王永岗，石 波，王 芳，周宏伟，柴金川
2020 年，国铁集团在《国铁集团关于加快推进5G 技术铁路应用发展的实施意见》（铁发改［2020］144 号）中明确将铁路5G 专网（5G-R）作为铁路下一代移动通信发展制式，加快5G-R 技术攻关，为推动新时代铁路高质量发展提供有力支撑［1］。我国铁路通信技术发展路线与国际铁路联盟（UIC）一致，遵从国际标准化技术体系［2］，充分利用标准化技术和产业支撑条件，基于第三代合作伙伴计划（3GPP）规范的公网通用架构，结合铁路应用特点，增加铁路特定功能需要的网元，形成5G-R 系统架构，聚焦关键业务和应用［3］，实现承载无线调度通信、列车运行控制、行车指挥等应用业务。5G-R 系统包括核心网、无线接入网、用户设备、应用接口/接入管理设备和运营与支撑系统。其中，核心网为用户提供网络连接、对用户进行管理、实现业务承载，并提供到应用系统的接口。5GC 是核心网中重要的网元，是实现业务的关键，围绕铁路实际应用和场景，开展5GC 组网技术和部署方案的研究十分必要，可为网络规划、工程建设提供参考。
5G-R 核心网包括5GC、MC（宽带集群通信）设备、DNS（域名服务器）、RADIUS（远端拨入用户验证服务）、5G-EIR（5G 设备识别寄存器）、5G-IN（5G智能网）、一级NRF（网络存储功能）、一级SCP（服务通信代理）等［4］。其中，5GC 包括接入和移动管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）、统一数据管理（UDM）、认证服务器功能（AUSF）、短消息服务功能（SMSF）、网络切片选择功能（NSSF）、计费功能（CHF）、用户面功能（UPF）、二级NRF、二级SCP 等。5GC 基于服务化架构，支持网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN），具有网络接入控制、注册和连接管理、移动性管理、会话管理、用户面管理、数据管理等功能。5GC 构成［5］见图1，其中虚线框内为5GC 网元，虚线框外为无线接入网、用户设备等。
图1 5GC构成
按照网元的类型，可采用的容灾方式主要包括：①NRF 等互联互通类网元，可采用主备或负荷分担容灾方式；
②AMF、SMF、UPF 等接入管理类网元，可采用池组POOL 负荷分担容灾方式；
③PCF、UDM/AUSF 等存储类网元，可采用主备方式或者负荷分担容灾方式，要求数据实时同步。
目前，5G-R 核心网包括全路共用核心网设备和局核心网设备，根据业务需求规划边缘计算节点。根据5G-R 系统技术特点和铁路业务需求，借鉴GSM-R建网经验，总结5GC组网原则如下。
1）5GC 组网应以铁路局集团公司为单位进行集中部署，就近与无线调度通信、CTCS-3级列控等系统互联，与运输生产组织架构相适应，满足维护界面清晰、应急响应快、处置高效等需求。特殊情况下，可下沉设置网元，以符合业务要求。
2）由于5GC 服务范围广，若发生故障，影响范围大，同时考虑到网元升级、无线接入，以及高速、普速铁路运维方式不同，5GC 各网元在虚拟机、服务器、网元级、DC（数据中心）级等方面均应采取容灾备份机制，保证系统的可靠性、可用性和可维护性。
3）5GC 组网和部署方案应充分考虑列车跨局、跨线运行等应用场景和需求，确保车地信息交互安全可靠、高效畅通，保证业务的连续性、安全性，并应实现GSM-R 既有业务的无缝迁移，保证系统之间平稳过渡。
3.1 数据中心部署方案
按照网络规划，在铁路局同城异地部署2 个DC 站点（机房），实现信息集中存储和处理。在DC 内搭建虚拟化云平台，满足各应用业务的资源需求。
5G-R 核心网包括全路共用设备和局核心网设备，建议采用“2 地4 中心，18 个铁路局”的组网架构。其中，5G-EIR、5G-IN 等设备全网共用，部署在2 个城市4 个机房节点，实现地理容灾；
局核心网设备（包括5GC、MC、DNS、RADIUS等）下沉在铁路局部署，2 个DC 内部的局核心网设备软件、版本、容量和处理能力相同，形成同城异地容灾备份。
5GC 原生支持NFV、AMF 等网元部署，并运行在虚拟化平台上。DNS、RADIVS 等核心网其他网元也均可部署在云平台上。5GC 通过承载网与全路核心网共用设备，与其他铁路局5GC 互联，实现跨局业务转接和处理。全网DC 规划部署架构见图2。
图2 全网DC规划部署架构
各铁路局DC 内分层组网架构见图3，自下往上分别为接入层、核心层和出口层［6］。
图3 DC内分层组网架构
1）接入层：按照网管、业务、存储流量相互隔离且互不影响的原则，部署各种接入交换机，分别接入业务、管理服务器和存储设备，避免因网管流量异常引起业务受损或业务相关网元故障，导致网管无法监控网元而影响运维。
网络功能（NF）应采用虚拟机冗余部署方式。承载同一功能的虚拟机、容器、物理主机等具备冗余备份机制，任意虚拟机故障，均能快速切换，保证7×24 h 不间断运行，不同虚拟机之间的倒换时间为秒级（含故障检测和倒换时间）。同时，NF采用反亲和部署，承载同一功能的虚拟机部署在不同物理主机上，提高系统的可靠性。
2）核心层：部署汇聚交换机，汇聚接入层交换机业务，对外与数据网接入路由器互联，实现内部与外部（核心网共用设备、本局异地DC 核心网设备、其他局核心网设备）的信息交互。
3）出口层：部署接入路由器，与外部承载网互联，保证DC 内部网络高速访问外部网络，并对DC内网和外网的路由信息进行转换和维护。
3.2 5GC云平台部署方案
3.2.1云平台架构
5GC 采用NFV 技术，基于ETSI（欧洲电信标准化组织）NFV 架构，通过虚拟化和云化技术，在通用服务器上实现专用网络硬件的功能，目标是实现软硬件解耦、快速部署和开放业务，增强系统的灵活性。ETSI NFV 标准架构见图4。
图4 ETSI NFV标准架构
由于5GC 承载多种应用业务，对云平台要求较高，且考虑到5GC 与网管系统密切相关，需要实时调用网元和虚拟资源服务，因此，5GC 及网管系统宜部署在同一个云平台上。然而，5GC 及网管系统与运营支撑系统、其他信息化系统是不同属性的基础设施，在服务对象、应用场景、功能需求、服务质量、可靠性、管理方式上有所不同，如果通过同一个云平台部署，难以满足各自业务的性能要求，导致维护管理复杂，管理难度增大。为了保障各系统性能，同时便于维护管理，建议采用单独的通信云平台部署5GC。5GC 云平台部署［7］框架见图5。
图5 5G云平台部署框架示意
3.2.2建设方式
5GC 云平台建设可采用单厂家集成、二层解耦、三层解耦3种方案。
1）单厂家集成方案由单厂家提供所有软件和硬件。
2）二层解耦方案实现软硬件分离。厂家1 提供底层硬件基础设施；
厂家2 集成底层基础设施资源、虚拟网络和编排管理等功能。
3）三层解耦方案实现软硬件和应用层分离。厂家1 提供底层硬件基础设施；
厂家2 提供底层基础设施资源；
厂家3 提供上层网元和编排管理等功能。
三层解耦方案有利于构建多厂家广泛参与的“开源+标准”新型统一NFV 生态，但也存在多厂家、多接口、多功能协调的挑战。考虑到核心网在系统中是系统级网络功能，网管系统与5GC 网元关联密切，其设备集成度要求较高，为了保证整体性能，建网初期，5GC 可采用单厂家集成方案；
随着NFV 不断成熟完善，后续可考虑为VNF 开发VNFM 功能和调用接口，分阶段实现三层解耦。
3.3 5GC容灾备份组网方案
3.3.1NF容灾备份组网方案
根据NF 功能与特点，建议容灾备份方式见表1。
表1 NF容灾备份方式
以AMF为例，容灾备份流程说明如下。
1）正常情况下，所有业务由池组内的AMF共同承担，UE（用户设备）注册、切换或者发起业务请求时，按照负荷分担的原则，选择池组内的1个AMF提供服务。
AMF 支持与基站建立SCTP（流控制传输协议）关联，采用Echo 报文进行心跳检测，基站通过心跳和心跳响应消息，周期性地探测SCTP两端的健康状态。根据需要在AMF 上配置心跳周期和次数。AMF 定期向NRF 发送心跳信息，NRF 收到后回复心跳响应消息。
2）当池组内某个AMF 发生故障后，NRF 在设定的检测时长内未收到AMF 发送的心跳信息，则判断AMF 故障，NRF 向订阅AMF 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AMF 故障通知，对端NF 或SCP 收到消息后更新所存储的AMF 状态信息。在AMF 初始注册时，由NRF 在“注册成功响应”消息中通知AMF设定的检测时长。
3）NRF判断AMF故障后，已在AMF注册的原UE，可通过备用AMF 从数据备份节点或网元中获取用户上下文信息，继续处理业务。新发起的业务，由对端NF 或SCP 自动选择AMF 池组内其他可用的AMF提供服务。
gNB（基站）和位置服务设备探测到AMF 故障后，在发起新业务时，自动选择池组内其他可用的AMF提供服务。
4）AMF故障消除后，通过人工方式恢复工作状态。
针对NF容灾备份方式，需要说明的是：
对于AMF、SMF、UPF，不存储用户数据，只存储用户上下文信息，可采用池组负荷分担方式。当SMF 故障时，AMF 通过NRF 感知SMF 故障，通知UE 注销，并在原因值中指示UE“需要重新注册”，UE释放PDU（协议数据单元）会话，重新建立此前的所有PDU 会话［8］。UPF 发生故障后，SMF 感知UPF 故障，通知当前所有PDU 会话相关实体（PCF、gNB、RADIUS）释放资源（包括已分配的IP 地址/前缀），并在PDU 会话释放原因值中指示UE 重新建立PDU 会话，恢复业务［9］。
对于UDM/AUSF、PCF、SMSF 等网元，采用主备工作方式，主用优先级高，备用优先级低。正常情况下，主用NF 对外提供服务，备用NF 热备，主、备用NF 保持实时数据同步。主用NF 故障后，NRF 检测并判断NF 故障，NRF 和对端NF自动选择备用NF 提供服务，保证后续业务不受影响。
3.3.2二级NRF容灾备份组网方案
NRF 采用分级部署方式，一级NRF 负责跨局服务查询等，二级NRF 负责对本局NF 进行管理，并具备服务发现功能（类似DNS功能）。
NF 上线后，向NRF 发起注册流程，NF 实例向NRF 注册其支持的NF 服务列表；
NF 注册成功后，NRF 回复响应消息。NF 在收到NRF 响应消息后，缓存收到的目标NF 信息内容，并设置有效时间。当有效时间过期后，NF应发起新的NRF查询。当NF 以可控的方式即将关闭或断开网络时，可以从NRF中注销NF实例。
NF 注册成功后，定期向NRF 上报心跳信息，如果NRF 在检测时长内未收到NF 心跳信息，则判定对端NF 故障，并将NF 状态设置为“不可用”，下次不再选择；
等待对端NF 状态恢复后，将对端NF 状态设置为“可用”，进行业务选择时可选择该NF。
NRF 容灾备份可采用主备或负荷分担方式，比选情况见表2。
表2 NRF容灾备份方式比选
基于上述分析，建议二级NRF 采用主备冗余备份方式。3GPP R16 版本引入了SCP，NF 之间采用C 模式交互时，服务消费者NF_A 通过NRF查询服务提供者NF_B 的信息。查询后，NF 之间可以直接交互，也可通过SCP 转发路由控制平面消息；
采用D模式进行交互时，NF_A通过SCP向NRF 发起查询，然后由SCP 直接负责将信令消息发送至服务提供者NF_B。
铁路5G-R 应统筹考虑业务需求，充分利用有限频率资源，结合铁路实际应用、场景和运维需要，规划部署5GC，并与其他设备、应用系统互联，提供各种应用业务，实现5G 先进技术与铁路业务的深度融合，赋能赋智铁路行业，持续提升铁路移动通信系统在保障行车安全、服务经营管理、提高运输效率等方面的服务能力。
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