF、SMF、SMSF、位置服務設備,其他局AMF、SMF互聯,組網如圖5所示,雙DC內的UDM/AUSF采用主備工作方式。

圖5 基于心跳檢測的1+1主備容災備份組網方案

異地冗余UDM/AUSF之間通過數據專線互聯,通道冗余設置,用于靜態、動態數據(包括當前服務AMF、SMF等信息)同步以及心跳等數據傳送。數據通道的帶寬按需配置。

正常情況下,訪問端(如AMF、SMF)發送的請求由主用UDM/AUSF處理,備用UDM/AUSF熱備、不處理業務。

當主用UDM/AUSF發生故障時,NRF在檢測時長內未收到UDM/AUSF發送的心跳信息,則判斷UDM/AUSF故障,檢測時長、心跳周期和次數根據需要設置。

NRF判斷UDM/AUSF故障后,向訂閱UDM/AUSF狀態變更的NF(NF服務交互為模式C)或SCP(NF服務交互為模式D)發送UDM/AUSF故障通知,對端NF或SCP收到消息后更新所存儲的UDM/AUSF狀態信息,由對端NF或SCP 自動選擇備用UDM/AUSF提供服務。

UDM/AUSF故障恢復后,避免自動倒回導致業務受損,采用有計劃的人工方式恢復工作狀態。

3.4 基于信令路由選擇的1+1主備容災組網方案

SMSF與SMSC之間信令交互采用此方案。SMSF與SMSC組網方式如圖6所示。

圖6 基于信令路由選擇1+1主備容災備份組網方案

正常情況下,SMSF之間信令消息由7號信令網IP STP負責轉發,IP STP對GT碼進行翻譯,將消息轉發給主用SMSF或SMSC。

若主用SMSF或SMSC故障,7號信令網STP通過MTP3層檢測到主用SMSF不可達,自動將信令消息路由到備用SMSF或SMSC。AMF通過NRF檢測到SMSF故障,將業務自動選擇到備用SMSF。

4 測試驗證情況

根據研究編制的測試案例,對網元故障和網絡可靠性測試驗證,與預期方案一致。當網元故障時,系統能夠進行自動倒換,當前進行的業務可通過重建會話恢復業務,后續新發起業務不受影響。

網元故障倒換期間,故障網元無法提供服務。故障倒換時長與設置的網元故障檢測時長相關,故障倒換時長包括故障檢測、判斷時長和執行倒換時長,其中故障檢測、判斷時間相對較長,執行倒換的時間較短。網元的功能、作用、故障影響范圍不同,心跳周期、次數和檢測時長設置應有所不同,進而網元故障的倒換時間也不相同。

需要說明的是,各廠家核心網網元包括不同的功能模塊/單元,承載同一功能單元的虛擬機應冗余配置,且采用反親和部署方式,配置在不同的物理主機上,確保產品的可靠性。此外,目前國際標準未對網元容災備份方案及實現流程做具體規定[21],后續還需按照國鐵科技攻關計劃,進行環形道動態試驗、高速鐵路充分試驗驗證后,持續進行優化完善。

5 結語

5G-R是鐵路新一代移動通信系統,基于虛擬化架構,采用IP技術,網元軟件化、模塊化、微服務化,交互方式與傳統通信系統差異大。核心網是關鍵設備,服務范圍廣,承載列控、行車調度指揮等關鍵業務。統籌考慮上述各類業務需求,調研分析鐵路實際情況和5G-R技術特點,在此基礎上提出了5G-R核心網目標網的規劃方案。同時,基于鐵路業務高可靠性的需求,重點研究了設備之間故障檢測技術,結合網元功能、作用和接口,提出并比選了3種容災備份方式及適用性。結合5G-R網絡規劃部署方案,研究提出了4種網元容災備份組網方案,通過研究試驗,驗證了故障場景下網元處理機制、倒換時間和對業務的影響,對設備關鍵參數的設置提出了建議值。

綜上所述,5G-R核心網容災備份組網方案的研究為設備研發、標準制定、規劃建設提供參考和技術支撐,隨著5G-R發展和應用,將來可進一步優化組網和參數設置,從網元級、DC(數據中心)級、網絡級等各方面保證業務的安全性、可靠性、可用性、可維護性。