5G信令組網架構增強演進

李雪馨 謝沛榮 呂振華

【摘 ?要】

3GPP 5GC系統架構引入SCP網元，同時將網元間通信區分為直接通信和間接通信，間接通信又分為無代理發現模式（Model C）和代理發現模式（Model D），對5G信令組網架構產生深遠的影響。從服務注冊、服務發現、NF間通信等多方面對間接通信兩種模式進行詳細對比分析，并基于無代理發現模式，對5G SA信令初期及演進組網方案提出建議。

【關鍵詞】5GC;間接通信;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

為滿足5G萬物互聯的需求，更方便靈活地適應垂直行業應用，5G核心網借鑒IT行業的通信模式，采用服務化架構（SBA， Service Based Architecture）。服務化架構將網絡功能（NF， Network Function）進一步拆分成若干個網絡功能服務（NF Service），NF/NF Service的注冊、發現以及功能服務之間的通信都需要通過控制面網元NRF完成，NF間的信令交互采用HTTP2.0協議進行直接通信。由于基于純NRF的信令組網方案存在NF間鏈路數量多，鏈路維護工作量大等問題[4]，3GPP 5G系統的R16版本規范引入SCP（Service Communication Proxy，服務通信代理），使HTTP信令得到匯聚，減少NF間的信令鏈路連接，并且標準化了廠家私有HTTP Proxy方案。

1 ? SCP的功能

3GPP對SCP功能的定義主要包含以下方面。

1.1 ?間接通信

3GPP于5G系統的R16版本規范引入間接通信（Indirect Communication）概念，同時也引入新網元SCP，即NF或NF服務之間，可以通過SCP進行間接通信，如圖1所示。

間接通信分為兩種模式[1]，無代理發現模式（Indirect Communication Without Delegated Discovery， Model C）和代理發現模式（Indirect Communication With Delegated Discovery， Model D）。無代理發現模式如圖2所示，NF消費者（NF Consumer）通過NRF進行服務發現，并且基于服務發現結果選擇目標NF生產者（NF Producer）的實例信息或者NF Set。NF消費者向SCP發送服務請求消息（NF消費者需對SCP的地址進行本地配置），消息中攜帶目標NF的FQDN或IP地址，SCP基于目標NF的地址信息進行路由選擇和信令轉發。

代理發現模式是指NF消費者不進行服務發現或服務選擇，而是向SCP發送服務請求的同時，攜帶服務發現和選擇的相關信息。SCP通過與NRF交互或者本地配置信息進行服務發現，基于發現結果選擇目標NF實例，刪除業務請求中的服務發現參數后根據目標NF實例的FQDN或IP地址進行信令轉發，如圖3所示：

NF消費者可以根據配置決定，是由自己完成服務發現功能（C模式），還是由SCP代理服務發現（D模式）。無論哪種方式，NF消費者需本地配置SCP地址。SCP的主要功能是信令轉發和代理服務發現，自身并不對外提供服務。

同一個網絡，可以使用直接通信、間接通信或者直接通信和間接通信共存。NF消費者基于自身配置，決定采用直接通信還是間接通信[1]。

1.2 ?信令轉發和路由選擇

SCP支持FQDN、IP地址、用戶標識（如SUPI等）以及本地數據配置進行路由策略選擇。如果目標網元和SCP不在同一個業務區域（或數據中心），SCP應能將請求消息路由至其他區域的SCP或者SEPP（國際漫游場景）。

SCP支持對服務發現結果進行緩存，D模式下緩存NF Profile、NF/NF Service Set信息，在信息有效期內，NF發送的服務請求直接根據緩存信息路由，減少到NRF的發現/選擇流程，提升路由選擇與轉發效率。

1.3 ?負載均衡

SCP可根據運營商部署需求，具備負載均衡功能，降低對NF消費者的要求;SCP按照負載情況，選擇將業務請求轉發至負載較輕的NF生產者，以達到全網負載均衡的目的。

2 ? 兩種間接通信模式的比較分析

無代理發現模式（C模式）和代理發現模式（D模式）兩種間接通信模式的共同點主要包括以下方面：

（1）服務注冊：NF與NRF互聯，進行服務注冊/去注冊;

（2）NF間通信：NF與SCP互聯，完成NF間的通信;

（3）鏈路管理：通過SCP實現鏈路匯聚，NF間鏈路減少;

（4）路由管理：由SCP完成路由決策;

（5）信令監控：在SCP上部署信令監控功能;

（6）流量控制和過載保護：可以部署在SCP上，降低對NF的要求。

差異點主要在服務發現、服務發現結果緩存和對NF的要求上。

（1）服務發現。C模式主要由NF通過NRF進行服務發現，也可以由NF消費者指定目標NF Set，由SCP通過查詢NRF完成目標NF的選擇;D模式主要由NF通過SCP進行代理服務發現，但對于部分NF生產者的發現，可能需要NF消費者、SCP與NRF共同協助完成，例如，I-SMF的發現可能需要AMF、SCP與NRF共同協助完成[2]。

（2）服務發現結果緩存。C模式的服務發現結果（目標NF Profile）緩存在NF，減少NF與NRF間服務發現的交互;D模式的服務發現結果（目標NF Profile）緩存在SCP，減少SCP與NRF間服務發現的交互。

（3）對NF的要求。C模式下，NF無需升級，只要把SCP設置為默認網關，無需區分場景，服務發現都通過NRF完成;D模式下，NF需升級，發送的Service Request消息中，需要攜帶目標NF的發現和選擇參數。D模式下NF的服務發現功能依然保留，在AMF發現I-SMF場景，如果通過SCP代理發現失敗，則需要AMF修改發現參數（刪除UE位置信息）后，直接通過NRF先發現錨定SMF，再通過SCP發現I-SMF[1-2]。

可以看出，C模式下，NF和SCP在各類應用場景中的分工更清晰，定位更明確，服務發現主要通過NRF完成，SCP則完成信令轉發和路由選擇。D模式的好處是減輕NF消費者的功能，降低維護成本，SCP緩存NRF查詢結果，減少信令交互，降低時延，但在不同場景下服務發現方式還需進一步明確。

因此，5G SA核心網商用初期，主要基于R15的服務化架構進行部署，建議采用C模式，對NF消費者沒有額外的要求，只需配置SCP地址;后期根據設備的實現情況及全國部署規模，考慮引入D模式，進一步簡化NF消費者的功能。后續的組網方案將基于C模式展開討論。

3 ? 5G SA信令組網方案建議

2019年3月，3GPP SA2#83會議為5GC SBA引入SCP和間接通信，預計標準凍結最快需要到2020年9月的版本。各主流通信設備廠家預計會在2020年底或2021年初提供第一代商用產品，但負載均衡、過載保護、流量控制、信令跟蹤等非標準化功能，各自開發進度以及實現方式會有所不同，異廠家NF與SCP間的調測尚需時間。因此，5G SA信令網的建設，建議分步實施。

3.1 ?初期組網方案

5G SA商用初期，建議選擇試點省部署一級SCP，根據業務量至少部署一對SCP，通過1+1負荷分擔進行容災備份，省間SCP網狀互聯，如圖4所示。在SCP上部署信令監控、負載均衡、過載保護等功能，在試點省內以及省間對SCP的功能進行驗證，并推動產品的成熟和完善。

以A省AMF（下稱A-AMF）與B省UDM（下稱B-UDM）為例，說明跨省NF間的發現與相互通信流程：

（1）NRF建立兩級組網架構，骨干H-NRF連接各省L-NRF，負責轉接跨省的網元發現查詢與應答消息。

（2）A-AMF的服務發現消息，通過兩級NRF組網，到達B省L-NRF;B省L-NRF返回的B-UDM的IP地址或FQDN經過H-NRF、L-NRF的傳遞后到達A-AMF，完成服務發現流程。

（3）由于A省SCP已設置為NF消息轉發的默認網關，因此，A-AMF根據服務發現結果，將服務請求消息發送給A省SCP，A省SCP轉發至B省SCP，最后到達B-UDM，完成NF間通信流程。

3.2 ?演進組網方案

隨著SCP功能的完善與成熟，后期建議建設兩級SCP組網架構，即各省部署L-SCP，省間按需建設多對骨干H-SCP，調整L-SCP數據配置，省間NF通信通過骨干H-SCP轉接，簡化跨省組網，骨干H-SCP全互聯，實現信令匯聚，提升網絡維護工作效率，如圖5所示。

4 ? 結束語

SCP的引入可以簡化信令組網，使NF間的信令鏈路得到匯聚，減輕網絡監控和維護的工作量，間接通信模式還有許多值得深入考慮的方面。例如，SCP與周邊網元的定位、SCP與4G信令網元DRA在4G/5G網絡融合過程中如何演進、NF與SCP如何配合完成基于號段尋址、D模式優勢的深度挖掘、直接通信模式與間接通信模式的混合使用、SCP在融合計費中的應用等等，有待在實際應用中進一步明確。

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