5G TOB高可用边缘网关方案在智慧煤矿中的容灾探究

成晓东

【摘要】    当前5G正以其独特的技术优势，赋能千行百业，成为行业数字化的关键生产力，数字经济的新引擎。高可靠性边缘网管容灾方案有效的解决了5G核心网异常断网的问题，实现了控制面全故障或断连时边缘用户面惯性运行，连接态非移动性业务仍可持续运行，连接态移动性业务短暂中断后重新注册恢复，新用户可以正常接入，故障恢复后，所有业务可平滑恢复到故障前状态。端到端的高效、优质、安全成为了企业使用5G网络的基础。

【关键词】    5G TOB    智慧煤矿    风筝方案

一、概述

在5G ToB网络建设中，低时延、企业数据不出园区、小型化核心网、大网中断业务不中断等是企业一致的诉求，因此网络安全可靠，尤为重要。当前5G核心网采用大区划建设方案，以山西为例，节点信令面对接华北大区和东北大区，转发面UPF下沉省内。地市级别的部署位置相对最高，机房条件最好，主要面向时延不敏感的部分业务，比如：高清视频、VR视频等。园区级别一般部署在企业园区，通过分布式边缘计算（MEC）将网络能力下沉到边缘行业内部，实现低时延、大带宽、边缘计算的应用在本地闭环同时兼顾数据不出园区且高可靠的业务诉求[1]，比如：工业互联网场景下的园区监控，工业视觉检测、工业控制等。

二、目前针对园区组网方案

企业部署入驻式MEC，内部终端访问园区和公网业务，通过代理提供internet出口，企业终端签约专用DNN，在园区内通过边缘UPF访问园区，边缘UPF不提供公网接入。UPF N6通过专线方式接入园区网络，N6专线可通过OTN/SPN提供;企业园区internet接入可以通过PON网络提供互联网专线，或通过OTN/SPN提供高价值互联网专线;如果园区外限制用户访问园区，需要在PCF签约区域控制[2]。

MEC是为了满足云应用在本地闭环、移动网络分布式下沉以及终端算力上收，所形成的连接+计算的融合汇聚节点。MEC所处的位置由时延体验、物理基础设施等相关因素共同决定，5G接入技术实现更高的带宽，边缘UPF支持本地分流实现更低的时延、边缘UPF通过MEP集成APP实现第三方APP的灵活快速部署[3]。

从网络功能的划分来看，MEC在5G网络中处于本地用户面位置，是部署于边缘位置的UPF和本地数据网（DN）以及AF组成的联合解决方案。

当前的网络部署在一系列的技术和设备规范保障下网络已达到电信级安全。但在极端场景下，如果控制面與转发面之间的传输链路（N2/N4）中断时，园区业务将不能正常运行。由于园区到控制机房存在较远的路由特点，干线路由终端的问题时有发生;在5G已经深入煤矿的关键生产环节情况下，如何保障在大网中断的极端情况下，也能保证企业生产系统正常运行是亟需解决的一大难题。

三、高可用边缘网关部署

吕梁移动联合华为围绕最终客户诉求，创新性提出高可靠边缘网管方案——“风筝”解决方案。通过对MEC可靠性设计做了进一步增强，将部分控制面网元功能备份到园区本地，基于运营商5G网络，中心与边缘的容灾协同，公网专用，率先实现了极端场景下，关键生产系统的正常运行，使网络可靠性进一步增强。另外通过省中心运维管理面远程集中高效运维，同时依托于移动集团5G大网，具备后续5G网络新特性演进能力。 5GtoB公网专用风筝方案基于运营商5G网络公网专用，通过中心与边缘容灾协同，稳若磐石，敏如风筝，在园区入驻专网与中心网络失联时，能够自动切换到专网应急容灾控制面，大大提高了5G专网的可靠性，保障了企业生产系统的高可用性，此方案在鑫岩煤矿园区专网成功进行了测试验证。

3.1实现目的

高可靠，网断业不断：创新性地在园区部署应急控制面，与中心网络进行实时数据同步，在与中心网络连接中断以后，本地网络能够无缝接管业务，保证企业关键生产系统的正常运行。

高效率，网沉人不增：采用边缘一体化交付模式，即插即用，一键式部署，2小时开通，极大地提升了交付效率。

高安全，数据不出园区：同时提供S、M、L系列化规格，满足不同专网的不同诉求。S模式对应小号专网，多企业共享运营商的网络;M/L模式采用MEC入驻企业，数据不出园区，解决企业数据安全顾虑。

3.2组网方案说明

园区VNF包含边缘UPF和本地轻量化CP，轻量化CP包含Lite AMF， Lite SMF和Lite UDM。当前R3版本，边缘环境独立部署UEG、UNC（AMF、SMF合设）、UDM，R4版本UEG+（包含UEG、UNC、UDM融合部署）。

3.3高可用边缘网关网元功能介绍

UDM 用户数据：正常状态功能：实时同步用户签约/营帐，应急状态功能：支持本地签约数据查看，禁止修改，提供本地认证/接入。

AMF 用户移动性管理：正常状态：本地静默运行;支持强制迁移用户回大网;应急状态：大网失联情况下，支持基站选择本地AMF，本地AMF选择本地SMF，UDM进行业务注册。

SMF 用户会话管理功能： 正常状态：本地静默运行; 应急状态：本地AMF选择本地SMF，SMF选择UPF进行会话管理。

UPF 用户面管理功能：正常状态：标准UPF功能，支持本地业务/大网业务不同分流策略;应急状态：支持本地计费信息缓存（离线计费），用户惯性运行。

3.4公网专用高可用测试方案

组网配置组网关键点：

园区本地部署一套UPF和一套轻量化控制面（包含应急AMF、SMF、UDM;应急AMF/SMF只选择应急SMF/UDM）。

园区AMF设置和大网AMF相同的SET，不同AMF ID（仅为了让园区无线感知园区有可用AMF;园区AMF不注册到大网NRF，不影响大网）。大网AMF保持现有capacity配置（255），园区AMF配置capacity为0。

园区UDM：1. 手工配置UDM安全参数（K4，加密算法， OPC，C1-C5，R1-R5等）2为测试用户手工导入数据（用户KI，签约数据）。

测试采用独立DNN;大网SMF针对测试DNN，关闭计费，PCC策略。基站需要有多个，触发移动切换。

前置条件：园区UPF已经部署完成且运行正常;基站和大网核心网5G网络环境运行正常，用户在大网开户;终端可以正常激活;设置终端上传视频数据功能。

测试用例：园区与大网控制面中断、恢复

类型1.新开机用户，业务影响情况。

类型2.在线业务不中断的用户 。

类型3.连接态用户移动至基站切换后重新注册到园区控制面，业务正常。

测试结果：

在园区server上观测上传数据，断开园区与大网链路，模拟N2、N4断链故障，园区与大网链路恢复。

大网失联：业务容灾启动（业务无影响/快速恢复）。

类型1. 新开机用户（1.0->1.1）：gNB选择园区应急AMF接入，业务无影响。

类型2. 在线业务用户（连接态）（2.0）：园区gNB保持连接态;大网AMF， 大网SMF，园区UPF 保持用户连接态（惯性运行）。业务无影响。

类型3. 已注册的用户，发起信令（终端发起，移动引起切换）（3.0->3.1）：园区gNB选择Capacity Value=0的园区AMF处理，AMF引导用户重新注册，业务快速恢复。

大网失联恢复：大网失联恢复，业务容灾和回迁（业务无影响）。

类型1.新开机的用户（ 1.0-1.2 ）：选择大网2B AMF接入，业务无影响。

类型2.在线业务不中断的用户（2.0-2.1）：用户信令（GUTI为大网AMF），和大网AMF通信，业务无影响。

类型3.已接入园区AMF的用户（3.0-3.1）：用户的信令（GUTI）包含园区AMF的GUAMI，无线仍然选择园区AMF，业务无影响。

应急场景用户计费方案：惯性运行用户计费补报。

关闭N4接口故障时UPF主动去激活用户的开关，支持与N4断链后，已经上线的用户业务不受影响;大网断链后，UPF仍累计流量，记录在每个用户最后一张打开的话单中，不再产生中间话单;链路恢复之后，由UPF将缓存话单发送到大网SMF，最终转发到CHF，支持用户正常计费。

测试场景测试结果符合预期，即大网和园区间链路断开，已在线用户数据回传业务不中断，业务正常。

四、结束语

用户的业务体验提升是产品和方案不断追求努力的方向，也是吸引客户、留住客户、提升品牌价值的有效手段。从网络侧来看，端到端的业务访问时延越小，则业务体验越好，因此内容服务器下移部署，即把业务服务器尽可能的部署到靠近用户的位置，就可以縮短用户访问业务的时延，可以有效提升用户的业务体验。另外网络的运行安全和容灾能力，也是保证业务连续和感知的重要环节。5G TOB网络的高可靠边缘网关功能，可以有效提升网络抗风险能力，在外部断网时为园区设备可以正常运行、工作提供保证。5GtoB商用启航，行业数字化转型加速。未来容灾解决方案将在在煤矿、企业园区、工厂、港口、场馆，以及工业互联网等场景发挥至关重要的作用，是推动5G成为行业数字化转型的关键驱动力量。

参  考  文  献

[1]周汉， 冯江平. MEC标准化进展[C]// 2019全国边缘计算学术研讨会论文集. 2019.

[2] 张进财 5G+：九大垂直领域的5G智慧赋能. 化学工业出版社， 2021/3/1， （08）：161-162

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

[4]陈鹏，李南希，田树一等.5G移动通信网络：从标准到实践. 机械工业出版社. 2020/7/1