5G-R系统核心网5GC组网技术和部署方案研究

2023年1月 第59卷第1期铁道通信信号RailwaySignalling&CommunicationVol.59No.1一一一一一一一一一智能铁路扫码浏览下载5G-R系统核心网5GC组网技术和部署方案研究摘要：5GC是5G-R系统核心网的重要网元，是实现5G-R系统承载无线调度通信、列车运行控制、行车指挥、运营维护信息传送等多种应用业务的关键。为了保证各种应用业务的实时性、需求、维护需求和应用场景，梳理归纳了5GC组网原则；研究各铁路局集团公司5GC规划部署方案，提出了5GC云平台架构和建设方式等建议；结合5GC网元功能和组网技术，提出了5GC各网络功能容灾备份组网方案建议，AMF/SMF/UPF等网络功能可采用负荷分担方式，其他网络功能宜采用主备工作方式。中图分类号：U285.21+1文献标识码：Acommand,operationandmaintenanceinformationtransmissionandotherapplications.Inordertoensurethereal-time,reliability,availabilityandmaintainabilityofvariousapplicationservices,theplatformarchitectureandconstructionmethodsareputforward.AMF/SMF/UPFetc.canadoptthe王永岗：中国铁路西安局集团有限公司西安通信段工程师710054西安石波：中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所正高级工程师100081北京王芳：中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所正高级工程师100081北京周宏伟：中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所副研究员100081北京柴金川：中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心工程师100081北京基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司重点课题(2021YJ107)—7—AFNafDN：数据网络RAN：无线接入网NEF：网络开放功能NWDAF：网络数据分析功能TNGF：可信非3GPP网关功能N6UPFAFNafDN：数据网络RAN：无线接入网NEF：网络开放功能NWDAF：网络数据分析功能TNGF：可信非3GPP网关功能N6UPFN9UEDNN1N2N4RANN3 作为铁路下一代移动通信发展制式，加快5G-R技术攻关，为推动新时代铁路高质量发展提供有力支撑[1]。我国铁路通信技术发展路线与国际铁路联盟 (UIC)一致，遵从国际标准化技术体系[2]，充分利用标准化技术和产业支撑条件，基于第三代合作伙伴计划(3GPP)规范的公网通用架构，结合铁路应用特点，增加铁路特定功能需要的网元，形成5G-R系统架构，聚焦关键业务和应用[3]，实现承载无线调度通信、列车运行控制、行车指挥等应用业务。5G-R系统包括核心网、无线接入网、用户设备、应用接口/接入管理设备和运营与支撑系统。其中，核心网为用户提供网络连接、对用户进行管理、实现业务承载，并提供到应用系统的接口。5GC是核心网中重要的网元，是实现业务的关键，围绕铁路实际应用和场景，开展5GC组网技术和部署方案的研究十分必要，可为网络规划、工程建设提供参考。15GC架构5G-R核心网包括5GC、MC(宽带集群通信)设备、DNS(域名服务器)、RADIUS(远端拨入用户验证服务)、5G-EIR(5G设备识别寄存器)、5G-IN(5G智能网)、一级NRF(网络存储功能)、一级SCP(服务通信代理)等[4]。其中，5GC包括接入和移动管理功能(AMF)、会话管理功能 (SMF)、策略控制功能(PCF)、统一数据管理 (UDM)、认证服务器功能(AUSF)、短消息服务功能(SMSF)、网络切片选择功能(NSSF)、计费功能(CHF)、用户面功能(UPF)、二级NRF、二级SCP等。5GC基于服务化架构，支持网络功能虚拟化(NFV)/软件定义网络(SDN)，具有网络接入控制、注册和连接管理、移动性管理、会话管理、用户面管理、数据管理等功能。5GC构成[5]见图1，其中虚线框内为5GC网元，虚线框外为无线接入网、用户设备等。按照网元的类型，可采用的容灾方式主要包括：①NRF等互联互通类网元，可采用主备或负荷分担容灾方式；②AMF、SMF、UPF等接入管理类网元，可采用池组POOL负荷分担容灾方式；③PCF、UDM/AUSF等存储类网元，可采用主备方式或者负荷分担容灾方式，要求数据实时同步。2组网原则目前，5G-R核心网包括全路共用核心网设备和局核心网设备，根据业务需求规划边缘计算节点。根据5G-R系统技术特点和铁路业务需求，借GSMR总结5GC组网原则如下。1)5GC组网应以铁路局集团公司为单位进行集中部署，就近与无线调度通信、CTCS-3级列控等系统互联，与运输生产组织架构相适应，满足维护界面清晰、应急响应快、处置高效等需求。特殊SMSFCHFPCFNRFUDMAMFNSSFSMFAUSFNWDAFSCPSMSFCHFPCFNRFUDMAMFNSSFSMFAUSFNWDAFSCPNEF(可选)NchfNsmsfNpcfNnrfNNchfNsmsfNpcfNnrfNudmNamfNsmfNNamfNsmfNnssfTNGF(可选)AF：应用功能UE：用户设备铁道通信信号2023年第59卷第1期EPEPEPEPGC服务范围广，若发生故障，影响速、普速铁路运维方式不同，5GC各网元在虚拟机、服务器、网元级、DC(数据中心)级等方面均应采取容灾备份机制，保证系统的可靠性、可用性和可维护性。3)5GC组网和部署方案应充分考虑列车跨局、跨线运行等应用场景和需求，确保车地信息交互安全可靠、高效畅通，保证业务的连续性、安全性，并应实现GSM-R既有业务的无缝迁移，保证系统之间平稳过渡。3部署方案3.1数据中心部署方案按照网络规划，在铁路局同城异地部署2个DC站点(机房)，实现信息集中存储和处理。在DC内搭建虚拟化云平台，满足各应用业务的资源需求。5G-R核心网包括全路共用设备和局核心网设架构。其中，5G-EIR、5G-IN等设备全网共用，部署在2个城市4个机房节点，实现地理容灾；局核心网设备(包括5GC、MC、DNS、RADIUS等)下沉在铁路局部署，2个DC内部的局核心网设备软件、版本、容量和处理能力相同，形成同城异地容灾备份。5GC原生支持NFV、AMF等网元部署，并运行在虚拟化平台上。DNS、RADIVS等核心网其他网元也均可部署在云平台上。5GC通过承载网与全路核心网共用设备，与其他铁路局5GC互联，实现跨局业务转接和处理。全网DC规划部署架构DC3，自下往上分别为接入层、核心层和出口层[6]。EPEPP 信令链路数据链路业务链路图2全网DC规划部署架构RailwaySignalling&CommunicationVol.59No.12023业务面管理面业务面管理面管理SDNVIM网元SDNVIM存储节点管理节点计算节点(控制、转发) 业务、控制存储管理图3DC内分层组网架构1)接入层：按照网管、业务、存储流量相互隔离且互不影响的原则，部署各种接入交换机，分别接入业务、管理服务器和存储设备，避免因网管流量异常引起业务受损或业务相关网元故障，导致网管无法监控网元而影响运维。网络功能(NF)应采用虚拟机冗余部署方式。承载同一功能的虚拟机、容器、物理主机等具备冗余备份机制，任意虚拟机故障，均能快速切换，保证7×24h不间断运行，不同虚拟机之间的倒换时间为秒级(含故障检测和倒换时间)。同时，NF采用反亲和部署，承载同一功能的虚拟机部署在不同物理主机上，提高系统的可靠性。2)核心层：部署汇聚交换机，汇聚接入层交换机业务，对外与数据网接入路由器互联，实现内部与外部(核心网共用设备、本局异地DC核心网设备、其他局核心网设备)的信息交互。3)出口层：部署接入路由器，与外部承载网互联，保证DC内部网络高速访问外部网络，并对DC内网和外网的路由信息进行转换和维护。3.25GC云平台部署方案3.2.1云平台架构5GC采用NFV技术，基于ETSI(欧洲电信标准化组织)NFV架构，通过虚拟化和云化技术，在通用服务器上实现专用网络硬件的功能，目标是实现软硬件解耦、快速部署和开放业务，增强系统的灵活性。ETSINFV标准架构见图4。由于5GC承载多种应用业务，对云平台要求较高，且考虑到5GC与网管系统密切相关，需要拟资源服务，因此，5GC及网管系统宜部署在同一个云平台上。然而，5GC及网管系统与运营支撑系统、其他信息化系统是不同属性的基础设施，在服务对象、应用场景、功能需，如果通过同一个云平台部署，难以满足各自业务的性能要求，导致维护管理复杂，管理难度增大。为了采用单独的通信云平台部署5GC。5GC云平台部署[7]框3.2.2建设方式5GC云平台建设可采用单厂家集成、二层解1)单厂家集成方案由单厂家提供所有软件和硬件。2)二层解耦方案实现软硬件分离。厂家1提供底层硬件基础设施；厂家2集成底层基础设施资源、虚拟网络和编排管理等功能。铁道通信信号2023年第59卷第1期系统VNF管理管理与编排(MANO)VNF(VNFO)VNF管理理(VIM)5GC其他协同编排器SDN控制国铁集团系统VNF管理管理与编排(MANO)VNF(VNFO)VNF管理理(VIM)5GC其他协同编排器SDN控制国铁集团中心节点网管系统虚拟层NFV统一硬件资源池边缘节点边缘节点边缘节点边缘节点站场综合虚拟层NFV统一硬件资源池货场信息传送站场综合 化货场信息传送虚拟层NFV统一硬件资源池站场综合虚拟层NFV统一硬件资源池货场信息传送站场综合货场信息传送虚拟层NFV统一硬件资源池虚拟网络功能(VNF)NFNFNFNFNFNF网络功能虚拟化基础设施(NFVI)图4ETSINFV标准架构铁铁路局集团中心节点其他虚拟层NFV统一硬件资源池铁路局集团中心节点其他虚拟层NFV统一硬件资源池SDN控制SDN跨中心节点组网SDN控制网管系统网管系统5GC5GC协同编排器协同编排器图55G云平台部署框架示意3)三层解耦方案实现软硬件和应用层分离。厂家1提供底层硬件基础设施；厂家2提供底层基础设施资源；厂家3提供上层网元和编排管理等功能。的“开源+标准”新型统一NFV生态，但也存RailwaySignalling&CommunicationVol.59No.12023在多厂家、多接口、多功能协调的挑战。考虑到核5GC网元关联密切，其设备集成度要求较高，为了保证整体性能，建网初期，5GC可采用单厂家集成方案；随着NFV不断成熟完善，后续可考虑为VNF开发VNFM功能和调用接口，分阶段实现三层解耦。3.35GC容灾备份组网方案3.3.1NF容灾备份组网方案表1NF容灾备份方式AMF以AMF为例，容灾备份流程说明如下。1)正常情况下，所有业务由池组内的AMF共同承担，UE(用户设备)注册、切换或者发起业务请求时，按照负荷分担的原则，选择池组内的1个AMF提供服务。AMF支持与基站建立SCTP(流控制传输协议)关联，采用Echo报文进行心跳检测，基站通过心跳和心跳响应消息，周期性地探测SCTP两端的健康状态。根据需要在AMF上配置心跳周期和次数。AMF定期向NRF发送心跳信息，NRF收到后回复心跳响应消息。2)当池组内某个AMF发生故障后，NRF在设定的检测时长内未收到AMF发送的心跳信息，则判断AMF故障，NRF向订阅AMF状态变更的NF(NF服务交互为模式C)或SCP(NF服务交SCP收到消息后更新所存储的AMF状态信息。在AMF初始注册时，由NRF在“注册成功响应”消息中通知AMF设定的检测时长。FAMF原UE，可通过备用AMF从数据备份节点或网元中获取用户上下文信息，继续处理业务。新发起的他可用的AMF提供服务。gNB(基站)和位置服务设备探测到AMF故的AMF提供服务。4)AMF故障消除后，通过人工方式恢复工作状态。针对NF容灾备份方式，需要说明的是：对于AMF、SMF、UPF，不存储用户数据，只存储用户上下文信息，可采用池组负荷分担方式。当SMF故障时，AMF通过NRF感知SMF故障，通知UE注销，并在原因值中指示UE“需要重新注册”，UE释放PDU(协议数据单元)会话，重新建立此前的所有PDU会话[8]。UPF发生故障后，SMF感知UPF故障，通知当前所有PDU会PCFgNBRADIUS源 (包括已分配的IP地址/前缀)，并在PDU会话释业务[9]。对于UDM/AUSF、PCF、SMSF等网元，采用主备工作方式，主用优先级高，备用优先级低。正常情况下，主用NF对外提供服务，备用NF热障后，NRF检测并判断NF故障，NRF和对端NF自动选择备用NF提供服务，保证后续业务不受影响。3.3.2二级NRF容灾备份组网方案NRF采用分级部署方式，一级NRF负责跨局服务查询等，二级NRF负责对本局NF进行管理，并具备服务发现功能(类似DNS功能)。NFNRF发起注册流程，NF实例向NRF注册其支持的NF服务列表；NF注册成功后，NRF回复响应消息。NF在收到NRF响应消息后，缓存收到的目标NF信息内容，并设置有效时间。当有效时间过期后，NF应发起新的NRF查询。当NF以可控的方式即将关闭或断开网络时，可以从NRF中注销NF实例。NF注册成功后，定期向NRF上报心跳信息，如果NRF在检测时长内未收到NF心跳信息，则判定对端NF故障，并将NF状态设置为“不可用”，下次不再选择；等待对端NF状态恢复后，将对端NF状态设置为“可用”，进行业务选择时可选择该NF。铁道通信信号2023年第59卷第1期NRF容灾备份可采用主备或负荷分担方式，比选情况见表2。表2NRF容