5G-R系統(tǒng)核心網(wǎng)5GC組網(wǎng)技術(shù)和部署方案研究

王永崗，石 波，王 芳，周宏偉，柴金川

2020 年，國(guó)鐵集團(tuán)在《國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于加快推進(jìn)5G 技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見》（鐵發(fā)改［2020］144 號(hào)）中明確將鐵路5G 專網(wǎng)（5G-R）作為鐵路下一代移動(dòng)通信發(fā)展制式，加快5G-R 技術(shù)攻關(guān)，為推動(dòng)新時(shí)代鐵路高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐［1］。我國(guó)鐵路通信技術(shù)發(fā)展路線與國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）一致，遵從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系［2］，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐條件，基于第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）規(guī)范的公網(wǎng)通用架構(gòu)，結(jié)合鐵路應(yīng)用特點(diǎn)，增加鐵路特定功能需要的網(wǎng)元，形成5G-R 系統(tǒng)架構(gòu)，聚焦關(guān)鍵業(yè)務(wù)和應(yīng)用［3］，實(shí)現(xiàn)承載無線調(diào)度通信、列車運(yùn)行控制、行車指揮等應(yīng)用業(yè)務(wù)。5G-R 系統(tǒng)包括核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)、用戶設(shè)備、應(yīng)用接口/接入管理設(shè)備和運(yùn)營(yíng)與支撐系統(tǒng)。其中，核心網(wǎng)為用戶提供網(wǎng)絡(luò)連接、對(duì)用戶進(jìn)行管理、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載，并提供到應(yīng)用系統(tǒng)的接口。5GC 是核心網(wǎng)中重要的網(wǎng)元，是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵，圍繞鐵路實(shí)際應(yīng)用和場(chǎng)景，開展5GC 組網(wǎng)技術(shù)和部署方案的研究十分必要，可為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程建設(shè)提供參考。

1 5GC架構(gòu)

5G-R 核心網(wǎng)包括5GC、MC（寬帶集群通信）設(shè)備、DNS（域名服務(wù)器）、RADIUS（遠(yuǎn)端撥入用戶驗(yàn)證服務(wù)）、5G-EIR（5G 設(shè)備識(shí)別寄存器）、5G-IN（5G智能網(wǎng)）、一級(jí)NRF（網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能）、一級(jí)SCP（服務(wù)通信代理）等［4］。其中，5GC 包括接入和移動(dòng)管理功能（AMF）、會(huì)話管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（UDM）、認(rèn)證服務(wù)器功能（AUSF）、短消息服務(wù)功能（SMSF）、網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF）、計(jì)費(fèi)功能（CHF）、用戶面功能（UPF）、二級(jí)NRF、二級(jí)SCP 等。5GC 基于服務(wù)化架構(gòu)，支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）/軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），具有網(wǎng)絡(luò)接入控制、注冊(cè)和連接管理、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、用戶面管理、數(shù)據(jù)管理等功能。5GC 構(gòu)成［5］見圖1，其中虛線框內(nèi)為5GC 網(wǎng)元，虛線框外為無線接入網(wǎng)、用戶設(shè)備等。

圖1 5GC構(gòu)成

按照網(wǎng)元的類型，可采用的容災(zāi)方式主要包括：①NRF 等互聯(lián)互通類網(wǎng)元，可采用主備或負(fù)荷分擔(dān)容災(zāi)方式；②AMF、SMF、UPF 等接入管理類網(wǎng)元，可采用池組POOL 負(fù)荷分擔(dān)容災(zāi)方式；③PCF、UDM/AUSF 等存儲(chǔ)類網(wǎng)元，可采用主備方式或者負(fù)荷分擔(dān)容災(zāi)方式，要求數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。

2 組網(wǎng)原則

目前，5G-R 核心網(wǎng)包括全路共用核心網(wǎng)設(shè)備和局核心網(wǎng)設(shè)備，根據(jù)業(yè)務(wù)需求規(guī)劃邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。根據(jù)5G-R 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)和鐵路業(yè)務(wù)需求，借鑒GSM-R建網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)5GC組網(wǎng)原則如下。

1）5GC 組網(wǎng)應(yīng)以鐵路局集團(tuán)公司為單位進(jìn)行集中部署，就近與無線調(diào)度通信、CTCS-3級(jí)列控等系統(tǒng)互聯(lián)，與運(yùn)輸生產(chǎn)組織架構(gòu)相適應(yīng)，滿足維護(hù)界面清晰、應(yīng)急響應(yīng)快、處置高效等需求。特殊情況下，可下沉設(shè)置網(wǎng)元，以符合業(yè)務(wù)要求。

2）由于5GC 服務(wù)范圍廣，若發(fā)生故障，影響范圍大，同時(shí)考慮到網(wǎng)元升級(jí)、無線接入，以及高速、普速鐵路運(yùn)維方式不同，5GC 各網(wǎng)元在虛擬機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)元級(jí)、DC（數(shù)據(jù)中心）級(jí)等方面均應(yīng)采取容災(zāi)備份機(jī)制，保證系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性。

3）5GC 組網(wǎng)和部署方案應(yīng)充分考慮列車跨局、跨線運(yùn)行等應(yīng)用場(chǎng)景和需求，確保車地信息交互安全可靠、高效暢通，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性、安全性，并應(yīng)實(shí)現(xiàn)GSM-R 既有業(yè)務(wù)的無縫遷移，保證系統(tǒng)之間平穩(wěn)過渡。

3 部署方案

3.1 數(shù)據(jù)中心部署方案

按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，在鐵路局同城異地部署2 個(gè)DC 站點(diǎn)（機(jī)房），實(shí)現(xiàn)信息集中存儲(chǔ)和處理。在DC 內(nèi)搭建虛擬化云平臺(tái)，滿足各應(yīng)用業(yè)務(wù)的資源需求。

5G-R 核心網(wǎng)包括全路共用設(shè)備和局核心網(wǎng)設(shè)備，建議采用“2 地4 中心，18 個(gè)鐵路局”的組網(wǎng)架構(gòu)。其中，5G-EIR、5G-IN 等設(shè)備全網(wǎng)共用，部署在2 個(gè)城市4 個(gè)機(jī)房節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地理容災(zāi)；局核心網(wǎng)設(shè)備（包括5GC、MC、DNS、RADIUS等）下沉在鐵路局部署，2 個(gè)DC 內(nèi)部的局核心網(wǎng)設(shè)備軟件、版本、容量和處理能力相同，形成同城異地容災(zāi)備份。

5GC 原生支持NFV、AMF 等網(wǎng)元部署，并運(yùn)行在虛擬化平臺(tái)上。DNS、RADIVS 等核心網(wǎng)其他網(wǎng)元也均可部署在云平臺(tái)上。5GC 通過承載網(wǎng)與全路核心網(wǎng)共用設(shè)備，與其他鐵路局5GC 互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)跨局業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接和處理。全網(wǎng)DC 規(guī)劃部署架構(gòu)見圖2。

圖2 全網(wǎng)DC規(guī)劃部署架構(gòu)

各鐵路局DC 內(nèi)分層組網(wǎng)架構(gòu)見圖3，自下往上分別為接入層、核心層和出口層［6］。

圖3 DC內(nèi)分層組網(wǎng)架構(gòu)

1）接入層：按照網(wǎng)管、業(yè)務(wù)、存儲(chǔ)流量相互隔離且互不影響的原則，部署各種接入交換機(jī)，分別接入業(yè)務(wù)、管理服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，避免因網(wǎng)管流量異常引起業(yè)務(wù)受損或業(yè)務(wù)相關(guān)網(wǎng)元故障，導(dǎo)致網(wǎng)管無法監(jiān)控網(wǎng)元而影響運(yùn)維。

網(wǎng)絡(luò)功能（NF）應(yīng)采用虛擬機(jī)冗余部署方式。承載同一功能的虛擬機(jī)、容器、物理主機(jī)等具備冗余備份機(jī)制，任意虛擬機(jī)故障，均能快速切換，保證7×24 h 不間斷運(yùn)行，不同虛擬機(jī)之間的倒換時(shí)間為秒級(jí)（含故障檢測(cè)和倒換時(shí)間）。同時(shí)，NF采用反親和部署，承載同一功能的虛擬機(jī)部署在不同物理主機(jī)上，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）核心層：部署匯聚交換機(jī)，匯聚接入層交換機(jī)業(yè)務(wù)，對(duì)外與數(shù)據(jù)網(wǎng)接入路由器互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部與外部（核心網(wǎng)共用設(shè)備、本局異地DC 核心網(wǎng)設(shè)備、其他局核心網(wǎng)設(shè)備）的信息交互。

3）出口層：部署接入路由器，與外部承載網(wǎng)互聯(lián)，保證DC 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)高速訪問外部網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)DC內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的路由信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和維護(hù)。

3.2 5GC云平臺(tái)部署方案

3.2.1云平臺(tái)架構(gòu)

5GC 采用NFV 技術(shù)，基于ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織）NFV 架構(gòu)，通過虛擬化和云化技術(shù)，在通用服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)專用網(wǎng)絡(luò)硬件的功能，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦、快速部署和開放業(yè)務(wù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。ETSI NFV 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)見圖4。

圖4 ETSI NFV標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

由于5GC 承載多種應(yīng)用業(yè)務(wù)，對(duì)云平臺(tái)要求較高，且考慮到5GC 與網(wǎng)管系統(tǒng)密切相關(guān)，需要實(shí)時(shí)調(diào)用網(wǎng)元和虛擬資源服務(wù)，因此，5GC 及網(wǎng)管系統(tǒng)宜部署在同一個(gè)云平臺(tái)上。然而，5GC 及網(wǎng)管系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)、其他信息化系統(tǒng)是不同屬性的基礎(chǔ)設(shè)施，在服務(wù)對(duì)象、應(yīng)用場(chǎng)景、功能需求、服務(wù)質(zhì)量、可靠性、管理方式上有所不同，如果通過同一個(gè)云平臺(tái)部署，難以滿足各自業(yè)務(wù)的性能要求，導(dǎo)致維護(hù)管理復(fù)雜，管理難度增大。為了保障各系統(tǒng)性能，同時(shí)便于維護(hù)管理，建議采用單獨(dú)的通信云平臺(tái)部署5GC。5GC 云平臺(tái)部署［7］框架見圖5。

圖5 5G云平臺(tái)部署框架示意

3.2.2建設(shè)方式

5GC 云平臺(tái)建設(shè)可采用單廠家集成、二層解耦、三層解耦3種方案。

1）單廠家集成方案由單廠家提供所有軟件和硬件。

2）二層解耦方案實(shí)現(xiàn)軟硬件分離。廠家1 提供底層硬件基礎(chǔ)設(shè)施；廠家2 集成底層基礎(chǔ)設(shè)施資源、虛擬網(wǎng)絡(luò)和編排管理等功能。

3）三層解耦方案實(shí)現(xiàn)軟硬件和應(yīng)用層分離。廠家1 提供底層硬件基礎(chǔ)設(shè)施；廠家2 提供底層基礎(chǔ)設(shè)施資源；廠家3 提供上層網(wǎng)元和編排管理等功能。

三層解耦方案有利于構(gòu)建多廠家廣泛參與的“開源+標(biāo)準(zhǔn)”新型統(tǒng)一NFV 生態(tài)，但也存在多廠家、多接口、多功能協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。考慮到核心網(wǎng)在系統(tǒng)中是系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)管系統(tǒng)與5GC 網(wǎng)元關(guān)聯(lián)密切，其設(shè)備集成度要求較高，為了保證整體性能，建網(wǎng)初期，5GC 可采用單廠家集成方案；隨著NFV 不斷成熟完善，后續(xù)可考慮為VNF 開發(fā)VNFM 功能和調(diào)用接口，分階段實(shí)現(xiàn)三層解耦。

3.3 5GC容災(zāi)備份組網(wǎng)方案

3.3.1NF容災(zāi)備份組網(wǎng)方案

根據(jù)NF 功能與特點(diǎn)，建議容災(zāi)備份方式見表1。

表1 NF容災(zāi)備份方式

以AMF為例，容災(zāi)備份流程說明如下。

1）正常情況下，所有業(yè)務(wù)由池組內(nèi)的AMF共同承擔(dān)，UE（用戶設(shè)備）注冊(cè)、切換或者發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，按照負(fù)荷分擔(dān)的原則，選擇池組內(nèi)的1個(gè)AMF提供服務(wù)。

AMF 支持與基站建立SCTP（流控制傳輸協(xié)議）關(guān)聯(lián)，采用Echo 報(bào)文進(jìn)行心跳檢測(cè)，基站通過心跳和心跳響應(yīng)消息，周期性地探測(cè)SCTP兩端的健康狀態(tài)。根據(jù)需要在AMF 上配置心跳周期和次數(shù)。AMF 定期向NRF 發(fā)送心跳信息，NRF 收到后回復(fù)心跳響應(yīng)消息。

2）當(dāng)池組內(nèi)某個(gè)AMF 發(fā)生故障后，NRF 在設(shè)定的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未收到AMF 發(fā)送的心跳信息，則判斷AMF 故障，NRF 向訂閱AMF 狀態(tài)變更的NF（NF 服務(wù)交互為模式C）或SCP（NF 服務(wù)交互為模式D）發(fā)送AMF 故障通知，對(duì)端NF 或SCP 收到消息后更新所存儲(chǔ)的AMF 狀態(tài)信息。在AMF 初始注冊(cè)時(shí)，由NRF 在“注冊(cè)成功響應(yīng)”消息中通知AMF設(shè)定的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

3）NRF判斷AMF故障后，已在AMF注冊(cè)的原UE，可通過備用AMF 從數(shù)據(jù)備份節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)元中獲取用戶上下文信息，繼續(xù)處理業(yè)務(wù)。新發(fā)起的業(yè)務(wù)，由對(duì)端NF 或SCP 自動(dòng)選擇AMF 池組內(nèi)其他可用的AMF提供服務(wù)。

gNB（基站）和位置服務(wù)設(shè)備探測(cè)到AMF 故障后，在發(fā)起新業(yè)務(wù)時(shí)，自動(dòng)選擇池組內(nèi)其他可用的AMF提供服務(wù)。

4）AMF故障消除后，通過人工方式恢復(fù)工作狀態(tài)。

針對(duì)NF容災(zāi)備份方式，需要說明的是：

對(duì)于AMF、SMF、UPF，不存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，只存儲(chǔ)用戶上下文信息，可采用池組負(fù)荷分擔(dān)方式。當(dāng)SMF 故障時(shí)，AMF 通過NRF 感知SMF 故障，通知UE 注銷，并在原因值中指示UE“需要重新注冊(cè)”，UE釋放PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）會(huì)話，重新建立此前的所有PDU 會(huì)話［8］。UPF 發(fā)生故障后，SMF 感知UPF 故障，通知當(dāng)前所有PDU 會(huì)話相關(guān)實(shí)體（PCF、gNB、RADIUS）釋放資源（包括已分配的IP 地址/前綴），并在PDU 會(huì)話釋放原因值中指示UE 重新建立PDU 會(huì)話，恢復(fù)業(yè)務(wù)［9］。

對(duì)于UDM/AUSF、PCF、SMSF 等網(wǎng)元，采用主備工作方式，主用優(yōu)先級(jí)高，備用優(yōu)先級(jí)低。正常情況下，主用NF 對(duì)外提供服務(wù)，備用NF 熱備，主、備用NF 保持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步。主用NF 故障后，NRF 檢測(cè)并判斷NF 故障，NRF 和對(duì)端NF自動(dòng)選擇備用NF 提供服務(wù)，保證后續(xù)業(yè)務(wù)不受影響。

3.3.2二級(jí)NRF容災(zāi)備份組網(wǎng)方案

NRF 采用分級(jí)部署方式，一級(jí)NRF 負(fù)責(zé)跨局服務(wù)查詢等，二級(jí)NRF 負(fù)責(zé)對(duì)本局NF 進(jìn)行管理，并具備服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能（類似DNS功能）。

NF 上線后，向NRF 發(fā)起注冊(cè)流程，NF 實(shí)例向NRF 注冊(cè)其支持的NF 服務(wù)列表；NF 注冊(cè)成功后，NRF 回復(fù)響應(yīng)消息。NF 在收到NRF 響應(yīng)消息后，緩存收到的目標(biāo)NF 信息內(nèi)容，并設(shè)置有效時(shí)間。當(dāng)有效時(shí)間過期后，NF應(yīng)發(fā)起新的NRF查詢。當(dāng)NF 以可控的方式即將關(guān)閉或斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以從NRF中注銷NF實(shí)例。

NF 注冊(cè)成功后，定期向NRF 上報(bào)心跳信息，如果NRF 在檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未收到NF 心跳信息，則判定對(duì)端NF 故障，并將NF 狀態(tài)設(shè)置為“不可用”，下次不再選擇；等待對(duì)端NF 狀態(tài)恢復(fù)后，將對(duì)端NF 狀態(tài)設(shè)置為“可用”，進(jìn)行業(yè)務(wù)選擇時(shí)可選擇該NF。

NRF 容災(zāi)備份可采用主備或負(fù)荷分擔(dān)方式，比選情況見表2。

表2 NRF容災(zāi)備份方式比選

基于上述分析，建議二級(jí)NRF 采用主備冗余備份方式。3GPP R16 版本引入了SCP，NF 之間采用C 模式交互時(shí)，服務(wù)消費(fèi)者NF_A 通過NRF查詢服務(wù)提供者NF_B 的信息。查詢后，NF 之間可以直接交互，也可通過SCP 轉(zhuǎn)發(fā)路由控制平面消息；采用D模式進(jìn)行交互時(shí)，NF_A通過SCP向NRF 發(fā)起查詢，然后由SCP 直接負(fù)責(zé)將信令消息發(fā)送至服務(wù)提供者NF_B。

4 結(jié)束語

鐵路5G-R 應(yīng)統(tǒng)籌考慮業(yè)務(wù)需求，充分利用有限頻率資源，結(jié)合鐵路實(shí)際應(yīng)用、場(chǎng)景和運(yùn)維需要，規(guī)劃部署5GC，并與其他設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)，提供各種應(yīng)用業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)5G 先進(jìn)技術(shù)與鐵路業(yè)務(wù)的深度融合，賦能賦智鐵路行業(yè)，持續(xù)提升鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)在保障行車安全、服務(wù)經(jīng)營(yíng)管理、提高運(yùn)輸效率等方面的服務(wù)能力。