5G-R核心网容灾组网方案及关键技术研究.pdf

收稿日期:20220417;修回日期:20220623基金项目:中国铁道科学研究院集团 有限公 司院基 金重 点课题(2021YJ107)作者简介:石波(1972),女,正高级工程师,1996 年毕业于北京交通大学无线通信专业,工程硕士,主要从事铁路通信科研、标准、咨询、集成等工作,E-mail:1837500367 。第 67 卷 第 11 期2023 年 11 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.11Nov.2023文章编号:10042954(2023)110158075G-R 核心网容灾组网方案及关键技术研究石 波,蔺 伟,李春铎,胥 昊(中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100081)摘 要:铁路 5G 专网是我国铁路新一代移动通信系统,正处于科技攻关阶段。为规范核心网组网,明确设备技术要求,确保系统服务质量符合要求,核心网容灾组网方案亟待研究。首先,在调研分析铁路需求基础上,研究提出5G-R 核心网规划方案;其次,研究组网关键技术,包括设备故障检测方式、参数设置和网元容灾备份部署方式及其适用性;然后,结合网元作用和接口协议,重点研究并提出 4 种网元容灾备份组网方案;最后,依托研发实验室进行测试验证。试验表明,网元故障时,系统自动倒换,网元故障倒换时间与设置的故障检测时长相关,建议小于 20 s。建议将来在实际应用中,综合考虑网元的平均无故障恢复时间(MTBF)、交互心跳的性能处理能力等因素,进一步优化调整。关键词:铁路通信;5G 专网;5G-R;核心网;网络规划;故障检测;容灾备份中图分类号:U285.21 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202204170003Research on Disaster Recovery Networking Scheme and Key Technologies of 5G-R Core NetworkSHI Bo,LIN Wei,LI Chunduo,XU Hao(China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China)Abstract:The 5G-R system is the new generation of mobile communication system for Chinese railway,which is in Research and Development stage.In order to standardize the networking,define the technical requirements of equipment and ensure that the Quality of Service meet the requirements,the disaster recovery networking scheme needs to be solved urgently.Firstly,on the basis of investigating the needs of the railway,the network planning scheme for Core Network are studied and proposed;next,the key technologies are studied,including equipment failure detection methods,parameter settings,and network element disaster recovery backup deployment methods and their applicability.Then,combines with the network element roles and interface protocols,four network schemes for disaster recovery and backup of network element are mainly studied and proposed.Finally,testing and verification are conducted in the lab.The test results show that when the network element fails,the system can automatically switches.The network element fault switching time is related to the fault detection time which can be configured.It is recommended to set less than 20 seconds.During practical applications in future,further optimization and adjustment should be set for NE parameters based on the consideration of the Mean Time between Failures and the processing capability for heartbeat.Key words:railway communication;5G private network;5G-R;core network;network planning;fault detection;disaster recovery引言我国铁路 5G 专网(5G-R)基于 3GPP(第三代合作伙伴计划)标准架构,按照将用户层面的需求映射到装备层面,通过增加铁路特定功能相关设备,形成5G-R 系统架构1。5G-R 系统包括核心网、无线接入网、用户设备、应用接入管理设备和运营与支撑系统2,承载行车指挥及控制、运营维护类业务;旅客服务、工程建造等业务采用公网 5G 进行承载3。5G-R 核心网的特点:(1)采用 5GC(公网 5G 核心网)通用架构,增加 5G-IN(智能网)、MC(宽带集群通信)等专用设备以及 DNS(域名服务器)、RADIUS(远程验证拨入用户服务),通过应用接入管理设备与应用业务系统互联;(2)承载铁路调度通信和列控、行车指挥、列车和铁路沿线基础设施监测检测等信息传送业务,对实时性、可靠性、安全性要求高;(3)网络架构适应生产组织和维护管理体系,满足列车高速运行条件下,跨局、跨线、跨区段正常通信功能,保持业务连续性;(4)采用 NFV(网络功能虚拟化)/SDN(软件定义网络)技术,基于服务化架构4,网元和接口多,交互方式与传统设备不同;(5)GSM-R 与 5G-R 并存演进,需考虑系统之间互联互通、业务无缝迁移、系统平滑过渡等。以上增加了 5G-R 系统核心网组网的特殊性、复杂性。铁路 5G-R 与公网 5G 在系统组成、业务功能、冗余组网、系统互操作性等方面存在差异。国际铁路联盟(UIC)目前初步确定将 5G 作为铁路未来移动通信主体制式,计划 20232024 年开展相关试验5,与其他国家相比,我国路网规模大,5G-R 承载业务多、应用和组网相对复杂。因此,我国铁路需结合实际开展相关研究,为标准制定、设备研发、业务应用、规划建设提供支撑和参考。1 组网需求分析1.1 核心网组成和功能5G-R 系统构成如图 1 所示6,核心网包括全路共用设备(5G-EIR、5G-IN、SMSC、一级 DNS、一级NRF)和局核心网设备(5GC、MC 设备、RADIUS、二级DNS、二级 NRF)。图 1 5G-R 系统构成示意Fig.1 Schematic diagram of the 5G-R system 核心网具有注册管理、移动管理、会话管理、业务控制与处理、用户面管理、安全、边缘计算、网络切片、服务质量(QoS)管理等功能。1.2 核心网组网需求分析5G-R 核心网组网需求分析如下。(1)建设需求:适应运输生产组织架构和维护管理需要,路局之间维护责任界面清晰,应急处置高效。减少设备影响范围,维修影响其他局行车。此外,核心网组网应避免后建核心网节点接入既有网络时,引起其他局核心网数据频繁调整。(2)业务需求:设备采用本地冗余部署、异地容灾备份方式。当核心网任一网元/设备或任一 DC(数据中心)或任一节点不可用时(如发生自然灾害、停电等情况),系统能自动倒换,保证业务的安全性、可靠性、可用性和可维护性。(3)运维需求:高铁、普铁线路维护方式和时间不951第 11 期石 波,蔺 伟,李春铎,等5G-R 核心网容灾组网方案及关键技术研究同,高铁维护天窗点在凌晨,普铁根据情况要点实施维修。因此,核心网设备应冗余设置,当由于设备升级、扩容、处理故障时,高铁、普铁互不影响。此外,按照维规相关规定,核心网网元需按期进行主备单元倒换(如 5 min/年)或软件升级(参照以往平均 2 年 1 次),在此期间,为不影响业务,需要冗余部署核心网网元。2 核心网容灾备份组网关键技术2.1 核心网规划部署方案核心网规划部署方案如图 2 所示。图 2 核心网规划部署方案示意 Fig.2 Diagram of Core network planning and deployment 根据需求,5G-R 核心网按铁路局为单位进行集中部署,部分设备按需全路集中部署。核心网共用设备采用本地冗余、异地容灾备份的组网方式7,铁路局核心网设备采用冗余部署、同城异址灾备份组网方式。根据需要,特殊情况下部分控制面(AMF、SMF)、用户面网元(UPF)可适当下沉部署。在靠近业务侧宜设置边缘计算节点设备8。2.2 故障检测和自动倒换机制故障检测是容灾备份进行自动倒换的判断依据之一,可采用以下 4 种方式。(1)方式 1:访问端配置主、备用对端设备 IP 地址。当访问端发送业务处理请求,未收到对端的响应消息,通过多次重发请求消息,在设定的时间内发送失败或一直未收到响应消息,访问端判断对端故障,自动改为访问备用的对端设备。AMF 访问 5G-EIR、GRIS 访问 DNS、SMF 访问RADIUS9、MC 访问 5G-IN 均采用这种方式,访问端重发次数和时间间隔,可根据需要配置。(2)方式 2:服务化 NF(网络功能)与 NRF 周期性交互心跳信息,NRF 维护 NF 状态,并向相关 NF 发送该 NF 状态通知。AMF、SMF、PCF(策略控制功能)、UDM(统一数据管理)/AUSF(认证服务器功能)、NSSF(网络切片选择功能)、SMSF(短消息服务功能)采用此方式10。NF 上线后,自动向 NRF 注册,NRF 在注册成功响应消息中,向 NF 发送检测时长。此后,NF周期性向 NRF 发送心跳信息,NRF 收到后,回复心跳响应消息11。若在检测时长内,NRF 一直未收到某一 NF 心跳消息,则 NRF 判断此 NF 故障,标识其状态为“不可用”,下次不再选择,并将此 NF 状态消息发送给订阅此 NF 状态事件的其他 NF。当 NF 故障恢复后,NRF 再将其设为“可用”,再向订阅事件的相关 NF 发送状态变更消息,下次业务有请求时,可继续选择该 NF 提供服务。NF 支持使用缓存选择目的 NF。源 NF 通过 NRF选择目的 NF,并缓存 NRF 查询信息。缓存有效期内,源 NF 可使用本地缓存信息选择目的 NF。当 NRF 故障,且 NF 本地缓存均失效时,源 NF 可使用本地配置061铁 道 标 准 设 计第 67 卷选择目的 NF12。(3)方式 3:访问端和对端之间发送点对点心跳消息,当在检测时长内未收到心跳消息,则判断对端设备故障,转为访问备用对端设备。对于服务化接口,采用方式 2、方式 3(通过缓存方式选择目的 NF 情况下)。对于非服务化接口,如 SMF和 UPF 之间的 N4 接口,按照 3GPP 规范,可通过 NRF发现和选择 UPF,但目前各厂家暂不支持,现阶段可采用方式 3 进行故障检测13。方式 2 和方式 3 检测方式如表 1 所示14。表 1 基于周期性心跳的故障检测方式Table 1 Fault detection methods based on periodic heartbeats接口探测方式探测原理SBIHTTP Ping周期性发送 HTTP2 Ping 消息,判断对端是否存活SBINRF 心跳检测NF 周期性向 NRF 发送 HTTP2 Patch 消息,判断存活N2SCTP 心跳检测通过 SCTP Echo 报文进行故障探测N4PFCP 心跳检测基于 UDP 的 PFCP 通过心跳消息探测 N4 路径的存活N3/N9GTP-U 心跳检测通过 GTP-U Echo 消息探测 GTP 路径是否存活 方式 1、2、3 的消息重发间隔、次数以及心跳周期、检测时长和缓存时间可根据需要配置,具体应结合列控等应用业务需求,综合考虑减少不必要的系统开销等因素进行确定。(4)方式 4:通过信令网实现到主、备用对端设备的路由自动选择。例如,短消息 MO(终端发起)业务路由 UEAMFSMSFSMSC。MT(终端结束)业务路由 SMSCSMSFAMFUE,SMSF 与 SMSC 通过信令转接设备(STP)连接,当主用 SMSC 故障,STP 自动将短消息转发给备用 SMSC。再如,3GPP 在 R16 中引入了 SCP,当 NF 交互采用模式 D 时,SCP 感知目的 NF 故障,自动将信令路由到备用目的 NF。2.3 容灾备份方式比选网元容灾备份方式比选如表 2 所示。表 2 NF、NRF 容灾备份方式比选Table 2 Comparison of NF and NRF disaster recovery backup methods工作方式工作原理优点缺点池组负荷分担2 个及以上网元组成共享资源池,正常情况下,池组内各网元共同分担业务;当某一网元故障,由池组内其他可用网元提供服务自动实时冗余备份,设备利用率较高技术和管理复杂,多个网元之间数据同步难度大,不适用于存储动态用户数据的网元1+1 主备正常情况下,一个网元处理业务,另一个网元热备;主备网元之间实时单向数据同步,当主用网元故障时,由备用的网元提供服务自动实时冗余备份,组网和管理较简单设备利用率较低(备用设备平时不处理业务)1+1 负荷分担正常情况下,两套网元均处理业务,互为备份,网元之间实时双向数据同步;当其中一个网元故障时,由另一个网元提供服务自动实时冗余备份,设备利用率较高;故障倒换期间对业务影响减少一半网元之间需要实时双向进行数据同步,对设备和承载网要求较高,组网和管理较复杂 通过比选可见,AMF、SMF、UPF 不存储用户数据(只存用户会话上下文),可采用池组负荷分担方式;冗余网元之间若需实时双向数据同步(如 UDM/AUSF),可采用 1+1 主备方式;其他网元(如 NRF等),可采用 1+1 负荷分担方式。2.4 网元之间故障检测参数网元之间的故障检测参数包括心跳周期、最大重传次数,根据需要可以配置。以 AMF 和 gNB(基站)之间 N2 口为例,该接口采用 SCTP(流控制传输协议),故障检测通过对 SCTP 偶联状态进行检测,SCTP 协议通过 HEART BEAT 和HEART BEAT ACK 消息机制检测对端状态及维护SCTP 偶联状态。当以配置间隔(心跳周期)发送HEART BEAT 消息而未收到 ACK 的次数达到最大配置次数后,则判定故障。AMF 心跳间隔可配置,当在 1 个心跳间隔内,接口上无业务数据传输时,SCTP 偶联向对端 IP 地址发送心跳消息,以检查远端 IP 地址是否激活。SCTP 最大重传次数可配置,当某个 SCTP 偶联上连续重传报文次数超过 SCTP 最大重传次数时,将认为对端 SCTP 端点不可达。此时,本端将自动关闭该SCTP 偶联,通知 SCTP 用户层(如 M3UA 等)该 SCTP偶联不可用,并上报断链告警。综上,当 SCTP 链路上有数据发送时,故障检测最大时间为 RTO(恢复时间目标)SCTP 最大重传次数,当无数据发送时,故障检测最大时间为心跳间隔SCTP 最大重传次数。实际应用中,应结合 5G-R 承载的业务需要,例161第 11 期石 波,蔺 伟,李春铎,等5G-R 核心网容灾组网方案及关键技术研究如,C3 列控系统车地数据传输中断 20s15采取降级或降速措施,则故障检测最大时间建议小于 20s,网元相关参数值设置建议见表 3。表 3 网元之间状态探测参数Table 3Status detection parameters between network ele-ments本端、对端网元心跳周期范围/s次数/次心跳周期/s(推荐)次数/次(推荐)NF 与 NRF 之间5602106 3 NRF 之间186 40021053SMF 与 UPF 之间12021053AMF 与 gNB 之间160225433UPF 与 gNB 之间1201633NF 之间 HTTP 请求、响应消息120110533 核心网容灾备份组网方案3.1 基于消息重发的 1+1 主备容灾备份组网方案5G-EIR、5G-IN、DNS、RADIUS、MC 设备等采用本方案。以 5G-IN 为例,全路部署两套 5G-IN,采用本地冗余、异地容灾备份组网方式,如图 3 所示。5G-IN 与局核心网 MC 设备通过承载网互联,数据链路冗余配置并由不同物理路由通道提供。异地 5G-IN 之间通过数据专线互连,传送同步数据,通道冗余设置,按需配置带宽。异地 5G-IN 采用主备工作方式,MC 设备配置主用 5G-IN 为首选,备用5G-IN 为次选,主备选择由 MC 设备实现。图 3 基于消息重发的 1+1 主备容灾备份组网方案Fig.3 1+1 primary/standby disaster recovery backup net-working scheme based on message retransmission正常情况下,MC 向主用 5G-IN 发送功能寻址业务请求消息,由主用 5G-IN 向全网 MC 设备提供功能号码翻译服务,备用 5G-IN 热备、不处理业务。当主用 5G-IN 发生故障时,MC 连续多次(如设为3 次)访问主用 5G-IN 无应答,超时后,MC 自动访问备用 5G-IN,由备用 5G-IN 提供服务。原主用 5G-IN 故障恢复后,通过人工方式恢复工作状态。3.2 基于心跳检测的池组负荷分担容灾组网方案AMF、SMF、UPF 宜采用本方案组网。以 SMF 组网为例,组网如图 4 所示。图 4 基于心跳检测的池组负荷分担容灾备份组网方案Fig.4Load sharing and disaster recovery backup networ-king scheme of pool groups based on heartbeat de-tectionSMF 按铁路局集团公司集中部署,采用同城异址容灾备份组网方式,即在铁路局集团公司同城异址设置双 DC,双 DC 内分别部署 SMF,SMF 与本局 AMF、PCF、UDM 等控制面 NF 和 UPF、RADIUS 等通过 DC内部和 DC 间承载网互联,与其他铁路局 SMF、UDM通过承载网互联。双 DC 内的 SMF 采用池组负荷分担工作方式。所有业务由池组内的 SMF 共同承担,发起会话管理相关业务请求时,AMF 宜优选本址 DC 内 SMF 提供服务,也可根据需要,按照负荷分担的原则,选择池组内的一个 SMF 提供服务;SMF 与 NRF 周期性交互心跳消息,心跳周期、次数、探测时长等根据需求分别设置。当池组内某个 SMF 发生故障时,NRF 在检测时长内未收到 SMF 发送的心跳,则判断 SMF 故障,NRF 向订阅 SMF 状态变更的 NF(NF 服务交互为模式 C)或SCP(NF 服务交互为模式 D)12发送 SMF 故障通知,对端 NF 或 SCP 收到消息后更新所存储的 SMF 状态信息16;正在进行的业务,由 AMF 通知 UE 重新注册,恢复业务;新发起的业务,由 AMF 或 SCP 自动选择SMF 池组内其他可用的 SMF 提供服务。SMF 故障恢复后,避免自动倒回导致业务受损,采用有计划的人工方式恢复工作状态17。需要说明的是:(1)SMF 故障时,AMF 通过 NRF感知故障,通知 UE 去注册,并在原因值中指示 UE 重新注册18;(2)UPF 故障时,SMF 感知后,释放当前PDU 会话19,通知网络相关实体(PCF、RADIUS、基261铁 道 标 准 设 计第 67 卷站)释放 PDU 会话资源,包括 N3/N9、无线接入以及IP 地址/前缀,并在原因值中指示 UE 重新建立 PDU会话,恢复业务20。基站通过与 UPF 之间点对点心跳检测机制感知 UPF 故障,超时后释放资源,避免进程异常。3.3 基于心跳检测的 1+1 主备容灾备份组网方案UDM/AUSF、PCF、NSSF、SMSF 等网元采用本方案,以 UDM/AUSF 为例,UDM/AUSF 按铁路局部署,采用同城异地容灾备份组网方式。在各铁路局同城异设置双DC,在双 DC 内分别部署 UDM/AUSF,各 DC 内 的UDM/AUSF 冗余配置,UDM/AUSF 与本局 AMF、SMF、SMSF、位置服务设备,其他局 AMF、SMF 互联,组网如图5 所示,双 DC 内的 UDM/AUSF 采用主备工作方式。图 5 基于心跳检测的 1+1 主备容灾备份组网方案Fig.5 1+1 Primary/standby disaster recovery backup net-working scheme based on heartbeat detection异地冗余 UDM/AUSF 之间通过数据专线互联,通道冗余设置,用于静态、动态数据(包括当前服务AMF、SMF 等信息)同步以及心跳等数据传送。数据通道的带宽按需配置。正常情况下,访问端(如 AMF、SMF)发送的请求由主用 UDM/AUSF 处理,备用 UDM/AUSF 热备、不处理业务。当主用 UDM/AUSF 发生故障时,NRF 在检测时长内未 收 到 UDM/AUSF 发 送 的 心 跳 信 息,则 判 断UDM/AUSF 故障,检测时长、心跳周期和次数根据需要设置。NRF 判 断 UDM/AUSF 故 障 后,向 订 阅 UDM/AUSF 状态变更的 NF(NF 服务交互为模式 C)或 SCP(NF 服务交互为模式 D)发送 UDM/AUSF 故障通知,对端 NF 或 SCP 收到消息后更新所存储的 UDM/AUSF状态信息,由对端 NF 或 SCP 自动选择备用 UDM/AUSF 提供服务。UDM/AUSF 故障恢复后,避免自动倒回导致业务受损,采用有计划的人工方式恢复工作状态。3.4 基于信令路由选择的 1+1 主备容灾组网方案SMSF 与 SMSC 之间信令交互采用此方案。SMSF与 SMSC 组网方式如图 6 所示。图 6 基于信令路由选择 1+1 主备容灾备份组网方案 Fig.6 1+1 Primary/standby disaster recovery backup net-working scheme selected based on signaling routing正常情况下,SMSF 之间信令消息由 7 号信令网IP STP 负责转发,IP STP 对 GT 码进行翻译,将消息转发给主用 SMSF 或 SMSC。若主用 SMSF 或 SMSC 故障,7 号信令网 STP 通过MTP3 层检测到主用 SMSF 不可达,自动将信令消息路由到备用 SMSF 或 SMSC。AMF 通过 NRF 检测到SMSF 故障,将业务自动选择到备用 SMSF。4 测试验证情况根据研究编制的测试案例,对网元故障和网络可靠性测试验证,与预期方案一致。当网元故障时,系统能够进行自动倒换,当前进行的业务可通过重建会话恢复业务,后续新发起业务不受影响。网元故障倒换期间,故障网元无法提供服务。故障倒换时长与设置的网元故障检测时长相关,故障倒换时长包括故障检测、判断时长和执行倒换时长,其中故障检测、判断时间相对较长,执行倒换的时间较短。网元的功能、作用、故障影响范围不同,心跳周期、次数和检测时长设置应有所不同,进而网元故障的倒换时间也不相同。需要说明的是,各厂家核心网网元包括不同的功能模块/单元,承载同一功能单元的虚拟机应冗余配置,且采用反亲和部署方式,配置在不同的物理主机上,确保产品的可靠性。此外,目前国际标准未对网元361第 11 期石 波,蔺 伟,李春铎,等5G-R 核心网容灾组网方案及关键技术研究容灾备份方案及实现流程做具体规定21,后续还需按照国铁科技攻关计划,进行环形道动态试验、高速铁路充分试验验证后,持续进行优化完善。5 结语5G-R 是铁路新一代移动通信系统,基于虚拟化架构,采用 IP 技术,网元软件化、模块化、微服务化,交互方式与传统通信系统差异大。核心网是关键设备,服务范围广,承载列控、行车调度指挥等关键业务。统筹考虑上述各类业务需求,调研分析铁路实际情况和5G-R 技术特点,在此基础上提出了 5G-R 核心网目标网的规划方案。同时,基于铁路业务高可靠性的需求,重点研究了设备之间故障检测技术,结合网元功能、作用和接口,提出并比选了 3 种容灾备份方式及适用性。结合 5G-R 网络规划部署方案,研究提出了4 种网元容灾备份组网方案,通过研究试验,验证了故障场景下网元处理机制、倒换时间和对业务的影响,对设备关键参数的设置提出了建议值。综上所述,5G-R 核心网容灾备份组网方案的研究为设备研发、标准制定、规划建设提供参考和技术支撑,随着 5G-R 发展和应用,将来可进一步优化组网和参数设置,从网元级、DC(数据中心)级、网络级等各方面保证业务的安全性、可靠性、可用性、可维护性。参考文献:1王同军.铁路 5G 关键技术分析和发展路线J.中国铁路,2020(11):1-9.WANG Tongjun.Key Railway 5G Technology Analysis and Develop-ment RouteJ.China Railway,2020(11):1-9.2 丁建文,郑鹏,李海鹰,等.铁路新一代移动通信专网互联互通关键技术研究J.中国铁路,2020(11):31-40.DING Jianwen,ZHENG Peng,LI Haiying,et al.Key Interoperabili-ty Technology of New Generation Railway Mobile Communication Pri-vate NetworkJ.China Railway,2020(11):31-40.3 姜永富.我国铁路专用移动通信技术发展思路探讨J.中国铁路,2019(4):73-78.JIANG Yongfu.Development of Chinas Railway Dedicated Mobile Communication TechnologyJ.China Railway,2019(4):73-78.4 宋国林.5G 核心网虚拟化云资源池的部署策略J.移动信息,2021(7):97-98.5 梁轶群,姜永富,姜博,等.UIC 未来铁路移动通信系统研究J.中国铁路,2021(2):88-94.LIANG Yiqun,JIANG Yongfu,JIANG Bo,et al.Research of UIC on Future Railway Mobile Communication SystemJ.China Railway,2021(2):88-94.6 庞萌萌.铁路 5G-R 系统核心网架构研究J.中国铁路,2021(8):1-6.PANG Mengmeng.Research on Core Network Architecture of Railway 5G-R SystemJ.China 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