［蔡子華 劉子建 陳豐 郭春旭 余錦才］

1 引言

當(dāng)前5G 專網(wǎng)使能全連接工廠的應(yīng)用場景，主要集中在人員移動辦公、AGV 調(diào)度、視頻監(jiān)控等以非實(shí)時業(yè)務(wù)為主的輔助生產(chǎn)類業(yè)務(wù)。隨著5G 使能工業(yè)的范圍不斷深入，如何高效對接工業(yè)協(xié)議并保證實(shí)時性和穩(wěn)定性，是5G 向工業(yè)內(nèi)網(wǎng)走深走實(shí)的關(guān)鍵。由于主流工業(yè)協(xié)議除部分是基于IP 報文傳輸外，大量是基于Ethernet 以太報文傳輸，因此引入5G LAN 能力，原生支持統(tǒng)一承載兩類報文，既可以簡化網(wǎng)絡(luò)配置，也可以提升實(shí)時傳輸性能，對于5G 深入到生產(chǎn)自控等核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)具有重要的價值。

2 5G LAN 對網(wǎng)元能力的要求

5G LAN 可為特定VN（Virtual Network，虛擬網(wǎng)絡(luò)）組的終端提供IP 類型或者Ethernet 類型的通信服務(wù)。該通信服務(wù)既可以發(fā)生在5G VN組的兩個或多個成員之間，也可以發(fā)生在5G VN組的成員和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用之間。當(dāng)5G 基站轉(zhuǎn)發(fā)Ethernet 類型的數(shù)據(jù)報文時，一方面可以支持基于層二的工業(yè)以太協(xié)議傳輸，另一方面由于用戶面協(xié)議棧的SDAP、PDCP 等層不處理IP 類型數(shù)據(jù)報文，可以獲得較高的效率，從而更適配工業(yè)控制等對實(shí)時傳輸要求更高的場景。

為了支持5G LAN 特性，現(xiàn)網(wǎng)基站gNodeB 和核心網(wǎng)網(wǎng)元均需升級相應(yīng)的能力，如表1 所示。

表1 5G LAN 對網(wǎng)元能力要求

3 5G LAN 部署及容災(zāi)

目前行業(yè)專網(wǎng)客戶啟用5G LAN 特性一般基于兩種典型的部署場景。其一是復(fù)用大網(wǎng)基站及大網(wǎng)核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元，園區(qū)僅下沉部署用戶面網(wǎng)元UPF，在此基礎(chǔ)上提供5G LAN 業(yè)務(wù)服務(wù)，如圖1(a)所示。其二是復(fù)用大網(wǎng)基站，核心網(wǎng)側(cè)控制面網(wǎng)元（AMF/SMF/UDM）和用戶面網(wǎng)元UPF 全下沉至園區(qū)部署，基于獨(dú)立的輕量級核心網(wǎng)支持5G LAN 功能，如圖1(b)所示。

圖1 支持5G LAN 的專網(wǎng)部署場景

由于5G LAN 功能開始服務(wù)于部分核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，一旦網(wǎng)絡(luò)故障將可能直接導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，因此客戶對5G LAN 的容災(zāi)能力較為關(guān)注。

現(xiàn)階段可通過在園區(qū)部署二套及以上的UPF 的方式實(shí)現(xiàn)用戶面容災(zāi)。二套UPF可以選擇負(fù)荷分擔(dān)的方式部署，當(dāng)某一UPF 宕機(jī)，SMF 在感知后將去激活會話，重新發(fā)起接入流程，選擇可用的UPF 進(jìn)行業(yè)務(wù)接入，但這樣仍存在短暫的業(yè)務(wù)中斷。另一種方式是二套UPF 采用1+1主備部署，這樣當(dāng)某一UPF 宕機(jī)，用戶會話將主備倒換，無需下線后重新接入。

但是，僅用戶面容災(zāi)仍無法保障網(wǎng)絡(luò)高可用要求。因為根據(jù)3GPP R16，每個5G VN 組僅由單一SMF 提供服務(wù)。當(dāng)SMF 宕機(jī)或者N4 接口斷鏈時，5G LAN 承載的生產(chǎn)業(yè)務(wù)仍會發(fā)生中斷。為此，針對網(wǎng)元全下沉場景，可進(jìn)一步部署二套控制面網(wǎng)元（AMF/SMF），使得AMF/SMF/UPF 實(shí)現(xiàn)1 對1 匹配，基站雙連接至二套輕量級核心網(wǎng)，采用負(fù)荷分擔(dān)或主備的方式進(jìn)行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)控制面的容災(zāi)。但這僅是一種非標(biāo)的過渡容災(zāi)方案，不適用于僅UPF 下沉場景。

4 5G LAN 跨SMF 管理的解決方案

針對5G LAN 僅支持單一SMF 服務(wù)，容災(zāi)能力不足的遺留問題，3GPP R18 將對5G LAN 的功能和性能進(jìn)行增強(qiáng)和完善，以支持跨SMF 管理5G VN 組。這樣，不僅可以提高5G LAN 承載業(yè)務(wù)的可用性、穩(wěn)定性和容災(zāi)能力，還可以進(jìn)一步拓展5G LAN 的服務(wù)范圍（單一SMF的服務(wù)范圍有限）。R18 預(yù)計2024 年一季度凍結(jié)，針對跨SMF 管理的解決方案仍未最終明確。以下討論目前提出的三類解決思路和方案。

4.1 基于N6 互連轉(zhuǎn)發(fā)

在5G VN 組內(nèi)，用戶面流量支持通過N6 接口轉(zhuǎn)發(fā)。通常N6 接口涉及兩種部署場景，其一是Native N6，也即UPF 與DN 直連，N6 是作為本地接口；另一是N6 Overlay，也即N6 運(yùn)行于其他底層網(wǎng)絡(luò)上。

在涉及跨SMF 管理的UPF 之間的5G VN 組內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，可以考慮利用和拓展N6 轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。以N6 Overlay 場景為例，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置時，將特定的5G VN組對應(yīng)的DNN 和S-NSSAI（網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息）與特定VPN 進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)多個UE 通過5G VN 組業(yè)務(wù)觸發(fā)PDU 會話建立流程時，指向?qū)?yīng)提供服務(wù)的SMF，SMF為多個PDU 會話選擇不同的PSA UPF，并通過N4 接口指示PSA UPF 觸發(fā)N6 接口通信。PSA UPF 會將上行的5G VN 組業(yè)務(wù)流經(jīng)由匹配VPN 的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。這里要求PSA UPF 支持PE 的功能并與對端建立VPN 隧道，如圖2 所示。VPN 隧道可以通過預(yù)配置實(shí)現(xiàn)，也可動態(tài)配置。后者需引入AF 指示與5G VN 組相關(guān)的N6 隧道的建立或釋放。AF 向NEF 訂閱與5G VN 組關(guān)聯(lián)的“PSA UPF 使用”事件。該事件對應(yīng)以下之一：與5G VN 組相關(guān)的PDU 會話由新的PSA UPF 提供服務(wù)、PSA UPF 已釋放與5G VN組相關(guān)的所有PDU 會話。當(dāng)AF 獲取到特定5G VN 組的“PSA UPF 使用”事件后，指示關(guān)聯(lián)的UPF 之間建立VPN 隧道。

圖2 基于N6 互連的解決方案

上述方案通過N6 轉(zhuǎn)發(fā)解決了由不同SMF 控制的UPF 之間轉(zhuǎn)發(fā)同一5G VN 組業(yè)務(wù)流的問題，但實(shí)際應(yīng)用時仍存在難點(diǎn)，也即多個UE 發(fā)送VN 組會話建立請求時如何發(fā)現(xiàn)和選擇SMF。這一遺留問題可結(jié)合下文基于ETSUN 的方案解決。

4.2 基于ETSUN 拓展

3GPP R16 定 義 了ETSUN（Enhancing Topology of SMF and UPF in 5G Networks，增強(qiáng)5G 網(wǎng)絡(luò)SMF 和UPF拓?fù)洌┘軜?gòu)。該架構(gòu)旨在解決UE 跨SMF 服務(wù)區(qū)切換和歸屬地路由等問題。當(dāng)UE 處于SMF 服務(wù)區(qū)之外時，將會在SMF 和AMF 之間插入一個I-SMF。I-SMF 通過N11接口同AMF 連接和交互，通過N16a 接口和SMF 連接和交互，I-SMF 負(fù)責(zé)控制SMF 無法直接控制的UPF。在必要的情況下，會話管理上下文的交互以及隧道信息的轉(zhuǎn)發(fā)將在兩個SMF 之間直接進(jìn)行，而不需要涉及AMF。基于上述ETSUN 特性，可進(jìn)一步拓展支持跨SMF 管理的5G LAN。

在此方案中，AMF 根據(jù)代表特定5G VN 組的DNN和S-NSSAI，選擇關(guān)聯(lián)的SMF 集合，而不僅僅是單一的SMF實(shí)例。該SMF集合通過N18接口與UDSF（Unstructured Data Storage Network Function，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲功能）交互，共享與5G VN（Virtual Network，虛擬網(wǎng)絡(luò)）組關(guān)聯(lián)的上下文信息，包括N19 配置、5G VN 組成員建立的PDU 會話列表等。這樣，通過SMF 集合的冗余保證5G LAN 業(yè)務(wù)的可靠性。當(dāng)5G VN 組成員移動到SMF 集合的服務(wù)范圍以外，則通過ETSUN 的拓?fù)湓鰪?qiáng)機(jī)制來保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

如圖3 所示，假設(shè)UE-1 和UE-2 歸屬同一5G VN 組，它們通過5G VN 組業(yè)務(wù)觸發(fā)PDU 會話建立流程，指向同一個SMF 集合，錨點(diǎn)SMF 為兩個PDU 會話選擇相同的PSA UPF，并決定采用本地交換方式進(jìn)行組內(nèi)用戶間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。SMF 通過N4 接口指示UPF 建立UPF 內(nèi)部接口（5G VN Internal）以支持5G VN 組內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)UE-2進(jìn)行跨區(qū)域移動且超出原SMF集合的服務(wù)范圍時，AMF 根據(jù)DNN 和S-NSSAI 選擇原SMF 集合，根據(jù)用戶位置和S-NSSAI 選擇插入I-SMF。I-SMF 與原SMF 交互，獲取用戶PDU 會話上下文和會話相關(guān)策略，同時根據(jù)這些信息選擇一個I-UPF 與原UPF 連接。原SMF 決定采用N19 接口轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行組內(nèi)用戶間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過N16a接口向I-SMF 發(fā)送相應(yīng)的PDR（Packet Detection Rule，報文檢測規(guī)則）和FAR（Forwarding Action Rule，轉(zhuǎn)發(fā)動作規(guī)則）。原SMF 和I-SMF 通過N4 接口指示原UPF 與I-UPF 建立N19 隧道以支持5G VN 組內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3 基于ETSUN 的解決方案

這一方案依賴ETSUN 的實(shí)現(xiàn)，且要求由SMF 集合為5G VN 組提供服務(wù)，以及要求N16a 支持轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)PDR和FAR 的N4 消息。

4.3 基于NRF 服務(wù)查詢/訂閱

5G 核心網(wǎng)可通過NRF 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能NF 或網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)NFS的自動注冊、更新、去注冊，以及自動發(fā)現(xiàn)和選擇。借助服務(wù)化功能管理機(jī)制，SMF 可通過向NRF 主動查詢或訂閱的方式，獲知其他服務(wù)于相同5G VN 組的SMF 集，并協(xié)同建立起5G VN 組會話請求，在其各自控制的UPF之間建立組會話和Full Mesh（全互聯(lián)）的N19 隧道。以NRF 查詢方式為例說明大致的信令流程，如圖4 所示。

圖4 基于NRF 查詢的解決方案

（1）UE-1 發(fā)起PDU 會話創(chuàng)建請求給AMF。AMF根據(jù)DNN 和位置等信息選擇SMF-1。SMF-1 與UDM 交互獲取UE-1 基于DNN、S-NSSAI 和PDU 會話類型的5G VN 組會話標(biāo)識。SMF-1 進(jìn)一步?jīng)Q定是否觸發(fā)NRF 查詢。如VN 業(yè)務(wù)流僅在本地轉(zhuǎn)發(fā)，則無需查詢；如需經(jīng)由N19或N6 轉(zhuǎn)發(fā)，則向NRF 發(fā)起查詢。

（2）SMF-1 在NRF 中更新帶有其提供服務(wù)的5G VN組會話標(biāo)識的配置文件，并根據(jù)該標(biāo)識對NRF 執(zhí)行SMF發(fā)現(xiàn)。由于實(shí)際目前僅有SMF-1 為該5G VN 組服務(wù)，NRF 在響應(yīng)消息中僅返回SMF-1。

（3）SMF-1 向UPF-1 發(fā)起N4 會話創(chuàng)建請求，創(chuàng)建5G VN 組會話和UE 會話。消息中攜帶PDR、FAR 等。

（4）UE-2 發(fā)起PDU 會話建立請求。根據(jù)DNN 和S-NSSAI，SMF-2 獲知該UE 會話關(guān)聯(lián)5G VN 組。

（5）SMF-2 同理在NRF 中注冊配置文件，并根據(jù)5G VN 組標(biāo)識對NRF 執(zhí)行SMF 發(fā)現(xiàn)。NRF 在響應(yīng)消息中返回SMF-1 和SMF-2。

（6）SMF-2 為UE-2 會話配置PDR/FAR，并請求UPF-2 分配N19 隧道。

（7）SMF-2 將5G VN 組會話請求發(fā)送到SMF-1，請求消息中包括N19 隧道信息和UE-2 會話的IP 地址或MAC。

（8）SMF-1 將接收到的N19 隧道信息發(fā)送給UPF-1，并請求其分配N19 隧道。同時SMF-1 根據(jù)UE-2 會話的IP 地址或MAC 創(chuàng)建新的PDR/FAR。

（9）SMF-1 向SMF-2 發(fā)送響應(yīng)消息，消息中包括UPF-1 的N19 隧道資源和UE-1 會話的IP 地址或MAC。

（10）SMF-2 向UPF-2 發(fā)送N4 會話請求，通知其UPF-1 的N19 隧道信息，并根據(jù)接收到的UE-1 會話的IP地址或MAC 創(chuàng)建新的PDR/FAR。到此，UPF-1 和UPF-2之間完成了N19 隧道的建立。

這一方案引入NRF 服務(wù)化管理功能實(shí)現(xiàn)服務(wù)于同一5G VN 組的SMF 集之間的交互，但要求對SMF 的能力升級有較多的要求。

5 結(jié)束語

跨SMF 管理特性的引入對5G LAN 實(shí)現(xiàn)容災(zāi)能力提升并適配更廣服務(wù)范圍的業(yè)務(wù)場景具有重要的價值。但5G LAN 仍需根據(jù)業(yè)務(wù)場景的探索和實(shí)踐，持續(xù)進(jìn)行功能和性能的增強(qiáng)和完善，如多路徑互聯(lián)導(dǎo)致的環(huán)路預(yù)防和廣播風(fēng)暴抑制等，從而更好地滿足全連接工廠等不同應(yīng)用場景的需求。