5G信令组网架构增强演进

李雪馨 谢沛荣 吕振华

【摘  要】

3GPP 5GC系统架构引入SCP网元，同时将网元间通信区分为直接通信和间接通信，间接通信又分为无代理发现模式（Model C）和代理发现模式（Model D），对5G信令组网架构产生深远的影响。从服务注册、服务发现、NF间通信等多方面对间接通信两种模式进行详细对比分析，并基于无代理发现模式，对5G SA信令初期及演进组网方案提出建议。

【关键词】5GC;间接通信;SCP

[Abstract]

The 3GPP 5GC system architecture has introduced the SCP network element， and inter-element communication is divided into direct and indirect communications， and the indirect communication further is divided into agentless discovery mode （Model C） and agent discovery mode （Model D）， which has a profound effect on 5G SA signaling network architecture. This paper deeply analyzes and compares the two indirect communication modes in terms of service registration， service discovery， inter-NF communication， etc. Based on agentless discovery mode， this paper provides suggestions for initial stage and evolution of 5G SA signaling network solutions.

[Key words]5GC; indirect communication; SCP

0   引言

為满足5G万物互联的需求，更方便灵活地适应垂直行业应用，5G核心网借鉴IT行业的通信模式，采用服务化架构（SBA， Service Based Architecture）。服务化架构将网络功能（NF， Network Function）进一步拆分成若干个网络功能服务（NF Service），NF/NF Service的注册、发现以及功能服务之间的通信都需要通过控制面网元NRF完成，NF间的信令交互采用HTTP2.0协议进行直接通信。由于基于纯NRF的信令组网方案存在NF间链路数量多，链路维护工作量大等问题[4]，3GPP 5G系统的R16版本规范引入SCP（Service Communication Proxy，服务通信代理），使HTTP信令得到汇聚，减少NF间的信令链路连接，并且标准化了厂家私有HTTP Proxy方案。

1   SCP的功能

3GPP对SCP功能的定义主要包含以下方面。

1.1  间接通信

3GPP于5G系统的R16版本规范引入间接通信（Indirect Communication）概念，同时也引入新网元SCP，即NF或NF服务之间，可以通过SCP进行间接通信，如图1所示。

间接通信分为两种模式[1]，无代理发现模式（Indirect Communication Without Delegated Discovery， Model C）和代理发现模式（Indirect Communication With Delegated Discovery， Model D）。无代理发现模式如图2所示，NF消费者（NF Consumer）通过NRF进行服务发现，并且基于服务发现结果选择目标NF生产者（NF Producer）的实例信息或者NF Set。NF消费者向SCP发送服务请求消息（NF消费者需对SCP的地址进行本地配置），消息中携带目标NF的FQDN或IP地址，SCP基于目标NF的地址信息进行路由选择和信令转发。

代理发现模式是指NF消费者不进行服务发现或服务选择，而是向SCP发送服务请求的同时，携带服务发现和选择的相关信息。SCP通过与NRF交互或者本地配置信息进行服务发现，基于发现结果选择目标NF实例，删除业务请求中的服务发现参数后根据目标NF实例的FQDN或IP地址进行信令转发，如图3所示：

NF消费者可以根据配置决定，是由自己完成服务发现功能（C模式），还是由SCP代理服务发现（D模式）。无论哪种方式，NF消费者需本地配置SCP地址。SCP的主要功能是信令转发和代理服务发现，自身并不对外提供服务。

同一个网络，可以使用直接通信、间接通信或者直接通信和间接通信共存。NF消费者基于自身配置，决定采用直接通信还是间接通信[1]。

1.2  信令转发和路由选择

SCP支持FQDN、IP地址、用户标识（如SUPI等）以及本地数据配置进行路由策略选择。如果目标网元和SCP不在同一个业务区域（或数据中心），SCP应能将请求消息路由至其他区域的SCP或者SEPP（国际漫游场景）。

SCP支持对服务发现结果进行缓存，D模式下缓存NF Profile、NF/NF Service Set信息，在信息有效期内，NF发送的服务请求直接根据缓存信息路由，减少到NRF的发现/选择流程，提升路由选择与转发效率。

1.3  负载均衡

SCP可根据运营商部署需求，具备负载均衡功能，降低对NF消费者的要求;SCP按照负载情况，选择将业务请求转发至负载较轻的NF生产者，以达到全网负载均衡的目的。

2   两种间接通信模式的比较分析

无代理发现模式（C模式）和代理发现模式（D模式）两种间接通信模式的共同点主要包括以下方面：

（1）服务注册：NF与NRF互联，进行服务注册/去注册;

（2）NF间通信：NF与SCP互联，完成NF间的通信;

（3）链路管理：通过SCP实现链路汇聚，NF间链路减少;

（4）路由管理：由SCP完成路由决策;

（5）信令监控：在SCP上部署信令监控功能;

（6）流量控制和过载保护：可以部署在SCP上，降低对NF的要求。

差异点主要在服务发现、服务发现结果缓存和对NF的要求上。

（1）服务发现。C模式主要由NF通过NRF进行服务发现，也可以由NF消费者指定目标NF Set，由SCP通过查询NRF完成目标NF的选择;D模式主要由NF通过SCP进行代理服务发现，但对于部分NF生产者的发现，可能需要NF消费者、SCP与NRF共同协助完成，例如，I-SMF的发现可能需要AMF、SCP与NRF共同协助完成[2]。

（2）服务发现结果缓存。C模式的服务发现结果（目标NF Profile）缓存在NF，减少NF与NRF间服务发现的交互;D模式的服务发现结果（目标NF Profile）缓存在SCP，减少SCP与NRF间服务发现的交互。

（3）对NF的要求。C模式下，NF无需升级，只要把SCP设置为默认网关，无需区分场景，服务发现都通过NRF完成;D模式下，NF需升级，发送的Service Request消息中，需要携带目标NF的发现和选择参数。D模式下NF的服务发现功能依然保留，在AMF发现I-SMF场景，如果通过SCP代理发现失败，则需要AMF修改发现参数（删除UE位置信息）后，直接通过NRF先发现锚定SMF，再通过SCP发现I-SMF[1-2]。

可以看出，C模式下，NF和SCP在各类应用场景中的分工更清晰，定位更明确，服务发现主要通过NRF完成，SCP则完成信令转发和路由选择。D模式的好處是减轻NF消费者的功能，降低维护成本，SCP缓存NRF查询结果，减少信令交互，降低时延，但在不同场景下服务发现方式还需进一步明确。

因此，5G SA核心网商用初期，主要基于R15的服务化架构进行部署，建议采用C模式，对NF消费者没有额外的要求，只需配置SCP地址;后期根据设备的实现情况及全国部署规模，考虑引入D模式，进一步简化NF消费者的功能。后续的组网方案将基于C模式展开讨论。

3   5G SA信令组网方案建议

2019年3月，3GPP SA2#83会议为5GC SBA引入SCP和间接通信，预计标准冻结最快需要到2020年9月的版本。各主流通信设备厂家预计会在2020年底或2021年初提供第一代商用产品，但负载均衡、过载保护、流量控制、信令跟踪等非标准化功能，各自开发进度以及实现方式会有所不同，异厂家NF与SCP间的调测尚需时间。因此，5G SA信令网的建设，建议分步实施。

3.1  初期组网方案

5G SA商用初期，建议选择试点省部署一级SCP，根据业务量至少部署一对SCP，通过1+1负荷分担进行容灾备份，省间SCP网状互联，如图4所示。在SCP上部署信令监控、负载均衡、过载保护等功能，在试点省内以及省间对SCP的功能进行验证，并推动产品的成熟和完善。

以A省AMF（下称A-AMF）与B省UDM（下称B-UDM）为例，说明跨省NF间的发现与相互通信流程：

（1）NRF建立两级组网架构，骨干H-NRF连接各省L-NRF，负责转接跨省的网元发现查询与应答消息。

（2）A-AMF的服务发现消息，通过两级NRF组网，到达B省L-NRF;B省L-NRF返回的B-UDM的IP地址或FQDN经过H-NRF、L-NRF的传递后到达A-AMF，完成服务发现流程。

（3）由于A省SCP已设置为NF消息转发的默认网关，因此，A-AMF根据服务发现结果，将服务请求消息发送给A省SCP，A省SCP转发至B省SCP，最后到达B-UDM，完成NF间通信流程。

3.2  演进组网方案

随着SCP功能的完善与成熟，后期建议建设两级SCP组网架构，即各省部署L-SCP，省间按需建设多对骨干H-SCP，调整L-SCP数据配置，省间NF通信通过骨干H-SCP转接，简化跨省组网，骨干H-SCP全互联，实现信令汇聚，提升网络维护工作效率，如图5所示。

4   结束语

SCP的引入可以简化信令组网，使NF间的信令链路得到汇聚，减轻网络监控和维护的工作量，间接通信模式还有许多值得深入考虑的方面。例如，SCP与周边网元的定位、SCP与4G信令网元DRA在4G/5G网络融合过程中如何演进、NF与SCP如何配合完成基于号段寻址、D模式优势的深度挖掘、直接通信模式与间接通信模式的混合使用、SCP在融合计费中的应用等等，有待在实际应用中进一步明确。

参考文献：

[1]   3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.3.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System[S]. 2019.

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[3]   3GPP. 3GPP TS 29.500 V16.2.1： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; 5G System; Technical Realization of Service Based Architecture[S]. 2020.

[4]    卜忠貴，冯征，牛芳，等. 5G SA核心网信令组网方式分析[J]. 电信工程技术与标准化， 2019（8）： 30-35.

[5]   3GPP. 3GPP TS 33.501： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Security architecture and procedures for 5G system[S]. 2019.

[6]    3GPP. 3GPP TS 29.510： V16.2.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; 5G System; Network Function Repository Services[S]. 2019.

[7]     王庆扬，谢沛荣，熊尚坤，等. 5G关键技术与标准综述[J]. 电信科学， 2017（11）： 112-122.

[8]     杨旭，肖子玉，邵永平，等. 5G网络部署模式选择及演进策略[J]. 电信科学， 2018（6）： 138-146.

[9]     3GPP. 3GPP TS 23.503 V16.1.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Policy and Charging Control Framework for the 5G System[S]. 2019.

[10]  3GPP. 3GPP TS 29.573 V16.0.1： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; 5G System; Public Land Mobile Network （PLMN） Interconnection[S]. 2019.