基于容災(zāi)組網(wǎng)提升5G專網(wǎng)的可靠性研究

陳 力，李春碩，李 想，劉一婷，祝 賀

（1.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司 湖北分公司，湖北 武漢 430000；2.中國移動通信集團湖北有限公司 荊州分公司，湖北 荊州 434000；3.中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

對于5G工業(yè)級應(yīng)用，可靠性是評估項目實施質(zhì)量的重要標準。5G無線網(wǎng)絡(luò)存在容量大、時延低以及組網(wǎng)靈活的優(yōu)點，但也存在核心網(wǎng)以及無線網(wǎng)設(shè)備故障，人為因素導(dǎo)致5G專網(wǎng)信號無法正常承載業(yè)務(wù)等問題將直接導(dǎo)致生產(chǎn)線停工，造成嚴重損失。因此，相關(guān)結(jié)構(gòu)需采取容災(zāi)設(shè)計，以確保故障、人為破壞以及軟件吊死等導(dǎo)致的設(shè)備退服不影響5G網(wǎng)絡(luò)的正常使用[1-5]。

1 可靠性組網(wǎng)方案

網(wǎng)絡(luò)的可靠性是重點考核指標。面對室內(nèi)ToB場景，尤其是智能制造場景，基于實際生產(chǎn)的高可靠需求，人們對網(wǎng)絡(luò)的可用度提出了更為嚴苛的要求。網(wǎng)絡(luò)故障會造成生產(chǎn)停止，給企業(yè)方造成不可估量的影響。因此，需要有針對性地進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和容災(zāi)設(shè)計，以保障特定故障場景下網(wǎng)絡(luò)的可靠性[6-9]。

1.1 核心網(wǎng)容災(zāi)方案

智慧工廠核心網(wǎng)設(shè)備放置于客戶機房，若只有1套用戶端口功能（User Port Function，UPF）設(shè)備，當(dāng)存在設(shè)備故障等意外因素時，會中斷業(yè)務(wù)且恢復(fù)困難。采取主備UPF連接模式，2臺UPF設(shè)備間以邏輯通用路由封裝協(xié)議（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道進行連接。用戶優(yōu)先注冊在主用UPF1，備用UPF2僅在主用UPF1故障恢復(fù)場景下通過GRE隧道傳遞容災(zāi)流量。當(dāng)主用UPF1發(fā)生故障時，用戶重新附著，備用UPF2承載業(yè)務(wù)。當(dāng)主用UPF1故障恢復(fù)時，路由切換回主用UPF1，主用UPF1轉(zhuǎn)給備用UPF2，備用UPF2發(fā)給用戶。核心網(wǎng)及傳輸網(wǎng)的容災(zāi)方案如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

UPF側(cè)開通2個邏輯子接口，通過不同的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）進行劃分。企業(yè)園區(qū)網(wǎng)段高優(yōu)先級路由，其他默認送往Internet方向，審計服務(wù)器管控外網(wǎng)白名單。用戶優(yōu)先注冊在主用UPF，備用UPF僅在主用UPF故障恢復(fù)場景下通過GRE隧道傳遞容災(zāi)流量。主用UPF故障恢復(fù)場景下，備用UPF上的在線用戶通過GRE隧道繞行到主用UPF。終端互訪業(yè)務(wù)場景下，需要手動激活備用UPF用戶會話恢復(fù)業(yè)務(wù)。終端靜態(tài)網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址在主/備UPF發(fā)布相同網(wǎng)段地址，通過不同的路由優(yōu)先級區(qū)分，其中下行回程路由優(yōu)先選擇高優(yōu)先級主用UPF，具體步驟如圖2所示。

圖2 邏輯組網(wǎng)

1.2 無線網(wǎng)容災(zāi)方案

核心網(wǎng)主設(shè)備放置于機房，溫度、濕度以及供電等較穩(wěn)定，如無外力破壞，冗余方案可避免絕大部分退服情況，安全性較高。傳輸網(wǎng)主設(shè)備放置于機房，主干光纜埋設(shè)于管道。使用雙路由方案后，安全性較高。無線網(wǎng)5G室內(nèi)數(shù)字化基站系統(tǒng)包括基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）、無線擴展單元（Remote Radio Unit Hub，RHUB）和射頻拉遠單元（pico Remote Radio Unit，pRRU）3個層級。除BBU放置于機房（安全性較高），RHUB和pRRU均安裝于廠區(qū)。廠區(qū)內(nèi)部存在溫度較高、末端供電易中斷以及RHUB側(cè)光纜易被外力損壞的問題，同時因pRRU作為信源設(shè)備易發(fā)熱，折損率遠高于其他設(shè)備，易出現(xiàn)突發(fā)故障。無線網(wǎng)容災(zāi)方案如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)設(shè)備容災(zāi)方案

無線網(wǎng)容災(zāi)是智慧工廠5G專網(wǎng)的重點，直接決定了生產(chǎn)線運行狀態(tài)。在保持無線建網(wǎng)成本基本不變的前提下，充分利用制造車間空曠的場景特點，通過RHUB+pRRU交叉冗余覆蓋方式，保障在單pRRU/單RHUB故障模式下削弱對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響，避免出現(xiàn)區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)故障，有效提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。組網(wǎng)模式具有可拓展性，后期可隨業(yè)務(wù)場景的變化而改變，滿足客戶需求的同時節(jié)約成本。下面對常見故障模式和解決方案進行驗證。

故障模式1：BBU板卡故障，故障影響范圍為小區(qū)級。BBU單個板卡故障時，其所屬小區(qū)整體故障。為應(yīng)對故障，備份BBU板卡，將RHUB通過雙纖方式連接到主備2個不同的BBU板卡。當(dāng)主板卡故障時，備用板卡生效替代故障板卡工作，快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，要求響應(yīng)時長不高于10 min。

故障模式2：RHUB故障，故障影響范圍為RHUB級，影響故障RHUB下屬的所有pRRU。為應(yīng)對故障，2個RHUB所屬pRRU點位交叉部署，在現(xiàn)狀或面狀的目標覆蓋范圍內(nèi)形成交錯點位規(guī)劃。在故障模式1的pRRU覆蓋冗余規(guī)劃基礎(chǔ)上，RHUB所屬pRRU點位交叉部署，不增加設(shè)備數(shù)量，但在單個RHUB故障下，即便所屬的所有pRRU均失效，仍可在另一個RHUB功能正常的情況下保證網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)功能，要求空口實時響應(yīng)。例如，某廠區(qū)生產(chǎn)線采取單扇區(qū)組網(wǎng)方式，pRRU頻率選擇為2.6 GHz為100 MHz頻段，pRRU點位間距為20～40 m，相鄰pRRU分別連接至2臺RHUB（綠色及紅色）。在1臺RHUB退服的情況下，不會出現(xiàn)大面積覆蓋空洞，如圖4所示。

圖4 RHUB安裝示意

故障模式3：pRRU故障，故障影響范圍為pRRU級，即單個pRRU的覆蓋面積內(nèi)。為應(yīng)對故障，pRRU覆蓋冗余規(guī)劃，要求pRRU之間覆蓋存在一定的交疊，適當(dāng)增加pRRU點位密度。當(dāng)單個pRRU故障時，周邊pRRU快速覆蓋補充，并針對特定場景的pRRU掛高和邊緣覆蓋要求設(shè)計pRRU間距。

通過pRRU、RHUB以及BBU的三級高可用度規(guī)劃方案，確保在不同故障模式下網(wǎng)路依然正常工作或者快速恢復(fù)，并針對不同故障模式的故障告警方式提示運維人員第一時間回復(fù)故障模塊，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的高可用度。

2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋驗證

選取某廠房，分別關(guān)閉pRRU和1臺RHUB，驗證RHUB/pRRU的冗余設(shè)計效果。雙圈標注的為計劃關(guān)閉的pRRU，單圈標注的為計劃關(guān)閉的RHUB下聯(lián)的所有pRRU，如圖5所示。

圖5 關(guān)閉pRRU示意

2.1 關(guān)閉pRRU效果驗證

關(guān)閉pRRU的測試效果如圖6所示。關(guān)閉目標pRRU后，點位正下方參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）下降3～5 dB，不影響感知。關(guān)閉目標pRRU后，點位正下方上行速率下降小于10%。經(jīng)現(xiàn)場測試，5G上行速率約為100 Mb/s，關(guān)閉pRRU上行速率約為90 Mb/s。某廠生產(chǎn)線需求上行容量最高設(shè)備為高清AI相機/攝像頭（需求最高上行速率為50 Mb/s），因此在pRRU離線后，上行容量仍可滿足需求。可見，單pRRU關(guān)閉的情況下，周邊pRRU可快速補充，保障基礎(chǔ)覆蓋，整個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)體驗影響較小，充分體現(xiàn)了覆蓋規(guī)劃冗余效果的優(yōu)勢。

圖6 pRRU效果測試

2.2 關(guān)閉RHUB效果驗證

RHUB效果測試如圖7所示。關(guān)閉目標RHUB后，退服pRRU后RSRP均值下降3～4 dB，不影響感知。關(guān)閉目標RHUB后，平均速率下降10%，平均上行速率仍高于90 Mb/s，上行容量仍可滿足需求。可見，在單RHUB關(guān)閉后，周邊pRRU可快速補充，保障基礎(chǔ)覆蓋。

圖7 RHUB效果測試

2.3 終端自適應(yīng)驗證

驗證測試時段，某廠房生產(chǎn)線設(shè)備還未進場，現(xiàn)場環(huán)境空曠，故而測試驗證的效果較好。后續(xù)在增加貨架和頂板等其他生產(chǎn)設(shè)備的情況下，周邊補充覆蓋的pRRU將存在更多阻擋，驗證點位的電平預(yù)計下降10 dB。5G專網(wǎng)中，當(dāng)覆蓋區(qū)域電平和速率出現(xiàn)陡降時，終端發(fā)射功率將自適應(yīng)抬升。為驗證該場景，關(guān)閉目標RHUB后，在正常運行的pRRU下放置木料薄板（電平衰減約5 dB），驗證結(jié)果如圖8所示。

圖8 RHUB實測場景效果測試

關(guān)閉RHUB，增加格擋物后，5G終端發(fā)射功率抬升4 dB左右，因此實際5G電平的衰減值在5 dB左右，可滿足需求。

測試結(jié)果驗證了RHUB+pRRU的可靠性。此外，單RHUB或pRRU故障或關(guān)閉的情況下，對整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和吞吐率影響均不大，可滿足基礎(chǔ)覆蓋，保障容量，降低設(shè)備問題帶來的網(wǎng)絡(luò)故障，提高整體網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，保障工廠的生產(chǎn)運營。通過將BBU下屬的pRRU分組，實現(xiàn)多個小區(qū)的靈活擴展與合并，無縫擴容，適合企業(yè)分步進行5G建設(shè)，同時可實現(xiàn)多終端接入下調(diào)度的時延低要求，且均衡可控。RHUB+pRRU通過數(shù)字信號的合并和轉(zhuǎn)發(fā)，分方案漫游區(qū)域可控，可實現(xiàn)500～30 000 m2區(qū)域內(nèi)的移動無漫游，低延時且零丟包，滿足工業(yè)移動場景的需求。

3 結(jié) 論

室內(nèi)是5G的重要應(yīng)用場景，在5G中的應(yīng)用占比越來越高。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，4G時代70%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，而5G時代將超過85%的應(yīng)用發(fā)生在室內(nèi)。5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)相比，具有高速率、低時延以及大容量等特征，適用于企業(yè)工廠內(nèi)部。利用5G移動網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，借助人工智能技術(shù)，可提高產(chǎn)品的制造效率。基于5G的機器人廠內(nèi)巡檢和無人車廠內(nèi)轉(zhuǎn)運貨物等給企業(yè)帶來了諸多效益。如何保障網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠、組網(wǎng)靈活以及上下行速率提升，將是后續(xù)研究的重點。

容災(zāi)方案適用于所有5G專網(wǎng)場景，重點在于備用設(shè)備的安裝和主備設(shè)備間的數(shù)據(jù)流流轉(zhuǎn)。目前，容災(zāi)方案的可行性已得到驗證，因此在類似專網(wǎng)中均可應(yīng)用，如宏站、室分以及微站等。無線網(wǎng)容災(zāi)方案的重點在于備用BBU安裝和pRRU冗余布放設(shè)計，從而規(guī)避因RHUB或pRRU故障引發(fā)的覆蓋空洞。