5G 高清攝像機(jī)在 SA 組網(wǎng)下業(yè)務(wù)異常中斷機(jī)理研究

楊躍平，向海洲

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司南京市分公司，江蘇南京 210005）

1 背景

2018年6月，第五代通信技術(shù)（5G）第一個(gè)版本R15凍結(jié)。2020年，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）宣布進(jìn)一步完成5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范版本R16。2020年3月伊始，中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司南京市分公司與南京地鐵集團(tuán)有限公司聯(lián)合開(kāi)展5G+MEC智慧軌道交通項(xiàng)目，5G+MEC智慧軌道交通項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)框架圖如圖1所示。依托聯(lián)通5G、多接入邊緣計(jì)算（MEC）和切片技術(shù)，在南京地鐵馬群車(chē)輛基地建全場(chǎng)景5G專(zhuān)網(wǎng)覆蓋，搭建行業(yè)首個(gè)現(xiàn)場(chǎng)邊緣計(jì)算平臺(tái)，開(kāi)展基于服務(wù)質(zhì)量（QOS）調(diào)度優(yōu)先級(jí)的軟切片和全國(guó)首個(gè)基于資源塊（RB）預(yù)留的硬切片業(yè)務(wù)承載驗(yàn)證，完善5G公網(wǎng)專(zhuān)用路線圖和差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地鐵六大專(zhuān)業(yè)十余個(gè)子系統(tǒng)的5G專(zhuān)網(wǎng)承載，項(xiàng)目于2020年8月入選南京2020首批發(fā)布的十七大新應(yīng)用場(chǎng)景重點(diǎn)項(xiàng)目清單，由南京市工業(yè)和信息化發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金（第三批）支持。2021年4月28日，南京地鐵聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室掛牌成立，對(duì)外發(fā)布《軌道交通行業(yè)5G公專(zhuān)網(wǎng)白皮書(shū)》，以促進(jìn)5G在軌道交通行業(yè)的實(shí)質(zhì)性推廣。

在5G與軌道交通業(yè)務(wù)打通過(guò)程中，項(xiàng)目研發(fā)小組發(fā)現(xiàn)一系列跨行業(yè)產(chǎn)品協(xié)議、版本、端口、述語(yǔ)之間的匹配異常，項(xiàng)目涉及地鐵信號(hào)、車(chē)輛、綜合監(jiān)控、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）及乘客信息系統(tǒng)（PIS）、運(yùn)維大數(shù)據(jù)等不同廠家以及不同制式的設(shè)備與通信接口。

同時(shí)項(xiàng)目組對(duì)軌道交通行業(yè)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)（DNN）歸類(lèi)，形成了5G+MEC數(shù)據(jù)流量本地卸載流程圖，如圖2所示。

2 故障產(chǎn)生環(huán)境

以南京地鐵2號(hào)線馬群車(chē)輛基地為平臺(tái)，5G室外覆蓋主要是馬群基地信號(hào)樓、綜合樓、地鐵2號(hào)線測(cè)試軌行區(qū)；室內(nèi)覆蓋列檢維修車(chē)庫(kù)、試車(chē)線設(shè)備室。測(cè)試軌行區(qū)距離長(zhǎng)1.20 km，在0.00 km、0.40 km、0.80 km、1.20 km 4處（對(duì)應(yīng)圖3中1、2、3、4）分別布置4個(gè)固定5G高清攝像機(jī)，對(duì)整個(gè)軌行區(qū)范圍實(shí)施生產(chǎn)監(jiān)控，馬群基地測(cè)試軌行區(qū)宏站覆蓋方案如圖3所示。MEC節(jié)點(diǎn)部署在馬群園區(qū)機(jī)房?jī)?nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出場(chǎng)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，保證網(wǎng)絡(luò)安全。地鐵多接入邊緣計(jì)算平臺(tái)（MEP）通過(guò)城域網(wǎng)5G+MEC虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（VPN）實(shí)現(xiàn)南京地鐵多接入邊緣計(jì)算平臺(tái)管理（MEPM），同時(shí)對(duì)MEP邊緣分流能力進(jìn)行調(diào)度和應(yīng)用生命周期進(jìn)行管理。地鐵用戶面功能（UPF）連接1對(duì)智能城域網(wǎng)接入路由器（MAR），實(shí)現(xiàn)與無(wú)線基站對(duì)接N3業(yè)務(wù)，N3主要實(shí)現(xiàn)基站與UPF之間交互，馬群車(chē)輛基地MEC組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 故障現(xiàn)象

南京地鐵馬群車(chē)輛基地1.2 km軌旁的4個(gè)固定5G高清攝像機(jī)位，主要完成對(duì)整個(gè)軌行區(qū)環(huán)境實(shí)施安全監(jiān)控，使用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將視頻流回傳平臺(tái)，各機(jī)位5G網(wǎng)絡(luò)參考信號(hào)接受功率強(qiáng)度良好（RSRP≥-90 dBm），信號(hào)與干擾加噪聲比為優(yōu)級(jí)（SINR≥10 dB），網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定且無(wú)明顯干擾，4個(gè)高清攝像機(jī)分2種不同方式接入5G，每組2臺(tái)，其中1組攝像機(jī)使用外置5G 客戶終端設(shè)備（CPE）接入，另1組采用內(nèi)部集成5G模組的方式接入，均支持非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（SA）雙模式接入。在視頻流傳輸過(guò)程中，使用內(nèi)部集成5G模組的攝像機(jī)畫(huà)面流暢無(wú)卡頓，但每隔10～20 min會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性視頻掉線，該故障反復(fù)重現(xiàn)，故障出現(xiàn)后視頻無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)，手動(dòng)重啟方可暫時(shí)恢復(fù)，嚴(yán)重影響正常使用。而通過(guò)外置客戶終端設(shè)備接入的攝像機(jī)未出現(xiàn)類(lèi)似情況，可保持視頻永久在線，畫(huà)面流暢無(wú)卡頓。

4 故障形成機(jī)理

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：視頻掉線后5G鏈路斷開(kāi)，因特網(wǎng)包探索器 （ping）異常（目標(biāo)地址不可達(dá)），視頻流掉線時(shí)網(wǎng)絡(luò)未出現(xiàn)異常中斷問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平均RSRP為-88 dBm，SINR為18.35 dB，上下行測(cè)速正常，同區(qū)域其他機(jī)位回傳正常。

終端側(cè)錯(cuò)誤代碼：從攝像機(jī)終端側(cè)進(jìn)行跟蹤，故障時(shí)，抓取到攝像機(jī)內(nèi)部錯(cuò)誤代碼為^NDISSTATQRY: 0, 32,,”IPV4”,0,50,,”IPV6”，其 中0表示 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接斷開(kāi)，錯(cuò)誤代碼是32，該錯(cuò)誤碼是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)回饋終端。視頻掉線時(shí)該機(jī)位5G終端觸發(fā)向長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）切換的請(qǐng)求，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)5G 獨(dú)立組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)暫未設(shè)置與LTE之間的互操作參數(shù)，切換失敗，鏈路中斷。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)信令流程：故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)跟蹤接入網(wǎng)（RAN）到接入和移動(dòng)性管理功能（AMF）、會(huì)話管理功能（SMF）到網(wǎng)絡(luò)功能（NF）、用戶終端（UE）到AMF網(wǎng)元等信令，經(jīng)追蹤發(fā)現(xiàn)UE向核心網(wǎng)AMF網(wǎng)元交互信令的過(guò)程中DNN 中有IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），表示異常5G模組在SA網(wǎng)絡(luò)下發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的過(guò)程中會(huì)發(fā)起IMS類(lèi)業(yè)務(wù)。但當(dāng)前SA并不支持IMS功能，測(cè)試用物聯(lián)網(wǎng)卡統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（UDM）簽約屬性中并不支持IMS業(yè)務(wù)，終端周期性發(fā)起IMS注冊(cè)請(qǐng)求，多次注冊(cè)請(qǐng)求超時(shí)后，終端觸發(fā)向LTE的切換，因此出現(xiàn)上述故障（即網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)），核心網(wǎng)信令跟蹤結(jié)果如圖5所示。

故障觸發(fā)邏輯：首先，5G模組芯片由廠家封裝好后發(fā)給終端廠家進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，芯片使用廠家根據(jù)自身需求進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，不同終端廠家開(kāi)發(fā)策略不同，如本次故障網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IPC）對(duì)應(yīng)的電話和語(yǔ)音等業(yè)務(wù)需求，屬于該類(lèi)型終端產(chǎn)品的標(biāo)配功能，用于終端在接入網(wǎng)絡(luò)后周期性上報(bào)文本（string）格式的設(shè)備狀態(tài)信息至后臺(tái)服務(wù)器。其次，終端生成的文本格式信息通過(guò)“string IMS”請(qǐng)求發(fā)送，由于當(dāng)前5G SA版本和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境暫不具備5G語(yǔ)音通話（VoNR）能力，同時(shí)本項(xiàng)目的5G攝像機(jī)終端主要用于傳送視頻類(lèi)數(shù)據(jù)流，所使用簽約用戶識(shí)別模塊（SIM）卡為物聯(lián)網(wǎng)卡，未簽約短信息/話音功能，未配置對(duì)應(yīng)的IMS業(yè)務(wù)能力，從而導(dǎo)致IMS業(yè)務(wù)請(qǐng)求失敗，按運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)異系統(tǒng)互操作邏輯，會(huì)觸發(fā)基于演進(jìn)的分組系統(tǒng)回落（EPS Fallback）的異系統(tǒng)切換，導(dǎo)致終端向LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)起切換，造成5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)掉線，視頻連接掉線，故障觸發(fā)邏輯如圖6所示。

5 關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證結(jié)果

由基于終端自主生成字符代碼的周期上傳業(yè)務(wù)所導(dǎo)致的5G連接中斷問(wèn)題，其根源在于5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模式與終端工作流程不匹配，經(jīng)研發(fā)小組內(nèi)部討論提出以下2種應(yīng)對(duì)方案。

（1）關(guān)閉攝像機(jī)終端內(nèi)部生成字符信息并自動(dòng)上傳功能模塊，該方案需要向華為研發(fā)部申請(qǐng)授權(quán)碼，并認(rèn)真理解開(kāi)發(fā)文檔，找出關(guān)閉該功能的可執(zhí)行腳本。在獲取華為授權(quán)并分析原開(kāi)發(fā)文檔后，利用AT撥號(hào)發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)注冊(cè)流程，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，以如下步驟操作可達(dá)到目的：①輸入命令"at^version?"查詢版本信息，查看返回的版本信息是否正確，不正確需要進(jìn)行升級(jí)；②輸入命令"ATE1"設(shè)置主機(jī)顯示模組返回的相應(yīng)信息，通過(guò)返回信息判斷是否正確；③輸入"AT+CIMI"查詢SIM卡的國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（IMSI）值，返回結(jié)果為460066600200017，其中國(guó)家代碼（MCC）為460，網(wǎng)絡(luò)代號(hào)（MNC）為06，標(biāo)識(shí)移動(dòng)用戶身份（MSIN）為6600200017；④利用at^ndisdup進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，故障攝像頭接入點(diǎn)名稱(chēng)（APN）設(shè)置為jsnj5gtest03snjiot，然后，輸入命令："AT^ NDISSTATQRY?"，查詢網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)（NDIS）連接狀態(tài)。模組連接成功如圖7所示，結(jié)果顯示為^NDISSTATQRY: 1, 0,, ”IPV4”,0,50,,”IPV6”，其中1表示模組連接成功，IPV4處于連接狀態(tài)，IPV6斷開(kāi)狀態(tài)。

（2）網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供5G SA環(huán)境下業(yè)務(wù)態(tài)支持短信息發(fā)布的業(yè)務(wù)通道。5G SA網(wǎng)絡(luò)基于云原生設(shè)計(jì)，控制面采用基于服務(wù)的架構(gòu)（SBA），SBA= NF（網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)）+SBI（基于服務(wù)的接口），NF通過(guò)SBI組成模塊化的NF服務(wù)（即微服務(wù)），且是無(wú)狀態(tài)的，可靈活擴(kuò)展、重用，從而可彈性高效、靈活敏捷的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)賦能千行百業(yè)的多樣化應(yīng)用，打通VoNR的關(guān)鍵在于5G核心網(wǎng)與IMS的融合。

在VoNR方案下，UE先連接第五代系統(tǒng)（5GS），通過(guò)5GS注冊(cè)IMS，要求5GC與IMS之間需實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；同時(shí)，為支持VoNR與長(zhǎng)期演進(jìn)語(yǔ)音承載（VoLTE）之間平滑切換，5GC需支持N26和S5接口，以實(shí)現(xiàn)與EPC之間緊密交互，業(yè)務(wù)流向如圖8所示，由于VoNR功能升級(jí)主要在5GC核心網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)暫不具備條件，將留待下一步網(wǎng)絡(luò)升級(jí)驗(yàn)證。

在關(guān)閉5G模組芯片的文本信息主動(dòng)發(fā)送功能后，本項(xiàng)目用5G高清攝像機(jī)再未出現(xiàn)視頻掉線問(wèn)題，5G+MEC為高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)提供大帶寬、低時(shí)延、高畫(huà)質(zhì)、無(wú)卡頓的空中通道，達(dá)到預(yù)期效果，5G攝像機(jī)實(shí)時(shí)高清上傳圖像如圖9所示。

6 分析總結(jié)

該案例問(wèn)題成功解決，依賴于項(xiàng)目組研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行了科學(xué)分析和理性判斷，建立了故障分析和一般處理流程，合作各方快速掃清項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)。

5G與垂直行業(yè)應(yīng)用融合創(chuàng)新是5G時(shí)代運(yùn)營(yíng)商突破管道運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，也是踐行國(guó)家網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要實(shí)踐，伴隨著行業(yè)需求，5G終端的豐富性和多樣性將呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。作為5G創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)和推廣的前沿部門(mén)，在5G應(yīng)用創(chuàng)新方新未艾的階段，5G創(chuàng)新中心不僅要將5G技術(shù)和能力與行業(yè)需求融合，從而構(gòu)建端到端落地解決方案，同時(shí)更承擔(dān)了跨領(lǐng)域5G技術(shù)融合打通的工作。本案例體現(xiàn)出5G創(chuàng)新對(duì)運(yùn)營(yíng)商提出了更高的要求，同時(shí)也體現(xiàn)出5G面向政企行業(yè)（5GToB）時(shí)代以運(yùn)營(yíng)商為交付核心的商務(wù)模式逐漸形成。5G時(shí)代的運(yùn)營(yíng)商逐步掌握5GToB應(yīng)用中貫通云、網(wǎng)、邊、端、業(yè)的核心能力，在解決企業(yè)信息化端到端問(wèn)題中發(fā)揮著重要作用。