5G-R信令組網方案研究

李 雪，許 揚

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．中國鐵路沈陽局集團有限公司，沈陽 110001)

1 概述

5G-R系統是在5G系統平臺上增加了鐵路運輸專用調度通信功能。5G-R具有適應鐵路運輸特點的功能優勢，滿足下一代鐵路移動通信系統功能及業務需求。同時5G產業在標準、產品、終端、安全、商業等各領域已經準備就緒，因此5G-R適用于下一代鐵路移動通信系統。

不同于GSM-R網絡，5G-R將是一個廣應用、大連接、多切片的網絡，因此5G-R網絡信令交互將更加頻繁且重要，如何提供簡單高效、可持續演進的5G-R信令網將成為核心網建設和部署的關鍵。本文通過研究信令網的需求，提出5G-R信令組網方案。

2 信令組網方案比選

5G-R核心網是基于服務化接口的全新網絡架構，各功能實體間使用HTTP 2.0信令協議來進行SBA接口通訊，信令網絡如何組網成為5G核心網規劃和建設的關鍵。隨著3GPP標準的不斷完善和發展，為滿足更多部署場景和需求，在R15中引入NRF（NF Repository Function ）功能實體，主要負責NF的功能服務注冊，業務發現和維護可用網元實例，數據配置和路由查詢可通過NRF實現。在 R16版本中引入SCP（Service Communication Proxy）功能實體，支持HTTP信令間接通信功能，為5G核心網各NF間提供信令消息路由及轉發。新增SCP提供路由策略及管理功能。從而各NF可專心于業務功能的實現，路由控制等功能統一由SCP來實現。SCP類似于現有七號信令網中的STP和Diameter信令網中的DRA，是5G核心網內HTTP消息轉接代理設備，用于簡化NF的信令路由和網絡組織。

3GPP R16協議提供了4種NF間業務互通的通信模式，如表1所示。

表1 NF間業務互通模式Tab.1 Business interoperability model between NFs

如圖1所示，模式A沒有 NRF 交互的直接通信：既不使用 NRF，也不使用 SCP。消費者使用NF配置服務提供的“ NF 配置文件”， 與其所選的網元直接進行通信。此模式NF網元配置復雜，鏈路數量多，但NF直連，時延最低。

圖1 模式A通信方式Fig.1 Communication mode for model A

如圖2所示，模式B與 NRF 交互的直接通信：使用NRF做服務發現，查詢 NRF，獲得提供服務的NF列表，選擇其需要進行通信的網元。此模式NF需靜態配置NRF地址，NRF提供服務查詢，業務路由仍由NF實現，鏈路數量多，時延較低。

圖2 模式B通信方式Fig.2 Communication mode for model B

如圖3所示，模式C沒有委托發現的間接通信：使用NRF做服務發現，查詢 NRF ，獲得提供服務的NF列表，消費者將服務提供NF網元地址發送到 SCP（或發送服務提供NF列表至SCP，由SCP選定服務提供NF，如果需要，SCP與 NRF交互以獲取選擇參數，例如位置，容量等）。SCP將請求路由到選定的 NF 服務提供者實例。此模式NF鏈路經SCP收斂，NF配置簡單，鏈路數量少，但需經NRF查詢和SCP轉接，時延較高。

圖3 模式C通信方式Fig.3 Communication mode for model C

如圖4所示，模式D與委托發現的間接通信：消費者不進行任何發現或選擇。消費者將找到合適的提供者所需任何必要的發現和選擇參數添加到服務請求中，并將服務請求發送給SCP。SCP 使用請求地址以及請求消息中的發現和選擇參數將請求路由到合適的提供者實例。SCP 可以使用 NRF 執行發現并獲得發現結果。此模式NF鏈路經SCP收斂，NF配置簡單，鏈路數量少，但需經SCP轉接，時延較高。

圖4 模式D通信方式Fig.4 Communication mode for model D

5G-R試驗線或建設初期，網絡規模較小，可采用模式B，實現快速部署。全路各鐵路局集團公司設置核心網，每個核心網設置一對NRF，負責局內NF服務注冊、查詢功能。在全路設置一對根NRF，負責局間NF服務查詢功能。

隨著5G-R網絡的大規模建設，用戶數量不斷增加，網絡規模逐步擴大，引入SCP簡化NF的信令路由和網絡組織，同時可以對信令流量進行控制，是均衡各網元的負載。采用模式3或模式4。模式3中，NRF和SCP獨立設置，NRF進行地址映射，而SCP主要負責路由。模式3適合對已建設NRF并采用模式B的網絡進行升級，對現網改動最小。模式4適合新建網絡，鏈路清晰，SCP和NRF可合設，減少故障點，便于維護。

建議5G-R網絡全路核心網先行建設，采用模式4建信令網，局內SCP與NRF可合設。

3 網絡架構

3.1 組網架構

5G-R信令網采用3級架構，由NF、局NRF、SCP和根NRF組成。其中，NF網元應包括核心網提供服務化接口的所有網元，如AMF、SMF、NEF、PCF、UDM、NSSF、AUSF、UDR、NRF、EIR等。局NRF負責局內NF服務注冊、查詢功能。根NRF負責局間NF服務查詢功能。

3.2 節點設置

3.2.1 SCP節點設置

SCP宜在局所在地集中、成對設置，成對的SCP應異址設置。

SCP設置在傳輸資源良好、具有多條相互獨立物理傳輸路由、承載網節點上。

3.2.2 NRF節點設置

在局所在地冗余設置局NRF，采用1+1主備冗余方式，互為冗余的共用設備應異地設置。

全路集中、冗余設置根NRF，應采用1+1主備冗余方式，互為冗余的共用設備應異地設置。

互為冗余的NRF處理能力相同，其他設備之間的連接方式、接口數量相同。

3.3 網絡組織

3.3.1 信令網路由

如圖5所示，SCP分A、B平面成對設置。A平面和B平面內SCP在各自平面內全網狀相連。DF與成對SCP設備開設直達信令鏈路。SCP采用負荷分擔方式將信令送往局內一對SCP。

局內層面路由組織：SCP采用主備方式將信令送往目的信令點，主用直達路由，備用路由為同對另外一個SCP。

跨局層面路由組織：SCP采用主備方式將信令送往目的信令點，主用路由送至同平面對端SCP設備，備用路由為同對另外一個SCP。

3.3.2 路由計劃

局1的NF與局2的NF信令交互，不同情況下路由計劃如下。

1）正常情況下： 50%負荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]；50%負荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

圖5 5G-R信令網雙平面組網方式Fig.5 Two-plane networking of 5G-R signaling network

2）兩局SCP-A之間鏈路故障情況下：100%負荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]。

3）兩局SCP-B之間鏈路故障情況下：100%負荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

4）局1或局2的 SCP-A與SCP-B鏈路故障情況下：50%負荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]；50%負荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

5）局1的NF至SCP-A之間鏈路故障情況下：100%負荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

6）局1的NF至SCP-B之間鏈路故障情況下：100%負荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]。

7）局2的NF至SCP-A之間鏈路故障情況下：50%負荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—SCP-B（局2）—NF（局2）]；50%負荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

8）局2的NF至SCP-B之間鏈路故障情況下：50%負荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]；50%負荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—SCP-A（局2）—NF（局2）]。

4 結束語

本文針對5G-R網元特點，對多種信令路由模式進行了比較和分析。根據不同階段的需求，給出了5G-R規模建網階段的信令組網方案及其網絡架構。此方案簡化了網絡拓撲關系，便于維護，為5G-R的規模部署時的信令網建設提供參考。