5G核心网网络健壮性增强方案研究

网络故障容易引起信令风暴，进而对网络的稳定运行造成冲击。通过增强5GC网元功能可降低网络故障的影响、减少信令风暴的产生，提升网络健壮性。重点研究了AMF主备网元用户动态数据热备和5GC免UDM惯性运行增强功能，并基于实验室环境进行了测试验证。初步验证了该功能的有效性和可行性，为进一步开展现网测试验证提供了参考依据。

作者：张欣 朱晓林 等
来源：邮电设计技术
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/Z-mFkWKeM2suoKHQ4Mf0Vg

 引  言     

随着通信网络的IP化和云化演进，网络故障的影响范围扩大。当发生网络故障时，故障点可能对大量用户业务形成“堰塞湖”效应，并在故障解除时触发瞬间的信令冲击。为了降低网络故障的影响、减少信令风暴的产生，需进一步增强网元功能，提升网络健壮性。本文主要对AMF主备网元用户动态数据热备功能和5GC免UDM惯性运行功能进行研究，提出5GC网元功能增强方案。

01 网络功能增强解决方案

1.1 AMF主备网元用户动态数据热备功能

AMF主备网元之间保持用户动态数据的同步，发生主备倒换后，备用网元有用户动态数据，用户无需重新注册，无注册浪涌信令，减少对各网元的信令冲击。

正常工作状态，AMF将用户上下文状态数据同时保存到其备份AMF中。当AMF故障后，周边网元把用户消息发送给备份AMF，备份AMF查询用户上下文状态数据，继续处理用户业务流程，从而保障了业务连续性。同时，由于UE不用重新注册就能使业务继续，无注册浪涌信令，减少了对各网元的信令冲击。

周边网元发送至AMF的消息包括从RAN发起和其他5GC网元发起2类，其中RAN侧主动发起的业务流程如图1所示。

a）为AMF1（原AMF）配置备份的AMF2（备份AMF），AMF1将Served GUAMI以及Backup AMF信息下发给gNodeB。AMF2通过NF注册流程将其备份的GUAMI保存到NRF中，供其他NF获取。

b）用户接入网络并进行业务流程处理。AMF1在业务处理流程中，将用户上下文状态数据同步到AMF2中，AMF2保存同步数据。

c）当AMF1发生故障时，UE发起业务请求，gNodeB发送消息无响应，gNodeB识别并判定AMF1故障，将用户的请求消息发送给AMF2。AMF2接收用户请求后，判断其原为AMF1所处理的用户，从保存数据中获取用户上下文状态数据，并继续处理此用户的相关业务流程。AMF2为用户重新分配5G-GUTI，向gNodeB发送更新5G-GUTI及AMF UE NGAP ID的消息，后续此用户业务由AMF2进行处理。AMF2与其他NF交互，其他NF接收消息后，识别AMF1故障，后续与AMF2交互处理此用户相关业务流程。

d）后续此UE的业务将在AMF2正常处理。

周边5GC网元主动发起的业务流程如图2所示。

a）正常业务处理流程中，UE1用户的业务由AMF1处理。业务流程处理完毕，AMF1将用户上下文状态数据同步到为其备份的AMF2中，AMF2保存同步数据。

b）当AMF1发生故障时，无法正常向NRF 发送Heartbeat保活机制的更新消息，NRF识别并判定AMF1故障。NRF向订阅了原AMF状态的NF发送状态变更通知消息（原AMF故障）。周边NF如SMF、PCF等在本地没有备份AMF信息的情况下，可向NRF执行AMF发现流程，用于获取原AMF的备份AMF信息。

c）周边NF如SMF、PCF等在需要主动发起业务流程的情况下，选择故障AMF1（即原AMF）的备份AMF（AMF2），将业务消息发送给AMF2。AMF2接收业务消息后，判断其原为AMF1所处理的用户，从保存的数据中获取UE1用户上下文状态数据，并继续处理此用户的相关业务流程。AMF2为用户重新分配5G-GUTI，向gNodeB发送消息更新5G-GUTI及AMF UENGAP ID的消息，后续此用户业务由AMF2进行处理。AMF2与其他NF（如PCF）交互，继续处理此用户业务流程。其他NF接收消息后，识别AMF1故障，后续与AMF2交互处理此用户相关业务流程。AMF2与UDM交互，通知AMF2成为此用户的服务AMF，UDM保存相关信息，同时与备份AMF交互处理此用户相关业务流程。

d）后续UE1的业务由AMF2进行处理。

1.2 5GC免UDM惯性运行功能

5GC免UDM惯性运行功能主要针对AMF和SMF网元，包含4个部分，即故障检测、故障后处理、故障恢复检测、故障恢复处理。

1.2.1 故障检测

AMF、SMF支持如下方式检测UDM是否故障：基于NRF状态通知、本地NF状态检测、基于响应状态码和错误码。

1.2.1.1 基于NRF状态通知

基于NRF状态通知适用于直连组网、SCP C组网模式。如图3所示，AMF、SMF向NRF订阅UDM状态变更通知，当NRF检测到UDM状态由正常状态变换为故障状态后，触发NF状态通知，告知AMF、SMF新的UDM状态。AMF、SMF故障检测机制相同，以AMF为例进行说明，流程如下：

步骤 1：AMF向NRF发送订阅请求Nnrf_NFManagement_NFStatusSubscribe Request，携带需要订阅的UDM。

步骤 2：NRF保存订阅信息，并返回响应Nnrf_NFManagement_NFStatusSubscribe Response。

步骤 3：NRF检测到UDM状态变为故障态，比如通过本地NF检测。

步骤 4：NRF触发NF状态通知NnrfNF_Management_NFStatusNotify给AMF，携带UDM最新状态。

1.2.1.2 本地NF状态检测

本地NF状态检测仅适用于直连组网模式。通过定时向目标NF发起HTTP PING检测消息，以确认目标NF是否正常，如图4所示。

步骤1：AMF定时向UDM触发HTTP PING检测。

步骤2：AMF等待HTTP PING响应超时次数超过门限，判定UDM故障，将对应UDM加入到故障列表中。

1.2.1.3 基于响应状态码和错误码

基于响应状态码和错误码适用于SCP D 组网模式。如图5所示，AMF基于SCP/UDM返回响应的HTTP状态码以及应用错误码，判断UDM 是否故障。UDM bypass是一个定制功能，为了防止该功能对原有功能产生影响，建议SCP检测到UDM故障时，返回状态码502以及应用错误码bypass。其中，bypass为自定义的应用错误码。流程如下：

步骤 1：SCP通过本地状态检测或者NRF状态通知，检测到UDM已经故障。

步骤2：AMF收到用户业务且需要和UDM交互，比如向UDM请求签约数据，则发送用户业务请求消息给SCP。

步骤3：SCP根据本地已保存的UDM状态信息，判定用户归属的UDM已全部故障，则回复用户业务失败响应，携带已经规划的指示UDM全故障的状态码或应用层错误码。AMF收到该失败响应后，判断用户归属的UDM故障。

1.2.2 故障后处理

如图6所示，AMF、SMF检测到UDM故障，则启用本地缓存的用户签约数据或本地配置的签约数据，跳过UDM注册、订阅以及请求签约数据过程，继续用户当前信令业务，触发用户进入bypass状态。AMF、SMF故障后处理机制相同，以AMF为例进行说明，流程如下：

步骤1：UE触发业务请求，比如用户从4G移动到5G，或者从其他AMF回到本AMF，或者本局重新初始注册等。

步骤2：AMF已通过本地NF检测、NRF状态通知等方式，检测到用户归属的UDM全部故障。

步骤3：若AMF根据步骤2判断用户归属UDM全部故障后，触发用户进入bypass状态，跳过用户鉴权、UDM注册、UDM订阅、向UDM请求签约数据。若AMF本地未缓存用户签约数据，则启用本地配置的签约数据。

步骤4：用户信令业务继续，给UE回复成功响应。

1.2.3 故障恢复检测

AMF、SMF支持3种方式检测UDM是否故障恢复：基于NRF状态通知、本地NF状态检测、基于响应状态码和错误码。

1.2.3.1 基于NRF状态通知

如图7所示，AMF、SMF向NRF订阅UDM状态变更通知，当NRF检测到UDM状态由正常状态变换为故障状态后，触发NF状态通知，告知AMF、SMF新的UDM状态。AMF、SMF故障恢复检测机制相同，以AMF为例进行说明，流程如下：

步骤1：AMF已经检测到UDM故障，且AMF已经向NRF订阅了UDM状态。

步骤2：UDM从故障状态恢复为正常状态。

步骤3：NRF通过本地NF检测或者UDM主动触发更新流程，判定UDM已经从故障态恢复为正常状态。

步骤 4：NRF触发NF状态通知NnrfNF_Manage-ment_NFStatusNotify给AMF，携带UDM最新状态。

1.2.3.2 本地NF状态检测

如图8所示，通过定时向检测到的故障NF 发起HTTP PING检测消息，以确认目标NF是否正常。本地NF状态检测流程如下。

步骤1：UDM已经从故障态恢复。

步骤 2：AMF定时向检测到的故障UDM触发HTTP PING REQUEST。

步骤 3：UDM回复响应HTTP PING RESPONSE。AMF判定UDM 已经恢复，从NF故障列表中将对应UDM移除。

1.2.3.3 基于响应状态码和错误码

如图9所示，AMF基于SCP返回响应的HTTP状态码以及应用错误码，判断UDM是否恢复。流程如下：

步骤1：UDM已经从故障态恢复。

步骤2：SCP已通过故障检测机制，比如本地NF检测机制，检测到UDM已经恢复。

步骤3：AMF定时扫描bypass状态用户，触发用户级检测请求消息，该请求消息经过SCP转发给UDM。

步骤 4：UDM回复响应消息，经过SCP转发给AMF。若为成功响应，或者虽然为失败响应但消息中未携带指示UDM故障的状态码以及应用层错误码，则AMF判定用户归属的UDM已经恢复。

1.2.4 故障恢复处理

AMF定时扫描bypass状态用户，通过故障恢复检测机制，判定UDM已经恢复后，触发用户下线并重新注册。在用户重新注册时，恢复用户鉴权以及和UDM交互过程。故障恢复处理流程如图10所示。

步骤1：AMF定时扫描bypass用户。

步骤2：AMF通过故障恢复检测机制，比如NRF状态通知、本地NF通知或者用户级检测消息，判定UDM已经恢复。

步骤 3：AMF触发用户下线，下发Deregistration Request，携带re-registration required，请求用户重新注册。若用户处于空闲态，需要先触发用户寻呼。

步骤 4：UE触发注册过程，发送Registration Request给AMF。

步骤5：AMF根据本地策略判定需要鉴权用户，则触发鉴权过程。

步骤 6：AMF判断用户为bypass用户，则触发向UDM注册过程。

步骤7：AMF判断bypass用户且用户签约数据为本地配置的签约数据，则触发向UDM请求用户签约数据。

步骤 8：AMF判断用户为bypass用户，则触发向UDM订阅用户签约数据变更。

步骤9：AMF将用户退出bypass状态，继续用户注册流程。

02 测试验证

为了进一步验证本文方法的有效性，组织5G核心网主设备厂家基于实验环境进行了相关功能测试。

2.1 AMF主备网元用户动态数据热备功能测试

2.1.1 测试内容

如表1所示，针对AMF主备网元用户动态数据热备功能测试，设计了4个测试用例。

表1 AMF主备网元用户动态数据热备

功能测试表

2.1.2 测试结果

AMF主备网元用户动态数据热备功能测试情况如表2所示。

表2 AMF主备网元用户动态数据热备功能测试结果表

2.2 5GC免UDM惯性运行功能测试

2.2.1 测试内容

如表 3 所示，针对5GC免UDM惯性运行功能测试，设计了10个测试用例。

表3 5GC免UDM惯性运行功能测试表

2.2.2 测试结果

测试情况如表4所示。

表4 5GC免UDM惯性运行功能测试结果表

因测试环境原因，2个厂家都未进行用例4、用例7测试。因A厂家AMF、SMF目前暂不支持手动进入UDM bypass状态，暂未测试用例9。

2.3 测试结论总结和局限性说明

通过实验室测试验证，基本验证了AMF主备网元用户动态数据热备功能和5GC免UDM惯性运行功能的有效性和可行性，为进一步开展现网测试验证提供了参考依据。但受限于测试环境和测试版本，部分测试用例未完成测试，且异厂家的兼容性测试未进行，有待进一步测试验证。

03 结束语

面对网络故障或业务异常导致的信令风暴，通过引入AMF主备网元用户动态数据热备、5GC 免UDM惯性运行等功能，可进一步提升网络业务保障能力，规避用户大量下线、业务中断导致的信令风暴，降低信令风暴对网络的冲击，进一步提升网络的健壮性。

参考文献

［1］ 邢燕霞，毛聪杰，杨静雯. 移动网信令风暴产生原因及解决方案分析［J］. 电信科学，2014，30（12）：134-138.

［2］ 马洪源，肖子玉，卜忠贵，等. 面向5G的核心网演进［J］. 电信科学，2019，35（9）：135-143.

［3］ 穆佳，王勇，马瑞涛，等. 面向3GPP R16的5G核心网演进策略研究［J］. 邮电设计技术，2022（2）：1-8.

［4］ 孔令义，常艳生，阎艳芳，等. 大区化5G核心网部署研究［J］. 邮电设计技术，2022（8）：79-82.

［5］ 孔珍. 5G核心网关键技术布局及应用［J］. 中国信息化，2022（6）：57-58.

［6］ 赫罡，苗杰，童俊杰. 5G核心网技术演进及挑战［J］. 中兴通讯技术，2020，26（3）：23-26.

［7］ IMT-2020（5G）推进组. 5G核心网云化部署需求与关键技术白皮书［R/OL］.［2022-12-17］. http：//www. caict. ac. cn/kxyj/qwfb/bps/201806/P020180621513752479196.pdf.

［8］ 赵慧玲 . 5G 核心网技术与挑战专题导读［J］. 中兴通讯技术，2020，26（3）：1-2.

［9］ 韦国锐，霍晓歌. 5G时代虚拟化核心网组网架构演进［J］. 移动通信，2018，42（12）：37-41.

［10］ 杨炼，王悦，蒲浩杰，等 . 5G 核心网关键技术与网络云化部署［M］. 北京：人民邮电出版社，2022：101-104.

［11］ 韦国锐，陈立栋，于秋思，等. 跨DC的虚拟化核心网容灾体系研究［J］. 邮电设计技术，2019（9）：78-81.

［12］ 刘召阳. 基于漏斗型流控算法的5G容灾策略研究［J］. 计算机产品与流通，2021（7）：110-112.

［13］ 杨雯，王琴，席晓乾，等. 5G核心网元UDM垂直容灾可靠性研究［J］. 信息技术时代，2022（12）：122-124.

［14］李延斌. 5G核心网容灾方案及部署策略研究［J］. 邮电设计技术，2020（9）：79-82.

［15］钟橙. 5G核心网容灾方案探析［J］. 数据通信，2020（1）：1-2，12.

［16］刘赢，胡旋，侯磊磊，等. 关于5G核心网高可靠性及容灾能力的研究［J］. 卫星电视与宽带多媒体，2022（9）：29-31.

［17］ 陈俊杰，李占武，陶晓明，等 . 一种核心网信令处理装置：CN109495855A［P］. 2019.

［18］ 周奇，谢晓军，陈长怡，等 . 信令监测方法，系统和存储介质：CN202111533372.7［P］. 2022.

作者简介

张欣，毕业于西安邮电学院，高级工程师，学士，主要从事5GC网络的维护工作；

朱晓林，毕业于北京邮电大学，高级工程师，硕士，主要从事移动核心网建设与维护工作；

滕佳欣，毕业于北京邮电大学，高级工程师，硕士，主要从事5GC网络的建设工作；

刘凡栋，毕业于南京邮电大学，高级工程师，学士，主要从事移动核心网咨询规划和设计工作。