基于容灾组网提升5G专网的可靠性研究

陈 力，李春硕，李 想，刘一婷，祝 贺

（1.中国移动通信集团设计院有限公司 湖北分公司，湖北 武汉 430000；2.中国移动通信集团湖北有限公司 荆州分公司，湖北 荆州 434000；3.中移物联网有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

对于5G工业级应用，可靠性是评估项目实施质量的重要标准。5G无线网络存在容量大、时延低以及组网灵活的优点，但也存在核心网以及无线网设备故障，人为因素导致5G专网信号无法正常承载业务等问题将直接导致生产线停工，造成严重损失。因此，相关结构需采取容灾设计，以确保故障、人为破坏以及软件吊死等导致的设备退服不影响5G网络的正常使用[1-5]。

1 可靠性组网方案

网络的可靠性是重点考核指标。面对室内ToB场景，尤其是智能制造场景，基于实际生产的高可靠需求，人们对网络的可用度提出了更为严苛的要求。网络故障会造成生产停止，给企业方造成不可估量的影响。因此，需要有针对性地进行网络规划和容灾设计，以保障特定故障场景下网络的可靠性[6-9]。

1.1 核心网容灾方案

智慧工厂核心网设备放置于客户机房，若只有1套用户端口功能（User Port Function，UPF）设备，当存在设备故障等意外因素时，会中断业务且恢复困难。采取主备UPF连接模式，2台UPF设备间以逻辑通用路由封装协议（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道进行连接。用户优先注册在主用UPF1，备用UPF2仅在主用UPF1故障恢复场景下通过GRE隧道传递容灾流量。当主用UPF1发生故障时，用户重新附着，备用UPF2承载业务。当主用UPF1故障恢复时，路由切换回主用UPF1，主用UPF1转给备用UPF2，备用UPF2发给用户。核心网及传输网的容灾方案如图1所示。

图1 网络组网

UPF侧开通2个逻辑子接口，通过不同的虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）进行划分。企业园区网段高优先级路由，其他默认送往Internet方向，审计服务器管控外网白名单。用户优先注册在主用UPF，备用UPF仅在主用UPF故障恢复场景下通过GRE隧道传递容灾流量。主用UPF故障恢复场景下，备用UPF上的在线用户通过GRE隧道绕行到主用UPF。终端互访业务场景下，需要手动激活备用UPF用户会话恢复业务。终端静态网际协议（Internet Protocol，IP）地址在主/备UPF发布相同网段地址，通过不同的路由优先级区分，其中下行回程路由优先选择高优先级主用UPF，具体步骤如图2所示。

图2 逻辑组网

1.2 无线网容灾方案

核心网主设备放置于机房，温度、湿度以及供电等较稳定，如无外力破坏，冗余方案可避免绝大部分退服情况，安全性较高。传输网主设备放置于机房，主干光缆埋设于管道。使用双路由方案后，安全性较高。无线网5G室内数字化基站系统包括基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）、无线扩展单元（Remote Radio Unit Hub，RHUB）和射频拉远单元（pico Remote Radio Unit，pRRU）3个层级。除BBU放置于机房（安全性较高），RHUB和pRRU均安装于厂区。厂区内部存在温度较高、末端供电易中断以及RHUB侧光缆易被外力损坏的问题，同时因pRRU作为信源设备易发热，折损率远高于其他设备，易出现突发故障。无线网容灾方案如图3所示。

图3 无线网设备容灾方案

无线网容灾是智慧工厂5G专网的重点，直接决定了生产线运行状态。在保持无线建网成本基本不变的前提下，充分利用制造车间空旷的场景特点，通过RHUB+pRRU交叉冗余覆盖方式，保障在单pRRU/单RHUB故障模式下削弱对网络质量的影响，避免出现区域性网络故障，有效提升网络可靠性。组网模式具有可拓展性，后期可随业务场景的变化而改变，满足客户需求的同时节约成本。下面对常见故障模式和解决方案进行验证。

故障模式1：BBU板卡故障，故障影响范围为小区级。BBU单个板卡故障时，其所属小区整体故障。为应对故障，备份BBU板卡，将RHUB通过双纤方式连接到主备2个不同的BBU板卡。当主板卡故障时，备用板卡生效替代故障板卡工作，快速恢复网络，要求响应时长不高于10 min。

故障模式2：RHUB故障，故障影响范围为RHUB级，影响故障RHUB下属的所有pRRU。为应对故障，2个RHUB所属pRRU点位交叉部署，在现状或面状的目标覆盖范围内形成交错点位规划。在故障模式1的pRRU覆盖冗余规划基础上，RHUB所属pRRU点位交叉部署，不增加设备数量，但在单个RHUB故障下，即便所属的所有pRRU均失效，仍可在另一个RHUB功能正常的情况下保证网络基础功能，要求空口实时响应。例如，某厂区生产线采取单扇区组网方式，pRRU频率选择为2.6 GHz为100 MHz频段，pRRU点位间距为20～40 m，相邻pRRU分别连接至2台RHUB（绿色及红色）。在1台RHUB退服的情况下，不会出现大面积覆盖空洞，如图4所示。

图4 RHUB安装示意

故障模式3：pRRU故障，故障影响范围为pRRU级，即单个pRRU的覆盖面积内。为应对故障，pRRU覆盖冗余规划，要求pRRU之间覆盖存在一定的交叠，适当增加pRRU点位密度。当单个pRRU故障时，周边pRRU快速覆盖补充，并针对特定场景的pRRU挂高和边缘覆盖要求设计pRRU间距。

通过pRRU、RHUB以及BBU的三级高可用度规划方案，确保在不同故障模式下网路依然正常工作或者快速恢复，并针对不同故障模式的故障告警方式提示运维人员第一时间回复故障模块，实现整个网络的高可用度。

2 网络覆盖验证

选取某厂房，分别关闭pRRU和1台RHUB，验证RHUB/pRRU的冗余设计效果。双圈标注的为计划关闭的pRRU，单圈标注的为计划关闭的RHUB下联的所有pRRU，如图5所示。

图5 关闭pRRU示意

2.1 关闭pRRU效果验证

关闭pRRU的测试效果如图6所示。关闭目标pRRU后，点位正下方参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）下降3～5 dB，不影响感知。关闭目标pRRU后，点位正下方上行速率下降小于10%。经现场测试，5G上行速率约为100 Mb/s，关闭pRRU上行速率约为90 Mb/s。某厂生产线需求上行容量最高设备为高清AI相机/摄像头（需求最高上行速率为50 Mb/s），因此在pRRU离线后，上行容量仍可满足需求。可见，单pRRU关闭的情况下，周边pRRU可快速补充，保障基础覆盖，整个区域网络体验影响较小，充分体现了覆盖规划冗余效果的优势。

图6 pRRU效果测试

2.2 关闭RHUB效果验证

RHUB效果测试如图7所示。关闭目标RHUB后，退服pRRU后RSRP均值下降3～4 dB，不影响感知。关闭目标RHUB后，平均速率下降10%，平均上行速率仍高于90 Mb/s，上行容量仍可满足需求。可见，在单RHUB关闭后，周边pRRU可快速补充，保障基础覆盖。

图7 RHUB效果测试

2.3 终端自适应验证

验证测试时段，某厂房生产线设备还未进场，现场环境空旷，故而测试验证的效果较好。后续在增加货架和顶板等其他生产设备的情况下，周边补充覆盖的pRRU将存在更多阻挡，验证点位的电平预计下降10 dB。5G专网中，当覆盖区域电平和速率出现陡降时，终端发射功率将自适应抬升。为验证该场景，关闭目标RHUB后，在正常运行的pRRU下放置木料薄板（电平衰减约5 dB），验证结果如图8所示。

图8 RHUB实测场景效果测试

关闭RHUB，增加格挡物后，5G终端发射功率抬升4 dB左右，因此实际5G电平的衰减值在5 dB左右，可满足需求。

测试结果验证了RHUB+pRRU的可靠性。此外，单RHUB或pRRU故障或关闭的情况下，对整个网络的覆盖和吞吐率影响均不大，可满足基础覆盖，保障容量，降低设备问题带来的网络故障，提高整体网络的安全可靠性，保障工厂的生产运营。通过将BBU下属的pRRU分组，实现多个小区的灵活扩展与合并，无缝扩容，适合企业分步进行5G建设，同时可实现多终端接入下调度的时延低要求，且均衡可控。RHUB+pRRU通过数字信号的合并和转发，分方案漫游区域可控，可实现500～30 000 m2区域内的移动无漫游，低延时且零丢包，满足工业移动场景的需求。

3 结 论

室内是5G的重要应用场景，在5G中的应用占比越来越高。据相关统计，4G时代70%的业务发生在室内，而5G时代将超过85%的应用发生在室内。5G网络与4G网络相比，具有高速率、低时延以及大容量等特征，适用于企业工厂内部。利用5G移动网络的优势，借助人工智能技术，可提高产品的制造效率。基于5G的机器人厂内巡检和无人车厂内转运货物等给企业带来了诸多效益。如何保障网络的安全、可靠、组网灵活以及上下行速率提升，将是后续研究的重点。

容灾方案适用于所有5G专网场景，重点在于备用设备的安装和主备设备间的数据流流转。目前，容灾方案的可行性已得到验证，因此在类似专网中均可应用，如宏站、室分以及微站等。无线网容灾方案的重点在于备用BBU安装和pRRU冗余布放设计，从而规避因RHUB或pRRU故障引发的覆盖空洞。