5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)健壯性增強(qiáng)方案研究

張欣，朱曉林，滕佳欣，劉凡棟（.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033；.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的IP 化和云化演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)故障的影響范圍擴(kuò)大。當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，故障點(diǎn)可能對大量用戶業(yè)務(wù)形成“堰塞湖”效應(yīng)，并在故障解除時(shí)觸發(fā)瞬間的信令沖擊。為了降低網(wǎng)絡(luò)故障的影響、減少信令風(fēng)暴的產(chǎn)生，需進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)元功能，提升網(wǎng)絡(luò)健壯性。本文主要對AMF 主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能和5GC免UDM慣性運(yùn)行功能進(jìn)行研究，提出5GC網(wǎng)元功能增強(qiáng)方案。

1 網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)解決方案

1.1 AMF主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能

AMF 主備網(wǎng)元之間保持用戶動態(tài)數(shù)據(jù)的同步，發(fā)生主備倒換后，備用網(wǎng)元有用戶動態(tài)數(shù)據(jù)，用戶無需重新注冊，無注冊浪涌信令，減少對各網(wǎng)元的信令沖擊。

正常工作狀態(tài)，AMF 將用戶上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)同時(shí)保存到其備份AMF 中。當(dāng)AMF 故障后，周邊網(wǎng)元把用戶消息發(fā)送給備份AMF，備份AMF查詢用戶上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)，繼續(xù)處理用戶業(yè)務(wù)流程，從而保障了業(yè)務(wù)連續(xù)性。同時(shí)，由于UE 不用重新注冊就能使業(yè)務(wù)繼續(xù)，無注冊浪涌信令，減少了對各網(wǎng)元的信令沖擊。

周邊網(wǎng)元發(fā)送至AMF 的消息包括從RAN 發(fā)起和其他5GC 網(wǎng)元發(fā)起2 類，其中RAN 側(cè)主動發(fā)起的業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 RAN主動發(fā)起的業(yè)務(wù)流程

a）為AMF1（原AMF）配置備份的AMF2（備份AMF），AMF1 將Served GUAMI 以及Backup AMF 信息下發(fā)給gNodeB。AMF2 通過NF 注冊流程將其備份的GUAMI保存到NRF中，供其他NF獲取。

b）用戶接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行業(yè)務(wù)流程處理。AMF1在業(yè)務(wù)處理流程中，將用戶上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)同步到AMF2中，AMF2保存同步數(shù)據(jù)。

c）當(dāng)AMF1 發(fā)生故障時(shí)，UE 發(fā)起業(yè)務(wù)請求，gNodeB 發(fā)送消息無響應(yīng)，gNodeB 識別并判定AMF1 故障，將用戶的請求消息發(fā)送給AMF2。AMF2 接收用戶請求后，判斷其原為AMF1所處理的用戶，從保存數(shù)據(jù)中獲取用戶上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)，并繼續(xù)處理此用戶的相關(guān)業(yè)務(wù)流程。AMF2 為用戶重新分配5G-GUTI，向gNodeB 發(fā)送更新5G-GUTI 及AMF UE NGAP ID 的消息，后續(xù)此用戶業(yè)務(wù)由AMF2 進(jìn)行處理。AMF2 與其他NF交互，其他NF 接收消息后，識別AMF1 故障，后續(xù)與AMF2交互處理此用戶相關(guān)業(yè)務(wù)流程。

d）后續(xù)此UE的業(yè)務(wù)將在AMF2正常處理。

周邊5GC網(wǎng)元主動發(fā)起的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 周邊5GC網(wǎng)元主動發(fā)起的業(yè)務(wù)流程

a）正常業(yè)務(wù)處理流程中，UE1 用戶的業(yè)務(wù)由AMF1處理。業(yè)務(wù)流程處理完畢，AMF1將用戶上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)同步到為其備份的AMF2中，AMF2保存同步數(shù)據(jù)。

b）當(dāng)AMF1 發(fā)生故障時(shí)，無法正常向NRF 發(fā)送Heartbeat 保活機(jī)制的更新消息，NRF 識別并判定AMF1 故障。NRF向訂閱了 原AMF 狀態(tài) 的NF 發(fā)送狀態(tài)變更通知消息（原AMF故障）。周邊NF如SMF、PCF等在本地沒有備份AMF信息的情況下，可向NRF執(zhí)行AMF發(fā)現(xiàn)流程，用于獲取原AMF的備份AMF信息。

c）周邊NF 如SMF、PCF 等在需要主動發(fā)起業(yè)務(wù)流程的情況下，選擇故障AMF1（即原AMF）的備份AMF（AMF2），將業(yè)務(wù)消息發(fā)送給AMF2。AMF2 接收業(yè)務(wù)消息后，判斷其原為AMF1所處理的用戶，從保存的數(shù)據(jù)中獲取UE1 用戶上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)，并繼續(xù)處理此用戶的相關(guān)業(yè)務(wù)流程。AMF2 為用戶重新分配5GGUTI，向gNodeB 發(fā)送消息更新5G-GUTI 及AMF UE NGAP ID 的消息，后續(xù)此用戶業(yè)務(wù)由AMF2 進(jìn)行處理。AMF2 與其他NF（如PCF）交互，繼續(xù)處理此用戶業(yè)務(wù)流程。其他NF 接收消息后，識別AMF1 故障，后續(xù)與AMF2 交互處理此用戶相關(guān)業(yè)務(wù)流程。AMF2 與UDM交互，通知AMF2 成為此用戶的服務(wù)AMF，UDM 保存相關(guān)信息，同時(shí)與備份AMF 交互處理此用戶相關(guān)業(yè)務(wù)流程。

d）后續(xù)UE1的業(yè)務(wù)由AMF2進(jìn)行處理。

1.2 5GC免UDM慣性運(yùn)行功能

5GC 免UDM 慣性運(yùn)行功能主要針對AMF 和SMF網(wǎng)元，包含4個(gè)部分，即故障檢測、故障后處理、故障恢復(fù)檢測、故障恢復(fù)處理。

1.2.1 故障檢測

AMF、SMF 支持如下方式檢測UDM 是否故障：基于NRF 狀態(tài)通知、本地NF 狀態(tài)檢測、基于響應(yīng)狀態(tài)碼和錯誤碼。

1.2.1.1 基于NRF狀態(tài)通知

基于NRF 狀態(tài)通知適用于直連組網(wǎng)、SCP C 組網(wǎng)模式。如圖3 所示，AMF、SMF 向NRF 訂閱UDM 狀態(tài)變更通知，當(dāng)NRF 檢測到UDM 狀態(tài)由正常狀態(tài)變換為故障狀態(tài)后，觸發(fā)NF 狀態(tài)通知，告知AMF、SMF 新的UDM 狀態(tài)。AMF、SMF 故障檢測機(jī)制相同，以AMF為例進(jìn)行說明，流程如下：

圖3 基于NRF狀態(tài)通知

步驟1：AMF 向NRF 發(fā)送訂閱請求Nnrf_NFManagement_NFStatusSubscribe Request，攜帶需要訂閱的UDM。

步驟2：NRF 保存訂閱信息，并返回響應(yīng)Nnrf_NFManagement_NFStatusSubscribe Response。

步驟3：NRF 檢測到UDM 狀態(tài)變?yōu)楣收蠎B(tài)，比如通過本地NF檢測。

步驟4：NRF 觸發(fā)NF 狀態(tài)通知NnrfNF_Management_NFStatusNotify給AMF，攜帶UDM最新狀態(tài)。

1.2.1.2 本地NF狀態(tài)檢測

本地NF 狀態(tài)檢測僅適用于直連組網(wǎng)模式。通過定時(shí)向目標(biāo)NF 發(fā)起HTTP PING 檢測消息，以確認(rèn)目標(biāo)NF是否正常，如圖4所示。

圖4 本地NF狀態(tài)檢測

步驟1：AMF定時(shí)向UDM觸發(fā)HTTP PING檢測。

步驟2：AMF 等待HTTP PING 響應(yīng)超時(shí)次數(shù)超過門限，判定UDM 故障，將對應(yīng)UDM 加入到故障列表中。

1.2.1.3 基于響應(yīng)狀態(tài)碼和錯誤碼

基于響應(yīng)狀態(tài)碼和錯誤碼適用于SCP D 組網(wǎng)模式。如圖5 所示，AMF 基于SCP/UDM 返回響應(yīng)的HTTP 狀態(tài)碼以及應(yīng)用錯誤碼，判斷UDM 是否故障。UDM bypass 是一個(gè)定制功能，為了防止該功能對原有功能產(chǎn)生影響，建議SCP 檢測到UDM 故障時(shí)，返回狀態(tài)碼502以及應(yīng)用錯誤碼bypass。其中，bypass為自定義的應(yīng)用錯誤碼。流程如下：

圖5 基于響應(yīng)狀態(tài)碼與應(yīng)用錯誤碼圖

步驟1：SCP 通過本地狀態(tài)檢測或者NRF 狀態(tài)通知，檢測到UDM已經(jīng)故障。

步驟2：AMF 收到用戶業(yè)務(wù)且需要和UDM 交互，比如向UDM 請求簽約數(shù)據(jù)，則發(fā)送用戶業(yè)務(wù)請求消息給SCP。

步驟3：SCP 根據(jù)本地已保存的UDM 狀態(tài)信息，判定用戶歸屬的UDM 已全部故障，則回復(fù)用戶業(yè)務(wù)失敗響應(yīng)，攜帶已經(jīng)規(guī)劃的指示UDM 全故障的狀態(tài)碼或應(yīng)用層錯誤碼。AMF 收到該失敗響應(yīng)后，判斷用戶歸屬的UDM故障。

1.2.2 故障后處理

如圖6 所示，AMF、SMF 檢測到UDM 故障，則啟用本地緩存的用戶簽約數(shù)據(jù)或本地配置的簽約數(shù)據(jù)，跳過UDM 注冊、訂閱以及請求簽約數(shù)據(jù)過程，繼續(xù)用戶當(dāng)前信令業(yè)務(wù)，觸發(fā)用戶進(jìn)入bypass 狀態(tài)。AMF、SMF故障后處理機(jī)制相同，以AMF 為例進(jìn)行說明，流程如下：

圖6 故障后處理流程圖

步驟1：UE 觸發(fā)業(yè)務(wù)請求，比如用戶從4G 移動到5G，或者從其他AMF 回到本AMF，或者本局重新初始注冊等。

步驟2：AMF 已通過本地NF 檢測、NRF 狀態(tài)通知等方式，檢測到用戶歸屬的UDM全部故障。

步驟3：若AMF 根據(jù)步驟2 判斷用戶歸屬UDM 全部故障后，觸發(fā)用戶進(jìn)入bypass 狀態(tài)，跳過用戶鑒權(quán)、UDM注冊、UDM訂閱、向UDM請求簽約數(shù)據(jù)。若AMF本地未緩存用戶簽約數(shù)據(jù)，則啟用本地配置的簽約數(shù)據(jù)。

步驟4：用戶信令業(yè)務(wù)繼續(xù)，給UE回復(fù)成功響應(yīng)。

1.2.3 故障恢復(fù)檢測

AMF、SMF 支持3 種方式檢測UDM 是否故障恢復(fù)：基于NRF 狀態(tài)通知、本地NF 狀態(tài)檢測、基于響應(yīng)狀態(tài)碼和錯誤碼。

1.2.3.1 基于NRF狀態(tài)通知

如圖7 所示，AMF、SMF 向NRF 訂閱UDM 狀態(tài)變更通知，當(dāng)NRF 檢測到UDM 狀態(tài)由正常狀態(tài)變換為故障狀態(tài)后，觸發(fā)NF 狀態(tài)通知，告知AMF、SMF 新的UDM 狀態(tài)。AMF、SMF 故障恢復(fù)檢測機(jī)制相同，以AMF為例進(jìn)行說明，流程如下：

圖7 基于NRF狀態(tài)通知

步驟1：AMF 已經(jīng)檢測到UDM 故障，且AMF 已經(jīng)向NRF訂閱了UDM狀態(tài)。

步驟2：UDM從故障狀態(tài)恢復(fù)為正常狀態(tài)。

步驟3：NRF通過本地NF檢測或者UDM主動觸發(fā)更新流程，判定UDM已經(jīng)從故障態(tài)恢復(fù)為正常狀態(tài)。

步驟4：NRF 觸發(fā)NF 狀態(tài)通知NnrfNF_Management_NFStatusNotify給AMF，攜帶UDM最新狀態(tài)。

1.2.3.2 本地NF狀態(tài)檢測

如圖8 所示，通過定時(shí)向檢測到的故障NF 發(fā)起HTTP PING 檢測消息，以確認(rèn)目標(biāo)NF 是否正常。本地NF狀態(tài)檢測流程如下。

圖8 本地NF狀態(tài)檢測

步驟1：UDM已經(jīng)從故障態(tài)恢復(fù)。

步驟2：AMF 定時(shí)向檢測到的故障UDM 觸發(fā)HTTP PING REQUEST。

步驟3：UDM 回復(fù)響應(yīng)HTTP PING RESPONSE。AMF 判定UDM 已經(jīng)恢復(fù)，從NF 故障列表中將對應(yīng)UDM移除。

1.2.3.3 基于響應(yīng)狀態(tài)碼和錯誤碼

如圖9所示，AMF基于SCP返回響應(yīng)的HTTP狀態(tài)碼以及應(yīng)用錯誤碼，判斷UDM是否恢復(fù)。流程如下：

圖9 基于響應(yīng)狀態(tài)碼和錯誤碼

步驟1：UDM已經(jīng)從故障態(tài)恢復(fù)。

步驟2：SCP已通過故障檢測機(jī)制，比如本地NF檢測機(jī)制，檢測到UDM已經(jīng)恢復(fù)。

步驟3：AMF 定時(shí)掃描bypass 狀態(tài)用戶，觸發(fā)用戶級檢測請求消息，該請求消息經(jīng)過SCP轉(zhuǎn)發(fā)給UDM。

步驟4：UDM 回復(fù)響應(yīng)消息，經(jīng)過SCP 轉(zhuǎn)發(fā)給AMF。若為成功響應(yīng)，或者雖然為失敗響應(yīng)但消息中未攜帶指示UDM 故障的狀態(tài)碼以及應(yīng)用層錯誤碼，則AMF判定用戶歸屬的UDM已經(jīng)恢復(fù)。

1.2.4 故障恢復(fù)處理

AMF 定時(shí)掃描bypass 狀態(tài)用戶，通過故障恢復(fù)檢測機(jī)制，判定UDM 已經(jīng)恢復(fù)后，觸發(fā)用戶下線并重新注冊。在用戶重新注冊時(shí)，恢復(fù)用戶鑒權(quán)以及和UDM交互過程。故障恢復(fù)處理流程如圖10所示。

圖10 故障恢復(fù)處理流程圖

步驟1：AMF定時(shí)掃描bypass用戶。

步驟2：AMF通過故障恢復(fù)檢測機(jī)制，比如NRF狀態(tài)通知、本地NF 通知或者用戶級檢測消息，判定UDM已經(jīng)恢復(fù)。

步驟3：AMF 觸發(fā)用戶下線，下發(fā)Deregistration Request，攜帶re-registration required，請求用戶重新注冊。若用戶處于空閑態(tài)，需要先觸發(fā)用戶尋呼。

步驟4：UE 觸發(fā)注冊過程，發(fā)送Registration Request給AMF。

步驟5：AMF 根據(jù)本地策略判定需要鑒權(quán)用戶，則觸發(fā)鑒權(quán)過程。

步驟6：AMF 判斷用戶為bypass 用戶，則觸發(fā)向UDM注冊過程。

步驟7：AMF 判斷bypass 用戶且用戶簽約數(shù)據(jù)為本地配置的簽約數(shù)據(jù)，則觸發(fā)向UDM 請求用戶簽約數(shù)據(jù)。

步驟8：AMF 判斷用戶為bypass 用戶，則觸發(fā)向UDM訂閱用戶簽約數(shù)據(jù)變更。

步驟9：AMF 將用戶退出bypass 狀態(tài)，繼續(xù)用戶注冊流程。

2 測試驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，組織5G核心網(wǎng)主設(shè)備廠家基于實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)功能測試。

2.1 AMF主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能測試

2.1.1 測試內(nèi)容

如表1 所示，針對AMF 主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能測試，設(shè)計(jì)了4個(gè)測試用例。

表1 AMF主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能測試表

2.1.2 測試結(jié)果

AMF 主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能測試情況如表2所示。

表2 AMF主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能測試結(jié)果表

2.2 5GC免UDM慣性運(yùn)行功能測試

2.2.1 測試內(nèi)容

如表3 所示，針對5GC 免UDM 慣性運(yùn)行功能測試，設(shè)計(jì)了10個(gè)測試用例。

表3 5GC免UDM慣性運(yùn)行功能測試表

2.2.2 測試結(jié)果

測試情況如表4所示。

表4 5GC免UDM慣性運(yùn)行功能測試結(jié)果表

因測試環(huán)境原因，2個(gè)廠家都未進(jìn)行用例4、用例7測試。因A 廠家AMF、SMF 目前暫不支持手動進(jìn)入U(xiǎn)DM bypass狀態(tài)，暫未測試用例9。

2.3 測試結(jié)論總結(jié)和局限性說明

通過實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證，基本驗(yàn)證了AMF 主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備功能和5GC 免UDM 慣性運(yùn)行功能的有效性和可行性，為進(jìn)一步開展現(xiàn)網(wǎng)測試驗(yàn)證提供了參考依據(jù)。但受限于測試環(huán)境和測試版本，部分測試用例未完成測試，且異廠家的兼容性測試未進(jìn)行，有待進(jìn)一步測試驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

面對網(wǎng)絡(luò)故障或業(yè)務(wù)異常導(dǎo)致的信令風(fēng)暴，通過引入AMF 主備網(wǎng)元用戶動態(tài)數(shù)據(jù)熱備、5GC 免UDM慣性運(yùn)行等功能，可進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)保障能力，規(guī)避用戶大量下線、業(yè)務(wù)中斷導(dǎo)致的信令風(fēng)暴，降低信令風(fēng)暴對網(wǎng)絡(luò)的沖擊，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的健壯性。