5G-R信令组网方案研究

李 雪，许 扬

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．中国铁路沈阳局集团有限公司，沈阳 110001)

1 概述

5G-R系统是在5G系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能。5G-R具有适应铁路运输特点的功能优势，满足下一代铁路移动通信系统功能及业务需求。同时5G产业在标准、产品、终端、安全、商业等各领域已经准备就绪，因此5G-R适用于下一代铁路移动通信系统。

不同于GSM-R网络，5G-R将是一个广应用、大连接、多切片的网络，因此5G-R网络信令交互将更加频繁且重要，如何提供简单高效、可持续演进的5G-R信令网将成为核心网建设和部署的关键。本文通过研究信令网的需求，提出5G-R信令组网方案。

2 信令组网方案比选

5G-R核心网是基于服务化接口的全新网络架构，各功能实体间使用HTTP 2.0信令协议来进行SBA接口通讯，信令网络如何组网成为5G核心网规划和建设的关键。随着3GPP标准的不断完善和发展，为满足更多部署场景和需求，在R15中引入NRF（NF Repository Function ）功能实体，主要负责NF的功能服务注册，业务发现和维护可用网元实例，数据配置和路由查询可通过NRF实现。在 R16版本中引入SCP（Service Communication Proxy）功能实体，支持HTTP信令间接通信功能，为5G核心网各NF间提供信令消息路由及转发。新增SCP提供路由策略及管理功能。从而各NF可专心于业务功能的实现，路由控制等功能统一由SCP来实现。SCP类似于现有七号信令网中的STP和Diameter信令网中的DRA，是5G核心网内HTTP消息转接代理设备，用于简化NF的信令路由和网络组织。

3GPP R16协议提供了4种NF间业务互通的通信模式，如表1所示。

表1 NF间业务互通模式Tab.1 Business interoperability model between NFs

如图1所示，模式A没有 NRF 交互的直接通信：既不使用 NRF，也不使用 SCP。消费者使用NF配置服务提供的“ NF 配置文件”， 与其所选的网元直接进行通信。此模式NF网元配置复杂，链路数量多，但NF直连，时延最低。

图1 模式A通信方式Fig.1 Communication mode for model A

如图2所示，模式B与 NRF 交互的直接通信：使用NRF做服务发现，查询 NRF，获得提供服务的NF列表，选择其需要进行通信的网元。此模式NF需静态配置NRF地址，NRF提供服务查询，业务路由仍由NF实现，链路数量多，时延较低。

图2 模式B通信方式Fig.2 Communication mode for model B

如图3所示，模式C没有委托发现的间接通信：使用NRF做服务发现，查询 NRF ，获得提供服务的NF列表，消费者将服务提供NF网元地址发送到 SCP（或发送服务提供NF列表至SCP，由SCP选定服务提供NF，如果需要，SCP与 NRF交互以获取选择参数，例如位置，容量等）。SCP将请求路由到选定的 NF 服务提供者实例。此模式NF链路经SCP收敛，NF配置简单，链路数量少，但需经NRF查询和SCP转接，时延较高。

图3 模式C通信方式Fig.3 Communication mode for model C

如图4所示，模式D与委托发现的间接通信：消费者不进行任何发现或选择。消费者将找到合适的提供者所需任何必要的发现和选择参数添加到服务请求中，并将服务请求发送给SCP。SCP 使用请求地址以及请求消息中的发现和选择参数将请求路由到合适的提供者实例。SCP 可以使用 NRF 执行发现并获得发现结果。此模式NF链路经SCP收敛，NF配置简单，链路数量少，但需经SCP转接，时延较高。

图4 模式D通信方式Fig.4 Communication mode for model D

5G-R试验线或建设初期，网络规模较小，可采用模式B，实现快速部署。全路各铁路局集团公司设置核心网，每个核心网设置一对NRF，负责局内NF服务注册、查询功能。在全路设置一对根NRF，负责局间NF服务查询功能。

随着5G-R网络的大规模建设，用户数量不断增加，网络规模逐步扩大，引入SCP简化NF的信令路由和网络组织，同时可以对信令流量进行控制，是均衡各网元的负载。采用模式3或模式4。模式3中，NRF和SCP独立设置，NRF进行地址映射，而SCP主要负责路由。模式3适合对已建设NRF并采用模式B的网络进行升级，对现网改动最小。模式4适合新建网络，链路清晰，SCP和NRF可合设，减少故障点，便于维护。

建议5G-R网络全路核心网先行建设，采用模式4建信令网，局内SCP与NRF可合设。

3 网络架构

3.1 组网架构

5G-R信令网采用3级架构，由NF、局NRF、SCP和根NRF组成。其中，NF网元应包括核心网提供服务化接口的所有网元，如AMF、SMF、NEF、PCF、UDM、NSSF、AUSF、UDR、NRF、EIR等。局NRF负责局内NF服务注册、查询功能。根NRF负责局间NF服务查询功能。

3.2 节点设置

3.2.1 SCP节点设置

SCP宜在局所在地集中、成对设置，成对的SCP应异址设置。

SCP设置在传输资源良好、具有多条相互独立物理传输路由、承载网节点上。

3.2.2 NRF节点设置

在局所在地冗余设置局NRF，采用1+1主备冗余方式，互为冗余的共用设备应异地设置。

全路集中、冗余设置根NRF，应采用1+1主备冗余方式，互为冗余的共用设备应异地设置。

互为冗余的NRF处理能力相同，其他设备之间的连接方式、接口数量相同。

3.3 网络组织

3.3.1 信令网路由

如图5所示，SCP分A、B平面成对设置。A平面和B平面内SCP在各自平面内全网状相连。DF与成对SCP设备开设直达信令链路。SCP采用负荷分担方式将信令送往局内一对SCP。

局内层面路由组织：SCP采用主备方式将信令送往目的信令点，主用直达路由，备用路由为同对另外一个SCP。

跨局层面路由组织：SCP采用主备方式将信令送往目的信令点，主用路由送至同平面对端SCP设备，备用路由为同对另外一个SCP。

3.3.2 路由计划

局1的NF与局2的NF信令交互，不同情况下路由计划如下。

1）正常情况下： 50%负荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]；50%负荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

图5 5G-R信令网双平面组网方式Fig.5 Two-plane networking of 5G-R signaling network

2）两局SCP-A之间链路故障情况下：100%负荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]。

3）两局SCP-B之间链路故障情况下：100%负荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

4）局1或局2的 SCP-A与SCP-B链路故障情况下：50%负荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]；50%负荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

5）局1的NF至SCP-A之间链路故障情况下：100%负荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

6）局1的NF至SCP-B之间链路故障情况下：100%负荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]。

7）局2的NF至SCP-A之间链路故障情况下：50%负荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—SCP-B（局2）—NF（局2）]；50%负荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—NF（局2）]。

8）局2的NF至SCP-B之间链路故障情况下：50%负荷[NF（局1）—SCP-A（局1）—SCP-A（局2）—NF（局2）]；50%负荷[NF（局1）—SCP-B（局1）—SCP-B（局2）—SCP-A（局2）—NF（局2）]。

4 结束语

本文针对5G-R网元特点，对多种信令路由模式进行了比较和分析。根据不同阶段的需求，给出了5G-R规模建网阶段的信令组网方案及其网络架构。此方案简化了网络拓扑关系，便于维护，为5G-R的规模部署时的信令网建设提供参考。