5G TOB高可用邊緣網關方案在智慧煤礦中的容災探究

成曉東

【摘要】? ? 當前5G正以其獨特的技術優(yōu)勢，賦能千行百業(yè)，成為行業(yè)數字化的關鍵生產力，數字經濟的新引擎。高可靠性邊緣網管容災方案有效的解決了5G核心網異常斷網的問題，實現了控制面全故障或斷連時邊緣用戶面慣性運行，連接態(tài)非移動性業(yè)務仍可持續(xù)運行，連接態(tài)移動性業(yè)務短暫中斷后重新注冊恢復，新用戶可以正常接入，故障恢復后，所有業(yè)務可平滑恢復到故障前狀態(tài)。端到端的高效、優(yōu)質、安全成為了企業(yè)使用5G網絡的基礎。

【關鍵詞】? ? 5G TOB? ? 智慧煤礦? ? 風箏方案

一、概述

在5G ToB網絡建設中，低時延、企業(yè)數據不出園區(qū)、小型化核心網、大網中斷業(yè)務不中斷等是企業(yè)一致的訴求，因此網絡安全可靠，尤為重要。當前5G核心網采用大區(qū)劃建設方案，以山西為例，節(jié)點信令面對接華北大區(qū)和東北大區(qū)，轉發(fā)面UPF下沉省內。地市級別的部署位置相對最高，機房條件最好，主要面向時延不敏感的部分業(yè)務，比如：高清視頻、VR視頻等。園區(qū)級別一般部署在企業(yè)園區(qū)，通過分布式邊緣計算（MEC）將網絡能力下沉到邊緣行業(yè)內部，實現低時延、大帶寬、邊緣計算的應用在本地閉環(huán)同時兼顧數據不出園區(qū)且高可靠的業(yè)務訴求[1]，比如：工業(yè)互聯網場景下的園區(qū)監(jiān)控，工業(yè)視覺檢測、工業(yè)控制等。

二、目前針對園區(qū)組網方案

企業(yè)部署入駐式MEC，內部終端訪問園區(qū)和公網業(yè)務，通過代理提供internet出口，企業(yè)終端簽約專用DNN，在園區(qū)內通過邊緣UPF訪問園區(qū)，邊緣UPF不提供公網接入。UPF N6通過專線方式接入園區(qū)網絡，N6專線可通過OTN/SPN提供;企業(yè)園區(qū)internet接入可以通過PON網絡提供互聯網專線，或通過OTN/SPN提供高價值互聯網專線;如果園區(qū)外限制用戶訪問園區(qū)，需要在PCF簽約區(qū)域控制[2]。

MEC是為了滿足云應用在本地閉環(huán)、移動網絡分布式下沉以及終端算力上收，所形成的連接+計算的融合匯聚節(jié)點。MEC所處的位置由時延體驗、物理基礎設施等相關因素共同決定，5G接入技術實現更高的帶寬，邊緣UPF支持本地分流實現更低的時延、邊緣UPF通過MEP集成APP實現第三方APP的靈活快速部署[3]。

從網絡功能的劃分來看，MEC在5G網絡中處于本地用戶面位置，是部署于邊緣位置的UPF和本地數據網（DN）以及AF組成的聯合解決方案。

當前的網絡部署在一系列的技術和設備規(guī)范保障下網絡已達到電信級安全。但在極端場景下，如果控制面與轉發(fā)面之間的傳輸鏈路（N2/N4）中斷時，園區(qū)業(yè)務將不能正常運行。由于園區(qū)到控制機房存在較遠的路由特點，干線路由終端的問題時有發(fā)生;在5G已經深入煤礦的關鍵生產環(huán)節(jié)情況下，如何保障在大網中斷的極端情況下，也能保證企業(yè)生產系統正常運行是亟需解決的一大難題。

三、高可用邊緣網關部署

呂梁移動聯合華為圍繞最終客戶訴求，創(chuàng)新性提出高可靠邊緣網管方案——“風箏”解決方案。通過對MEC可靠性設計做了進一步增強，將部分控制面網元功能備份到園區(qū)本地，基于運營商5G網絡，中心與邊緣的容災協同，公網專用，率先實現了極端場景下，關鍵生產系統的正常運行，使網絡可靠性進一步增強。另外通過省中心運維管理面遠程集中高效運維，同時依托于移動集團5G大網，具備后續(xù)5G網絡新特性演進能力。 5GtoB公網專用風箏方案基于運營商5G網絡公網專用，通過中心與邊緣容災協同，穩(wěn)若磐石，敏如風箏，在園區(qū)入駐專網與中心網絡失聯時，能夠自動切換到專網應急容災控制面，大大提高了5G專網的可靠性，保障了企業(yè)生產系統的高可用性，此方案在鑫巖煤礦園區(qū)專網成功進行了測試驗證。

3.1實現目的

高可靠，網斷業(yè)不斷：創(chuàng)新性地在園區(qū)部署應急控制面，與中心網絡進行實時數據同步，在與中心網絡連接中斷以后，本地網絡能夠無縫接管業(yè)務，保證企業(yè)關鍵生產系統的正常運行。

高效率，網沉人不增：采用邊緣一體化交付模式，即插即用，一鍵式部署，2小時開通，極大地提升了交付效率。

高安全，數據不出園區(qū)：同時提供S、M、L系列化規(guī)格，滿足不同專網的不同訴求。S模式對應小號專網，多企業(yè)共享運營商的網絡;M/L模式采用MEC入駐企業(yè)，數據不出園區(qū)，解決企業(yè)數據安全顧慮。

3.2組網方案說明

園區(qū)VNF包含邊緣UPF和本地輕量化CP，輕量化CP包含Lite AMF， Lite SMF和Lite UDM。當前R3版本，邊緣環(huán)境獨立部署UEG、UNC（AMF、SMF合設）、UDM，R4版本UEG+（包含UEG、UNC、UDM融合部署）。

3.3高可用邊緣網關網元功能介紹

UDM 用戶數據：正常狀態(tài)功能：實時同步用戶簽約/營帳，應急狀態(tài)功能：支持本地簽約數據查看，禁止修改，提供本地認證/接入。

AMF 用戶移動性管理：正常狀態(tài)：本地靜默運行;支持強制遷移用戶回大網;應急狀態(tài)：大網失聯情況下，支持基站選擇本地AMF，本地AMF選擇本地SMF，UDM進行業(yè)務注冊。

SMF 用戶會話管理功能： 正常狀態(tài)：本地靜默運行; 應急狀態(tài)：本地AMF選擇本地SMF，SMF選擇UPF進行會話管理。

UPF 用戶面管理功能：正常狀態(tài)：標準UPF功能，支持本地業(yè)務/大網業(yè)務不同分流策略;應急狀態(tài)：支持本地計費信息緩存（離線計費），用戶慣性運行。

3.4公網專用高可用測試方案

組網配置組網關鍵點：

園區(qū)本地部署一套UPF和一套輕量化控制面（包含應急AMF、SMF、UDM;應急AMF/SMF只選擇應急SMF/UDM）。

園區(qū)AMF設置和大網AMF相同的SET，不同AMF ID（僅為了讓園區(qū)無線感知園區(qū)有可用AMF;園區(qū)AMF不注冊到大網NRF，不影響大網）。大網AMF保持現有capacity配置（255），園區(qū)AMF配置capacity為0。

園區(qū)UDM：1. 手工配置UDM安全參數（K4，加密算法， OPC，C1-C5，R1-R5等）2為測試用戶手工導入數據（用戶KI，簽約數據）。

測試采用獨立DNN;大網SMF針對測試DNN，關閉計費，PCC策略?；拘枰卸鄠€，觸發(fā)移動切換。

前置條件：園區(qū)UPF已經部署完成且運行正常;基站和大網核心網5G網絡環(huán)境運行正常，用戶在大網開戶;終端可以正常激活;設置終端上傳視頻數據功能。

測試用例：園區(qū)與大網控制面中斷、恢復

類型1.新開機用戶，業(yè)務影響情況。

類型2.在線業(yè)務不中斷的用戶 。

類型3.連接態(tài)用戶移動至基站切換后重新注冊到園區(qū)控制面，業(yè)務正常。

測試結果：

在園區(qū)server上觀測上傳數據，斷開園區(qū)與大網鏈路，模擬N2、N4斷鏈故障，園區(qū)與大網鏈路恢復。

大網失聯：業(yè)務容災啟動（業(yè)務無影響/快速恢復）。

類型1. 新開機用戶（1.0->1.1）：gNB選擇園區(qū)應急AMF接入，業(yè)務無影響。

類型2. 在線業(yè)務用戶（連接態(tài)）（2.0）：園區(qū)gNB保持連接態(tài);大網AMF， 大網SMF，園區(qū)UPF 保持用戶連接態(tài)（慣性運行）。業(yè)務無影響。

類型3. 已注冊的用戶，發(fā)起信令（終端發(fā)起，移動引起切換）（3.0->3.1）：園區(qū)gNB選擇Capacity Value=0的園區(qū)AMF處理，AMF引導用戶重新注冊，業(yè)務快速恢復。

大網失聯恢復：大網失聯恢復，業(yè)務容災和回遷（業(yè)務無影響）。

類型1.新開機的用戶（ 1.0-1.2 ）：選擇大網2B AMF接入，業(yè)務無影響。

類型2.在線業(yè)務不中斷的用戶（2.0-2.1）：用戶信令（GUTI為大網AMF），和大網AMF通信，業(yè)務無影響。

類型3.已接入園區(qū)AMF的用戶（3.0-3.1）：用戶的信令（GUTI）包含園區(qū)AMF的GUAMI，無線仍然選擇園區(qū)AMF，業(yè)務無影響。

應急場景用戶計費方案：慣性運行用戶計費補報。

關閉N4接口故障時UPF主動去激活用戶的開關，支持與N4斷鏈后，已經上線的用戶業(yè)務不受影響;大網斷鏈后，UPF仍累計流量，記錄在每個用戶最后一張打開的話單中，不再產生中間話單;鏈路恢復之后，由UPF將緩存話單發(fā)送到大網SMF，最終轉發(fā)到CHF，支持用戶正常計費。

測試場景測試結果符合預期，即大網和園區(qū)間鏈路斷開，已在線用戶數據回傳業(yè)務不中斷，業(yè)務正常。

四、結束語

用戶的業(yè)務體驗提升是產品和方案不斷追求努力的方向，也是吸引客戶、留住客戶、提升品牌價值的有效手段。從網絡側來看，端到端的業(yè)務訪問時延越小，則業(yè)務體驗越好，因此內容服務器下移部署，即把業(yè)務服務器盡可能的部署到靠近用戶的位置，就可以縮短用戶訪問業(yè)務的時延，可以有效提升用戶的業(yè)務體驗。另外網絡的運行安全和容災能力，也是保證業(yè)務連續(xù)和感知的重要環(huán)節(jié)。5G TOB網絡的高可靠邊緣網關功能，可以有效提升網絡抗風險能力，在外部斷網時為園區(qū)設備可以正常運行、工作提供保證。5GtoB商用啟航，行業(yè)數字化轉型加速。未來容災解決方案將在在煤礦、企業(yè)園區(qū)、工廠、港口、場館，以及工業(yè)互聯網等場景發(fā)揮至關重要的作用，是推動5G成為行業(yè)數字化轉型的關鍵驅動力量。

參? 考? 文? 獻

[1]周漢， 馮江平. MEC標準化進展[C]// 2019全國邊緣計算學術研討會論文集. 2019.

[2] 張進財 5G+：九大垂直領域的5G智慧賦能. 化學工業(yè)出版社， 2021/3/1， （08）：161-162

[3]薛松荃， 李瞻宇， 鄒宇辰. 基于共建模式下共享方MEC部署方案研究[J]. 現代信息科技， 2020， v.4（06）：65-68.

[4]陳鵬，李南希，田樹一等.5G移動通信網絡：從標準到實踐. 機械工業(yè)出版社. 2020/7/1