［蔡子華 陳豐 劉子建 郭春旭］

1 引言

為滿足行業(yè)客戶差異化的業(yè)務(wù)需求，三大電信運營商均早在2020 年就推出了各具特色的5G 專網(wǎng)解決方案。經(jīng)過產(chǎn)業(yè)各方的協(xié)同推進，目前5G 專網(wǎng)的商用落地和規(guī)模部署已取得顯著成效。從5G 專網(wǎng)架構(gòu)來看，多數(shù)行業(yè)企業(yè)選用了“混合專網(wǎng)”的方案，即復(fù)用運營商大網(wǎng)無線資源，并將5G 用戶面下沉部署至企業(yè)園區(qū)，與運營商中心網(wǎng)絡(luò)5G 控制面聯(lián)動。這種方案的收益在于，一方面運營商可充分利用已建的大網(wǎng)資源，快速部署園區(qū)專網(wǎng)業(yè)務(wù)，另一方面企業(yè)用戶可收獲業(yè)務(wù)低時延傳輸、數(shù)據(jù)不出園區(qū)等服務(wù)體驗。但是，隨著5G專網(wǎng)從行業(yè)外圍進入核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)可用性開始與生產(chǎn)成本及效益高耦合。比如，煤礦采煤設(shè)備機械臂的應(yīng)用層設(shè)有心跳監(jiān)測機制，一旦5G 專網(wǎng)斷鏈導(dǎo)致應(yīng)用層中斷超過300 ms，機械臂將自動停止并且需要人工恢復(fù)，進而將影響生產(chǎn)效率。為此，煤礦、工業(yè)制造、電力等一批自身主導(dǎo)權(quán)強、議價能力高的行業(yè)客戶出于生產(chǎn)安全、網(wǎng)絡(luò)自主可控等考慮，相繼提出5G 專網(wǎng)高可用能力升級訴求。

2 5G 混合專網(wǎng)核心痛點

5G 網(wǎng)絡(luò)是由終端設(shè)施、無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心交換網(wǎng)及相應(yīng)的運行支撐系統(tǒng)組成的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，影響其可用性的因素包括設(shè)備/節(jié)點可靠性、組網(wǎng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)的組織和維護管理，以及機房、配套動力等網(wǎng)絡(luò)所依存的環(huán)境條件等。對于運營商而言，5G 公網(wǎng)面向的是差異化的用戶需求，且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)受到成本的制約，因而其可用性設(shè)計更側(cè)重于核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)核心層等一旦發(fā)生故障則可能大范圍影響用戶使用的組成部分。對于企業(yè)而言，采用5G 混合專網(wǎng)模式意味著對成本更為敏感，但由于追求網(wǎng)絡(luò)端到端可用性，其在局部的可用性要求上又高于5G 公網(wǎng)，如無線網(wǎng)側(cè)。這就要求重點關(guān)注設(shè)備/節(jié)點可靠性和組網(wǎng)設(shè)計，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可用性的最優(yōu)化和成本合理性的平衡。

典型的5G 混合專網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示，其核心痛點包括外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷鏈對園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的影響，以及園區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的故障。

圖1 典型5G 混合專網(wǎng)架構(gòu)及可能的故障模式

外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷鏈對園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的影響可進一步細分為運營商中心控制面網(wǎng)元故障、企業(yè)園區(qū)與中心網(wǎng)元的傳輸中斷兩種情況。對于前者，運營商通常通過部署雙DC，多網(wǎng)元形成網(wǎng)元資源池進行業(yè)務(wù)容災(zāi)的方式來保證中心網(wǎng)元的高可用性，其發(fā)生故障的概率較小。更可能發(fā)生的是后者。考慮到可能存在因物業(yè)阻撓施工導(dǎo)致傳輸實際未成環(huán)、光纜因施工被挖斷等情形，一旦傳輸中斷，此時園區(qū)與運營商中心網(wǎng)絡(luò)之間的N2 和N4 接口將同時中斷，此時會導(dǎo)致企業(yè)園區(qū)所有業(yè)務(wù)中斷，業(yè)務(wù)無法接入。

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備故障可能表現(xiàn)為終端側(cè)CPE 故障、無線網(wǎng)側(cè)基站主控板和基帶板等關(guān)鍵器件故障、園區(qū)用戶面網(wǎng)元故障等。對此，通常通過部署多套設(shè)備進行容災(zāi)解決，但也要考慮成本的合理性進行差異化的組網(wǎng)設(shè)計。

3 5G 高可用專網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計

5G 端到端專網(wǎng)可以視為由終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)組成的獨立串聯(lián)系統(tǒng)。借鑒RBD（Reliability Block Diagram，可靠性框圖）模型，對于串聯(lián)系統(tǒng)，所有子系統(tǒng)均正常時才能保證系統(tǒng)正常運行。因此，5G 專網(wǎng)的可用度A 為

其中，AUE、AAN、ATN和ACN分別為終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)子系統(tǒng)的可用度。

可見，為了使企業(yè)定制的5G 專網(wǎng)達到相應(yīng)的可用度要求，必須針對終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的組網(wǎng)進行增強設(shè)計。

3.1 終端側(cè)

對于未內(nèi)置5G 通信模塊的終端，通常采用CPE 轉(zhuǎn)接的方式，也即終端設(shè)備通過RS485 等接口直接接入CPE，再經(jīng)由CPE 接入5G 網(wǎng)絡(luò)?？紤]到無線鏈路的脆弱性，傳輸過程可能存在丟包，或出現(xiàn)偶發(fā)的大時延問題，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。可以通過增加冗余無線鏈路，無線鏈路互為備份，從而保證單鏈路丟包或故障時業(yè)務(wù)不中斷。例如，增設(shè)AR 路由器，下掛原有的一個或多個終端設(shè)備。AR路由器與雙CPE 橋接。當AR 路由器接收到下掛終端的上行數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)經(jīng)由主用鏈路發(fā)送至對端的主用CPE并接入5G 專網(wǎng)。一旦AR 路由器偵測到主用鏈路故障或信號傳輸質(zhì)量不佳，將自動進行倒換，把數(shù)據(jù)經(jīng)由備用鏈路發(fā)送至對端的備用CPE 并接入網(wǎng)絡(luò)。這樣便實現(xiàn)了發(fā)送端的5G 雙鏈路備份。此外，通過在網(wǎng)關(guān)設(shè)備內(nèi)置雙5G通信模塊以便接入不同5G 頻段或網(wǎng)絡(luò)，也是可行的方法。其本質(zhì)也是增加冗余無線鏈路。

3.2 無線網(wǎng)側(cè)

無線網(wǎng)側(cè)的增強設(shè)計可以從設(shè)備可用性和鏈路可用性入手，通過冗余備份來保障整體的可用性。

3.2.1 關(guān)鍵部件冗余備份

BBU 支持的單板主要包括主控傳輸板、基帶處理板、風扇模塊、電源模塊、環(huán)境監(jiān)控單元等。其中，主控傳輸板主要為BBU 內(nèi)的其他單板提供信令處理和資源管理功能，并對外提供傳輸、LMT 等接口以實現(xiàn)信號傳輸、配置管理和設(shè)備管理等功能?；鶐幚戆逯饕瓿缮舷滦袛?shù)據(jù)的基帶處理功能，并提供與射頻模塊通信的CPRI 或eCPRI 接口。

在常規(guī)配置下，BBU 僅配置一塊主控傳輸板。若該單板故障，則將導(dǎo)致基站長時間業(yè)務(wù)中斷。對此，可考慮配置兩塊型號相同的主控傳輸板進行冷備份。在初始配置時，當BBU 上電啟動后，如果兩塊主控傳輸板均為正常狀態(tài)，BBU 將通過主備競爭決定主用單板。如果其中一塊單板不在位或為異常狀態(tài)，則另一塊正常工作的單板直接競爭為主用單板。隨后，主備主控傳輸板之間比較文件差異，以主用單板為基準，同步所有差異文件大備用單板。所同步的文件僅包括配置數(shù)據(jù)、軟件、日志等靜態(tài)數(shù)據(jù)。當主用單板出現(xiàn)嚴重故障時，而備用單板在位且鏈路正常，BBU 將自動倒換到備用單板，以此保證基站能繼續(xù)正常運行。試點數(shù)據(jù)表明，從主控傳輸板倒換到基站業(yè)務(wù)恢復(fù)正常的時間與下帶的射頻模塊數(shù)量有關(guān)。對常規(guī)的三小區(qū)室外基站，其業(yè)務(wù)恢復(fù)的預(yù)期時間為4～7 min。

當BBU 的一塊基帶板出現(xiàn)故障時，同樣直接影響在該單板上部署的基站小區(qū)業(yè)務(wù)。對此可考慮每個AAU/RRU 同時與兩塊基帶板相連，形成熱備份環(huán)形組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式，環(huán)上有且只有一個AAU/RRU。BBU 通過其中一塊基帶板建立操作維護鏈路，但用戶面數(shù)據(jù)會同時在兩條CPRI 或eCPRI 鏈路上傳輸，且傳輸內(nèi)容相同。這樣，當與AAU/RRU 建立操作維護鏈路的基帶板故障時，環(huán)上的AAU/RRU 業(yè)務(wù)會中斷并迅速切換到另一塊基帶板重新建立通信。

3.2.2 無線鏈路冗余備份

考慮到無線信道易受環(huán)境的影響，尤其是在工業(yè)現(xiàn)場等復(fù)雜環(huán)境下，存在高頻的電氣設(shè)備或其他干擾源，可能對5G 特定頻段造成較嚴重的干擾。因此，在重要的24 h 不間斷生產(chǎn)環(huán)境下，5G 專網(wǎng)采用雙頻覆蓋是有必要的。對于室外基站，可在相同站址設(shè)置雙倍套數(shù)的AAU/RRU，并采用不同的授權(quán)頻段進行信號覆蓋。AAU/RRU上聯(lián)至不同的BBU 上或者同一BBU 的不同基帶板上，并設(shè)置為不同的邏輯小區(qū)。當某一頻段的小區(qū)無線鏈路受干擾或故障時，終端可通過異頻重選駐留到另一頻段的小區(qū)上。對于室分系統(tǒng)，前述思路仍然適用。但考慮到室內(nèi)布點空間受限且數(shù)字室分的遠端單元具備多頻支持能力，也可以考慮交織覆蓋的方式，即通過合理控制遠端單元覆蓋范圍，使其同頻不同點位交叉冗余覆蓋（部分覆蓋區(qū)域重疊），交叉的遠端單元配置為同一邏輯小區(qū)。這樣，即使某一遠端單元發(fā)生故障，與其相鄰并有一定范圍覆蓋冗余的另一遠端單元仍可提供有效信號覆蓋，終端可正常駐留而不需要進行同頻切換。

3.2.3 無線高可用組網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)關(guān)鍵部件和無線鏈路冗余備份的思路，可以組合設(shè)計出多種組網(wǎng)方案。綜合考慮技術(shù)可行性、方案實用性和性能表現(xiàn)等因素，圖2 給出了3 種典型的無線高可用組網(wǎng)方案。

圖2 5G 無線高可用典型組網(wǎng)方案

3.3 傳輸網(wǎng)側(cè)

運營商傳輸網(wǎng)一般采用分層組網(wǎng)，包括邊緣接入層、匯聚層和核心層。邊緣接入層設(shè)備采用環(huán)形組網(wǎng)，分別與匯聚層節(jié)點相連。匯聚層設(shè)備雙歸到核心層設(shè)備。核心層設(shè)備則多采用全互連或半互連方式。傳輸網(wǎng)整體具備高可用特性。在不考慮非標準設(shè)計的情況下，傳輸網(wǎng)側(cè)的故障點更多可能出現(xiàn)在BBU 與接入層路由器的傳輸鏈路上。對此，可采用IP 主備路由的方案，即BBU 主控傳輸板上兩個物理傳輸接口經(jīng)過層二網(wǎng)絡(luò)連接到主備網(wǎng)關(guān)路由器上。BBU 和主備網(wǎng)關(guān)網(wǎng)路由器間啟用BFD（Bidirectional Forwarding Detection，雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測）進行鏈路狀態(tài)檢測，并將BFD狀態(tài)關(guān)聯(lián)到其路由狀態(tài)，適時觸發(fā)主備路由倒換。對于到基站的返程路由，主備網(wǎng)關(guān)路由器也各自配置備份路由，在某個路由發(fā)生故障時，網(wǎng)關(guān)路由器能從備份路由把返程報文返回給基站。

3.4 核心網(wǎng)側(cè)

在圖3 所示5G 混合專網(wǎng)中，用戶面UPF 下沉至企業(yè)園區(qū)部署。對此，可以通過園區(qū)UPF 與運營商中心UPF 的聯(lián)動來保障網(wǎng)元級的可用性，也即園區(qū)UPF 和中心UPF 二者規(guī)劃的企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)則保持一致，且中心UPF通過專線等形式保證可訪問園區(qū)應(yīng)用服務(wù)器。當園區(qū)UPF發(fā)生故障時，SMF 基于N4 接口探測實時感知故障，將刪除園區(qū)UPF，保留用戶會話，此時終端通過中心UPF 繼續(xù)訪問本地應(yīng)用。但這一方案并未解決外部網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷對園區(qū)業(yè)務(wù)的影響。當與大網(wǎng)的N4 鏈路故障，或N2/N4鏈路同時故障時，如園區(qū)UPF 正常，僅可提供對連接態(tài)用戶的業(yè)務(wù)?；睿蝗鐖@區(qū)UPF 也故障，則所有業(yè)務(wù)將中斷。同理，如果園區(qū)部署2 套主備的UPF，也僅能解決園區(qū)單個UPF 故障時業(yè)務(wù)迂回至中心UPF 轉(zhuǎn)發(fā)的問題，但仍無法解決N4 或N2/N4 斷鏈的問題帶來的影響。

圖3 5G 混合專網(wǎng)核心網(wǎng)增強方案

對此，可考慮的方案是，在通過運營商中心網(wǎng)絡(luò)5G控制面網(wǎng)元提供園區(qū)用戶信令面處理功能的同時，在園區(qū)本地部署應(yīng)急控制面AMF/SMF/UDM 網(wǎng)元功能，且中心網(wǎng)絡(luò)UDM 定期將用戶簽約數(shù)據(jù)同步給園區(qū)UDM，如圖3所示。

當企業(yè)園區(qū)與中心網(wǎng)絡(luò)的傳輸未中斷時，用戶通過中心網(wǎng)絡(luò)的AMF/SMF/UDM 鑒權(quán)接入，中心網(wǎng)絡(luò)的UDM基于切片、DNN 或IMSI 號段定期導(dǎo)出園區(qū)用戶數(shù)據(jù)文件并上傳至外置的SFTP 服務(wù)器，園區(qū)UDM 主動從SFTP服務(wù)器下載對應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)文件并加載生效。

當企業(yè)園區(qū)與中心網(wǎng)絡(luò)的傳輸中斷時，對于新開機用戶，終端接入時，園區(qū)5G 基站選擇園區(qū)應(yīng)急AMF、SMF接入，其業(yè)務(wù)無影響。對于當前出于連接態(tài)的在線業(yè)務(wù)用戶而言，園區(qū)5G 基站保持連接態(tài)，中心網(wǎng)絡(luò)的AMF 和SMF 以及園區(qū)UPF 均保持用戶連接態(tài)，業(yè)務(wù)也無影響。而對于已注冊但因終端移動或其他原因而觸發(fā)信令交互的用戶，園區(qū)5G 基站將選擇應(yīng)急AMF 處理，AMF 引導(dǎo)用戶重新注冊，業(yè)務(wù)快速恢復(fù)。

由上述分析可知，通過在園區(qū)本地部署應(yīng)急AMF/SMF/UDM，能夠有效應(yīng)對N4 或N2/N4 斷鏈的問題。不難推導(dǎo)，為保障園區(qū)用戶業(yè)務(wù)進一步的可用性，可以在企業(yè)園區(qū)同時部署兩套應(yīng)急AMF/SMF/UDM 和兩套UPF。兩套AMF/SMF/UDM 可以設(shè)置為負荷分擔的模式，而兩套UPF 可以按需設(shè)置為負荷分擔模式或者主備冗余模式。

4 5G 高可用專網(wǎng)方案選擇

根據(jù)前述關(guān)于終端、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)的增強設(shè)計，可以組合出多種5G端到端組網(wǎng)方案。在實際應(yīng)用時，應(yīng)遵循差異化原則，針對不同企業(yè)園區(qū)提供差異化的高可用組網(wǎng)設(shè)計，為用戶提供合適的方案。具體有以下原則可供部署時參考。

其一，組網(wǎng)設(shè)計應(yīng)充分考慮成本制約因素以及基于場景的容災(zāi)保障范圍。

以BBU 基帶板熱備份為例，假設(shè)基帶板可用度為B，考慮到實際上保護倒換動作不可能100%成功，設(shè)定基帶板倒換成功率為Sw，則1+1 基帶板間主備備份系統(tǒng)的可用度應(yīng)為主用基帶板可用概率與主用基帶板失效轉(zhuǎn)換到備用基帶板的可用概率之和，即有

從性能角度而言，隨著基帶板冗余度的提升，可用性相應(yīng)提高。但從成本角度看，支持6 小區(qū)的基帶板單價約占BBU（含機框、安裝套件、主控板、基帶板、回傳光模塊、時鐘套件、載波軟件包等關(guān)鍵部件）整體單價的30% 至40%。如果在整個企業(yè)園區(qū)批量應(yīng)用基帶板主備方案，將給運營商或用戶帶來明顯的成本攀升壓力。在成本制約的前提下，建議優(yōu)先考慮針對覆蓋關(guān)鍵產(chǎn)線區(qū)域的5G 基站實施冗余備份方案，而非針對全園區(qū)基站。

其二，應(yīng)綜合考慮整體部署并分解可用性指標到5G專網(wǎng)的各組成部分。在端到端可用性已達一定程度（例如99.99%）時，針對局部的增強設(shè)計可能對端到端可用性的提升作用不明顯。

其三，在組網(wǎng)設(shè)計時，將端到端網(wǎng)絡(luò)可用性的提升程度轉(zhuǎn)化為對于因業(yè)務(wù)中斷導(dǎo)致的經(jīng)濟損失的止損能力，對于企業(yè)用戶而言更加可感知。

5 結(jié)束語

工業(yè)控制等業(yè)務(wù)場景對時延、抖動和可用性的要求極其嚴苛。在為這類場景的企業(yè)定制5G 專網(wǎng)時需重點考慮網(wǎng)絡(luò)高可用性的實現(xiàn)。本文討論了5G 高可用專網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)計及方案的選擇原則。在實際應(yīng)用中，為了進一步提升5G 專網(wǎng)的可用性，除了通過冗余組網(wǎng)設(shè)計使得系統(tǒng)即使發(fā)生故障其功能也不受影響外，還需通過簡化硬件設(shè)計、提升生產(chǎn)工藝等方法降低5G 系統(tǒng)軟硬件的故障率，以及通過故障檢測、診斷、隔離和恢復(fù)機制來實現(xiàn)因5G 系統(tǒng)故障導(dǎo)致功能受損時能夠快速恢復(fù)。