5G NPN 行业专网 — 高可靠专网部署方案

Posted 2022-01-26 云物互联

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文章目录

• 目录
• 需求概述
• 关键技术
• • 业务保活
  • 数据同步
  • 应急接入
  • 业务回迁
• 部署方案
• • 方案 1：专网只部署 1 套 UPF
  • 方案2 ：专网部署双 UPF 容灾
  • 方案 3：专网部署 1 套 UPF 和应急 AMF/SMF/UDM 控制面功能
  • 方案 4：专网部署 1 套主用 UPF 和备用 UPF 含应急 AMF/SMF/UDM 控制面功能
  • 方案 5：部署双 UPF 及应急 AMF/SMF/UDM 控制面功能，超高可靠专网

需求概述

按照行业用户的业务可用性需求不同，可分为以下 2 类业务：

1. 对中断敏感型业务：会造成设备停机、产线停线等严重生产事故。如：采煤机、掘进机的远程控制、天车远程控制、5G 视觉质检等。
2. 对短暂中断不敏感型业务：可接受业务短暂中断后快速重连。如：视频监控、AGV 管理等。

针对上述不同业务诉求，在 5G 专网与运营商大网控制面失联场景下，网络侧可提供多种部署方案，提供差异化的业务高可靠性保障。

1. 对稳态业务提供保活功能：在与大网失联后，专网 gNB 和边缘 UPF 继续传输数据。
2. 对在线用户和新接入用户，在大网断连后，提供移动性切换和快速重连功能。

关键技术

业务保活

专网 gNB 检测到 N2 故障后，不闭锁小区，保持连接态用户的 N3 会话隧道，收到 NAS 信令或切换信令失败/超时，不释放用户连接。

专网 UPF 检测到 N4 故障，不释放 PDU 会话，继续转发用户数据；计费阈值到不触发 N4 上报，本地累计流量待 N4 恢复后上报；PCC 如新业务触发专载创建，不触发 N4 上报，维持原规则。

大网 AMF 和 SMF，检测到专网 N2、N4 故障后，不释放 PDU 会话，连接态用户不进入空闲态，N2/N4 恢复后连接态业务不中断。

数据同步

大网 UDM 定期导出专网用户卡的签约数据文件，并通过 SFTP 安全传输通道将文件上传到文件服务器。

专网 UDM 定期通过 SFTP 安全传输通道从文件服务器下载专网用户数据文件到本地并加载生效。专网 UDM 不支持对数据进行修改，在大网失联场景，提供对专网用户进行 5G 鉴权/注册/接入等基本业务功能。

应急接入

专网 gNB 同时连接大网和专网 AMF，专网 AMF 固定 GUAMI，和大网 2B AMF 规划相同的 SET，Capacity 设置为 0。

专网 AMF 只选择本地的 SMF 和 UDM，专网 SMF 缺省配置仅本地 UPF，专网 UPF 需同时连接大网和本地 SMF。

大网失联场景，所有 Capacity 非 0 的 AMF 都不可达时，专网 gNB 选择 Capacity Value 为 0 的 AMF 接入专网。由专网 AMF、SMF 以及 UDM 提供 5G 用户注册、接入鉴权、服务请求、切换、注销，PDU 会话的建立、更新和删除等业务流程。

业务回迁

大网 AMF/SMF 连接恢复后，避免自动回迁导致的业务受损，采用有计划的人工方式将用户迁移至大网控制面：关闭专网 AMF 的 N2 接口，删除用户会话，连接态用户进入空闲态；空闲态的用户 UE 触发 ServiceRequest 消息或周期性 TAU 信令，专网 gNB 将用户信令发送给大网控制面。

大网失联期间，专网 UPF 保活的稳态业务，不受回迁影响。

部署方案

方案 1：专网只部署 1 套 UPF

1. 通过运营商大网 5GC CP 提供专网 5G 用户接入和移动信令处理，专网部署 1 套边缘 UPF，提供专网用户的数据面转发功能。
2. 专网与大网失联后，专网 gNB 和 UPF 对处于连接态且不发生移动性切换的业务可提供保活功能，且故障恢复后业务继续，不会中断。
3. 专网与大网失联后，空闲态、连接态发生移动性切换等业务中断，重新接入失败。

该方案仅能有条件的保活少量业务，仅适用于对容灾无要求，业务中断容忍度高的企业，不推荐。

方案2 ：专网部署双 UPF 容灾

1. 通过运营商大网 5GC CP 提供专网 5G 用户接入和移动信令处理，专网部署双 UPF，提供专网用户的数据面转发功能。

2. 单 UPF 故障场景，连接态用户中断一次，选择到另外一个 UPF 重建会话；空闲态和新接入用户选择到另外一个 UPF。

3. 专网与大网失联后，专网 gNB 和 UPF 对处于连接态且不发生移动性切换的业务可提供保活功能，且故障恢复后业务继续，不会中断。

4. 专网与大网失联后，空闲态、连接态发生移动性切换等业务中断，重新接入失败。

相比方案 1，专网在保活在线业务的基础上增加 UPF 容灾能力，但是大网失联场景下，空闲态、连接态发生移动性切换等业务中断，且无法快速恢复。适用于传输故障后短时间内能够恢复，且能容忍一定时间业务中断的企业，推荐度低。

方案 3：专网部署 1 套 UPF 和应急 AMF/SMF/UDM 控制面功能

1. 正常情况，通过运营商大网 5GC CP 提供专网 5G 用户接入和移动信令处理，应急 CP 定时从大网 UDM 同步专网用户签约数据；专网部署 1 套边缘 UPF 提供专网用户的数据面转发功能，同时部署应急 AMF、SMF 和 UDM 功能。

2. 专网与大网失联后，专网 gNB 和 UPF 对处于连接态且不发生移动性切换的业务可提供保活功能，且故障恢复后业务继续，不会中断。

3. 专网与大网失联后，空闲态、连接态发生移动性切换的用户通过本地应急控制面重新接入，数据面由专网 UPF 转发。

相比方案 1，大网失联场景下，既可以保持定期发送控制信号的天车业务不中断，同时对短暂中断不敏感型业务，如：视频监控、AGV 管理等业务快速重连。适用于煤矿、钢铁、港口等对 5G 专网在外部网络故障或断开时，无线通信及数据传输的可靠性高的企业，推荐部署。

该方案的限制在于专网 UPF 故障，所有业务包括对中断敏感的业务会中断，UPF 故障恢复后才能重新接入。

方案 4：专网部署 1 套主用 UPF 和备用 UPF 含应急 AMF/SMF/UDM 控制面功能

1. 正常情况，通过运营商大网 5GC CP 提供专网 5G 用户接入和移动信令处理，应急控制面定时从大网 UDM 同步专网用户签约数据；专网部署 1 套边缘 UPF 提供专网用户的数据面转发功能。

2. 专网与大网失联后，专网 gNB 和 UPF 对处于连接态且不发生移动性切换的业务可提供保活功能，且故障恢复后业务继续，不会中断。

3. 专网与大网失联后，空闲态、连接态发生移动性切换的用户通过本地应急控制面重新接入，数据面由备用 UPF 转发。

该方案适用场景和限制同方案 3，该方案虽然部署了备用 UPF，但是在大网连接正常，只是主用 UPF 故障场景下，所有业务即使对中断不敏感的业务也无法通过备用 UPF 重连恢复业务。

方案 5：部署双 UPF 及应急 AMF/SMF/UDM 控制面功能，超高可靠专网

1. 正常情况，通过运营商大网 5GC CP 提供专网 5G 用户接入和移动信令处理，应急 CP 定时从大网 UDM 同步专网用户签约数据；专网部署双 UPF 负荷分担模式提供专网用户的数据面转发功能。

2. 单 UPF 故障场景，连接态用户中断一次，选择到容灾 UPF 重建会话；空闲态和新接入用户选择到容灾 UPF。

3. 专网与大网失联后，专网 gNB 和 UPF 对处于连接态且不发生移动性切换的业务可提供保活功能，且故障恢复后业务继续，不会中断。

4. 专网与大网失联后，空闲态、连接态发生移动性切换的用户通过本地应急控制面重新接入。

该方案适用场景同方案 3、4。相比方案 3、4，该方案增加了专网数据面、应急控制面容灾，优点在于正常情况 2 套 UPF 负荷分担，单个 UPF 故障场景，对短暂中断不敏感型业务，如：视频监控、AGV 管理等业务可以通过另外一套 UPF 快速重连恢复。