5G 高可用專網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計研究

［蔡子華 陳豐 劉子建 郭春旭］

1 引言

為滿足行業(yè)客戶差異化的業(yè)務(wù)需求，三大電信運營商均早在2020 年就推出了各具特色的5G 專網(wǎng)解決方案。經(jīng)過產(chǎn)業(yè)各方的協(xié)同推進，目前5G 專網(wǎng)的商用落地和規(guī)模部署已取得顯著成效。從5G 專網(wǎng)架構(gòu)來看，多數(shù)行業(yè)企業(yè)選用了“混合專網(wǎng)”的方案，即復(fù)用運營商大網(wǎng)無線資源，并將5G 用戶面下沉部署至企業(yè)園區(qū)，與運營商中心網(wǎng)絡(luò)5G 控制面聯(lián)動。這種方案的收益在于，一方面運營商可充分利用已建的大網(wǎng)資源，快速部署園區(qū)專網(wǎng)業(yè)務(wù)，另一方面企業(yè)用戶可收獲業(yè)務(wù)低時延傳輸、數(shù)據(jù)不出園區(qū)等服務(wù)體驗。但是，隨著5G專網(wǎng)從行業(yè)外圍進入核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)可用性開始與生產(chǎn)成本及效益高耦合。比如，煤礦采煤設(shè)備機械臂的應(yīng)用層設(shè)有心跳監(jiān)測機制，一旦5G 專網(wǎng)斷鏈導(dǎo)致應(yīng)用層中斷超過300 ms，機械臂將自動停止并且需要人工恢復(fù)，進而將影響生產(chǎn)效率。為此，煤礦、工業(yè)制造、電力等一批自身主導(dǎo)權(quán)強、議價能力高的行業(yè)客戶出于生產(chǎn)安全、網(wǎng)絡(luò)自主可控等考慮，相繼提出5G 專網(wǎng)高可用能力升級訴求。

2 5G 混合專網(wǎng)核心痛點

5G 網(wǎng)絡(luò)是由終端設(shè)施、無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心交換網(wǎng)及相應(yīng)的運行支撐系統(tǒng)組成的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，影響其可用性的因素包括設(shè)備/節(jié)點可靠性、組網(wǎng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)的組織和維護管理，以及機房、配套動力等網(wǎng)絡(luò)所依存的環(huán)境條件等。對于運營商而言，5G 公網(wǎng)面向的是差異化的用戶需求，且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)受到成本的制約，因而其可用性設(shè)計更側(cè)重于核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)核心層等一旦發(fā)生故障則可能大范圍影響用戶使用的組成部分。對于企業(yè)而言，采用5G 混合專網(wǎng)模式意味著對成本更為敏感，但由于追求網(wǎng)絡(luò)端到端可用性，其在局部的可用性要求上又高于5G 公網(wǎng)，如無線網(wǎng)側(cè)。這就要求重點關(guān)注設(shè)備/節(jié)點可靠性和組網(wǎng)設(shè)計，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可用性的最優(yōu)化和成本合理性的平衡。

典型的5G 混合專網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示，其核心痛點包括外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷鏈對園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的影響，以及園區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的故障。

圖1 典型5G 混合專網(wǎng)架構(gòu)及可能的故障模式

外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷鏈對園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的影響可進一步細(xì)分為運營商中心控制面網(wǎng)元故障、企業(yè)園區(qū)與中心網(wǎng)元的傳輸中斷兩種情況。對于前者，運營商通常通過部署雙DC，多網(wǎng)元形成網(wǎng)元資源池進行業(yè)務(wù)容災(zāi)的方式來保證中心網(wǎng)元的高可用性，其發(fā)生故障的概率較小。更可能發(fā)生的是后者。考慮到可能存在因物業(yè)阻撓施工導(dǎo)致傳輸實際未成環(huán)、光纜因施工被挖斷等情形，一旦傳輸中斷，此時園區(qū)與運營商中心網(wǎng)絡(luò)之間的N2 和N4 接口將同時中斷，此時會導(dǎo)致企業(yè)園區(qū)所有業(yè)務(wù)中斷，業(yè)務(wù)無法接入。

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備故障可能表現(xiàn)為終端側(cè)CPE 故障、無線網(wǎng)側(cè)基站主控板和基帶板等關(guān)鍵器件故障、園區(qū)用戶面網(wǎng)元故障等。對此，通常通過部署多套設(shè)備進行容災(zāi)解決，但也要考慮成本的合理性進行差異化的組網(wǎng)設(shè)計。

3 5G 高可用專網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計

5G 端到端專網(wǎng)可以視為由終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)組成的獨立串聯(lián)系統(tǒng)。借鑒RBD（Reliability Block Diagram，可靠性框圖）模型，對于串聯(lián)系統(tǒng)，所有子系統(tǒng)均正常時才能保證系統(tǒng)正常運行。因此，5G 專網(wǎng)的可用度A 為

其中，AUE、AAN、ATN和ACN分別為終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)子系統(tǒng)的可用度。

可見，為了使企業(yè)定制的5G 專網(wǎng)達(dá)到相應(yīng)的可用度要求，必須針對終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的組網(wǎng)進行增強設(shè)計。

3.1 終端側(cè)

對于未內(nèi)置5G 通信模塊的終端，通常采用CPE 轉(zhuǎn)接的方式，也即終端設(shè)備通過RS485 等接口直接接入CPE，再經(jīng)由CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)?？紤]到無線鏈路的脆弱性，傳輸過程可能存在丟包，或出現(xiàn)偶發(fā)的大時延問題，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷?？梢酝ㄟ^增加冗余無線鏈路，無線鏈路互為備份，從而保證單鏈路丟包或故障時業(yè)務(wù)不中斷。例如，增設(shè)AR 路由器，下掛原有的一個或多個終端設(shè)備。AR路由器與雙CPE 橋接。當(dāng)AR 路由器接收到下掛終端的上行數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)經(jīng)由主用鏈路發(fā)送至對端的主用CPE并接入5G 專網(wǎng)。一旦AR 路由器偵測到主用鏈路故障或信號傳輸質(zhì)量不佳，將自動進行倒換，把數(shù)據(jù)經(jīng)由備用鏈路發(fā)送至對端的備用CPE 并接入網(wǎng)絡(luò)。這樣便實現(xiàn)了發(fā)送端的5G 雙鏈路備份。此外，通過在網(wǎng)關(guān)設(shè)備內(nèi)置雙5G通信模塊以便接入不同5G 頻段或網(wǎng)絡(luò)，也是可行的方法。其本質(zhì)也是增加冗余無線鏈路。

3.2 無線網(wǎng)側(cè)

無線網(wǎng)側(cè)的增強設(shè)計可以從設(shè)備可用性和鏈路可用性入手，通過冗余備份來保障整體的可用性。

3.2.1 關(guān)鍵部件冗余備份

BBU 支持的單板主要包括主控傳輸板、基帶處理板、風(fēng)扇模塊、電源模塊、環(huán)境監(jiān)控單元等。其中，主控傳輸板主要為BBU 內(nèi)的其他單板提供信令處理和資源管理功能，并對外提供傳輸、LMT 等接口以實現(xiàn)信號傳輸、配置管理和設(shè)備管理等功能。基帶處理板主要完成上下行數(shù)據(jù)的基帶處理功能，并提供與射頻模塊通信的CPRI 或eCPRI 接口。

在常規(guī)配置下，BBU 僅配置一塊主控傳輸板。若該單板故障，則將導(dǎo)致基站長時間業(yè)務(wù)中斷。對此，可考慮配置兩塊型號相同的主控傳輸板進行冷備份。在初始配置時，當(dāng)BBU 上電啟動后，如果兩塊主控傳輸板均為正常狀態(tài)，BBU 將通過主備競爭決定主用單板。如果其中一塊單板不在位或為異常狀態(tài)，則另一塊正常工作的單板直接競爭為主用單板。隨后，主備主控傳輸板之間比較文件差異，以主用單板為基準(zhǔn)，同步所有差異文件大備用單板。所同步的文件僅包括配置數(shù)據(jù)、軟件、日志等靜態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)主用單板出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，而備用單板在位且鏈路正常，BBU 將自動倒換到備用單板，以此保證基站能繼續(xù)正常運行。試點數(shù)據(jù)表明，從主控傳輸板倒換到基站業(yè)務(wù)恢復(fù)正常的時間與下帶的射頻模塊數(shù)量有關(guān)。對常規(guī)的三小區(qū)室外基站，其業(yè)務(wù)恢復(fù)的預(yù)期時間為4～7 min。

當(dāng)BBU 的一塊基帶板出現(xiàn)故障時，同樣直接影響在該單板上部署的基站小區(qū)業(yè)務(wù)。對此可考慮每個AAU/RRU 同時與兩塊基帶板相連，形成熱備份環(huán)形組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式，環(huán)上有且只有一個AAU/RRU。BBU 通過其中一塊基帶板建立操作維護鏈路，但用戶面數(shù)據(jù)會同時在兩條CPRI 或eCPRI 鏈路上傳輸，且傳輸內(nèi)容相同。這樣，當(dāng)與AAU/RRU 建立操作維護鏈路的基帶板故障時，環(huán)上的AAU/RRU 業(yè)務(wù)會中斷并迅速切換到另一塊基帶板重新建立通信。

3.2.2 無線鏈路冗余備份

考慮到無線信道易受環(huán)境的影響，尤其是在工業(yè)現(xiàn)場等復(fù)雜環(huán)境下，存在高頻的電氣設(shè)備或其他干擾源，可能對5G 特定頻段造成較嚴(yán)重的干擾。因此，在重要的24 h 不間斷生產(chǎn)環(huán)境下，5G 專網(wǎng)采用雙頻覆蓋是有必要的。對于室外基站，可在相同站址設(shè)置雙倍套數(shù)的AAU/RRU，并采用不同的授權(quán)頻段進行信號覆蓋。AAU/RRU上聯(lián)至不同的BBU 上或者同一BBU 的不同基帶板上，并設(shè)置為不同的邏輯小區(qū)。當(dāng)某一頻段的小區(qū)無線鏈路受干擾或故障時，終端可通過異頻重選駐留到另一頻段的小區(qū)上。對于室分系統(tǒng)，前述思路仍然適用。但考慮到室內(nèi)布點空間受限且數(shù)字室分的遠(yuǎn)端單元具備多頻支持能力，也可以考慮交織覆蓋的方式，即通過合理控制遠(yuǎn)端單元覆蓋范圍，使其同頻不同點位交叉冗余覆蓋（部分覆蓋區(qū)域重疊），交叉的遠(yuǎn)端單元配置為同一邏輯小區(qū)。這樣，即使某一遠(yuǎn)端單元發(fā)生故障，與其相鄰并有一定范圍覆蓋冗余的另一遠(yuǎn)端單元仍可提供有效信號覆蓋，終端可正常駐留而不需要進行同頻切換。

3.2.3 無線高可用組網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)關(guān)鍵部件和無線鏈路冗余備份的思路，可以組合設(shè)計出多種組網(wǎng)方案。綜合考慮技術(shù)可行性、方案實用性和性能表現(xiàn)等因素，圖2 給出了3 種典型的無線高可用組網(wǎng)方案。

圖2 5G 無線高可用典型組網(wǎng)方案

3.3 傳輸網(wǎng)側(cè)

運營商傳輸網(wǎng)一般采用分層組網(wǎng)，包括邊緣接入層、匯聚層和核心層。邊緣接入層設(shè)備采用環(huán)形組網(wǎng)，分別與匯聚層節(jié)點相連。匯聚層設(shè)備雙歸到核心層設(shè)備。核心層設(shè)備則多采用全互連或半互連方式。傳輸網(wǎng)整體具備高可用特性。在不考慮非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的情況下，傳輸網(wǎng)側(cè)的故障點更多可能出現(xiàn)在BBU 與接入層路由器的傳輸鏈路上。對此，可采用IP 主備路由的方案，即BBU 主控傳輸板上兩個物理傳輸接口經(jīng)過層二網(wǎng)絡(luò)連接到主備網(wǎng)關(guān)路由器上。BBU 和主備網(wǎng)關(guān)網(wǎng)路由器間啟用BFD（Bidirectional Forwarding Detection，雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測）進行鏈路狀態(tài)檢測，并將BFD狀態(tài)關(guān)聯(lián)到其路由狀態(tài)，適時觸發(fā)主備路由倒換。對于到基站的返程路由，主備網(wǎng)關(guān)路由器也各自配置備份路由，在某個路由發(fā)生故障時，網(wǎng)關(guān)路由器能從備份路由把返程報文返回給基站。

3.4 核心網(wǎng)側(cè)

在圖3 所示5G 混合專網(wǎng)中，用戶面UPF 下沉至企業(yè)園區(qū)部署。對此，可以通過園區(qū)UPF 與運營商中心UPF 的聯(lián)動來保障網(wǎng)元級的可用性，也即園區(qū)UPF 和中心UPF 二者規(guī)劃的企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)則保持一致，且中心UPF通過專線等形式保證可訪問園區(qū)應(yīng)用服務(wù)器。當(dāng)園區(qū)UPF發(fā)生故障時，SMF 基于N4 接口探測實時感知故障，將刪除園區(qū)UPF，保留用戶會話，此時終端通過中心UPF 繼續(xù)訪問本地應(yīng)用。但這一方案并未解決外部網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷對園區(qū)業(yè)務(wù)的影響。當(dāng)與大網(wǎng)的N4 鏈路故障，或N2/N4鏈路同時故障時，如園區(qū)UPF 正常，僅可提供對連接態(tài)用戶的業(yè)務(wù)?；?；如園區(qū)UPF 也故障，則所有業(yè)務(wù)將中斷。同理，如果園區(qū)部署2 套主備的UPF，也僅能解決園區(qū)單個UPF 故障時業(yè)務(wù)迂回至中心UPF 轉(zhuǎn)發(fā)的問題，但仍無法解決N4 或N2/N4 斷鏈的問題帶來的影響。

圖3 5G 混合專網(wǎng)核心網(wǎng)增強方案

對此，可考慮的方案是，在通過運營商中心網(wǎng)絡(luò)5G控制面網(wǎng)元提供園區(qū)用戶信令面處理功能的同時，在園區(qū)本地部署應(yīng)急控制面AMF/SMF/UDM 網(wǎng)元功能，且中心網(wǎng)絡(luò)UDM 定期將用戶簽約數(shù)據(jù)同步給園區(qū)UDM，如圖3所示。

當(dāng)企業(yè)園區(qū)與中心網(wǎng)絡(luò)的傳輸未中斷時，用戶通過中心網(wǎng)絡(luò)的AMF/SMF/UDM 鑒權(quán)接入，中心網(wǎng)絡(luò)的UDM基于切片、DNN 或IMSI 號段定期導(dǎo)出園區(qū)用戶數(shù)據(jù)文件并上傳至外置的SFTP 服務(wù)器，園區(qū)UDM 主動從SFTP服務(wù)器下載對應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)文件并加載生效。

當(dāng)企業(yè)園區(qū)與中心網(wǎng)絡(luò)的傳輸中斷時，對于新開機用戶，終端接入時，園區(qū)5G 基站選擇園區(qū)應(yīng)急AMF、SMF接入，其業(yè)務(wù)無影響。對于當(dāng)前出于連接態(tài)的在線業(yè)務(wù)用戶而言，園區(qū)5G 基站保持連接態(tài)，中心網(wǎng)絡(luò)的AMF 和SMF 以及園區(qū)UPF 均保持用戶連接態(tài)，業(yè)務(wù)也無影響。而對于已注冊但因終端移動或其他原因而觸發(fā)信令交互的用戶，園區(qū)5G 基站將選擇應(yīng)急AMF 處理，AMF 引導(dǎo)用戶重新注冊，業(yè)務(wù)快速恢復(fù)。

由上述分析可知，通過在園區(qū)本地部署應(yīng)急AMF/SMF/UDM，能夠有效應(yīng)對N4 或N2/N4 斷鏈的問題。不難推導(dǎo)，為保障園區(qū)用戶業(yè)務(wù)進一步的可用性，可以在企業(yè)園區(qū)同時部署兩套應(yīng)急AMF/SMF/UDM 和兩套UPF。兩套AMF/SMF/UDM 可以設(shè)置為負(fù)荷分擔(dān)的模式，而兩套UPF 可以按需設(shè)置為負(fù)荷分擔(dān)模式或者主備冗余模式。

4 5G 高可用專網(wǎng)方案選擇

根據(jù)前述關(guān)于終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的增強設(shè)計，可以組合出多種5G端到端組網(wǎng)方案。在實際應(yīng)用時，應(yīng)遵循差異化原則，針對不同企業(yè)園區(qū)提供差異化的高可用組網(wǎng)設(shè)計，為用戶提供合適的方案。具體有以下原則可供部署時參考。

其一，組網(wǎng)設(shè)計應(yīng)充分考慮成本制約因素以及基于場景的容災(zāi)保障范圍。

以BBU 基帶板熱備份為例，假設(shè)基帶板可用度為B，考慮到實際上保護倒換動作不可能100%成功，設(shè)定基帶板倒換成功率為Sw，則1+1 基帶板間主備備份系統(tǒng)的可用度應(yīng)為主用基帶板可用概率與主用基帶板失效轉(zhuǎn)換到備用基帶板的可用概率之和，即有

從性能角度而言，隨著基帶板冗余度的提升，可用性相應(yīng)提高。但從成本角度看，支持6 小區(qū)的基帶板單價約占BBU（含機框、安裝套件、主控板、基帶板、回傳光模塊、時鐘套件、載波軟件包等關(guān)鍵部件）整體單價的30% 至40%。如果在整個企業(yè)園區(qū)批量應(yīng)用基帶板主備方案，將給運營商或用戶帶來明顯的成本攀升壓力。在成本制約的前提下，建議優(yōu)先考慮針對覆蓋關(guān)鍵產(chǎn)線區(qū)域的5G 基站實施冗余備份方案，而非針對全園區(qū)基站。

其二，應(yīng)綜合考慮整體部署并分解可用性指標(biāo)到5G專網(wǎng)的各組成部分。在端到端可用性已達(dá)一定程度（例如99.99%）時，針對局部的增強設(shè)計可能對端到端可用性的提升作用不明顯。

其三，在組網(wǎng)設(shè)計時，將端到端網(wǎng)絡(luò)可用性的提升程度轉(zhuǎn)化為對于因業(yè)務(wù)中斷導(dǎo)致的經(jīng)濟損失的止損能力，對于企業(yè)用戶而言更加可感知。

5 結(jié)束語

工業(yè)控制等業(yè)務(wù)場景對時延、抖動和可用性的要求極其嚴(yán)苛。在為這類場景的企業(yè)定制5G 專網(wǎng)時需重點考慮網(wǎng)絡(luò)高可用性的實現(xiàn)。本文討論了5G 高可用專網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)計及方案的選擇原則。在實際應(yīng)用中，為了進一步提升5G 專網(wǎng)的可用性，除了通過冗余組網(wǎng)設(shè)計使得系統(tǒng)即使發(fā)生故障其功能也不受影響外，還需通過簡化硬件設(shè)計、提升生產(chǎn)工藝等方法降低5G 系統(tǒng)軟硬件的故障率，以及通過故障檢測、診斷、隔離和恢復(fù)機制來實現(xiàn)因5G 系統(tǒng)故障導(dǎo)致功能受損時能夠快速恢復(fù)。