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摘要：某省在5G核心网集中部署、双DC容灾的背景下，为保障极端故障场景下5G业务正常运行，进行了多次DC倒换测试。该研究通过采集倒换期间核心网信令面、数据面信息，创建故障场景下的信令冲击模型，供5GC日常网络扩容、流控部署参考。

关键词：5G核心网;信令冲击;容灾;大数据

1 研究背景

近年来运营商响应国家5G战略部署，充分发挥5G“新基建”作用集中部署5G网络。商用以来广泛应用于物联网、车联网、自动化运营等项目，深刻改变人们的生产生活方式。

当前5GC核心网大部分采用双DC异局址部署方式容灾，因网络建设与业务正常匹配度问题，存在部分网元处理能力不足的瓶颈。故障场景下产生的信令冲击会因瓶颈的存在产生雪崩效应，大面积影响5G业务。

引起信令冲击的原因涉及终端行为、业务请求、45G互操作、定时器、流控参数等，对信令冲击的正向分析量化，需依赖冲击量的量化手段支撑。某省基于5GC DC级倒换数据分析建模，总结了故障场景下信令冲击模型，可为日常网络运维的扩容、流控部署提供参考。

2 数据采集

2.1采集需求

故障产生的信令冲击往往在秒级产生，主要来自于以下流程：

（1）用户主动发起业务，引起的网络冲击，包括4G/5G注册及激活;

（2）AMF/MME扫描引起的网络冲击，包括5G激活、4G附着及激活;

（3）45G互操作产生的网络冲击，包括4G激活及5G激活。

为精确分析信令冲击趋势，需采集秒级统计数据构建冲击模型。需求如下：

2.2采集及预处理

数据提取条件如下：

（1）4G用户附着请求次数：以S1-MME IP维度，根据XDR详单中‘流程类型’及‘流程成功标志’字段，在SEQ数据库中以SUM及CASE WHEN组合函数统计倒换期间MME每秒各流程业务次数;

（2）SMF作为PGW形态产生的激活请求次数：根据XDR详单中‘流程类型’为Service Request，以IMSI或MSISDN、SMF+PGW网元S5业务IP为维度，‘事物类型’及‘事物成功标志’字段以INTERFACEID=6限定S5接口，在SEQ数据库中以SUM及CASE组合函数统计倒换期间SMF网元每秒各流程业务次数;

（3）5G用户注册请求次数：根据XDR详单中‘流程类型’为Registration，以IMSI或MSISDN为维度，根据N2接口IMSI字段去重，在SEQ数据库中统计倒换期间N2接口Registration流程每秒上线用户数;

（4）5G用户激活请求次数：根据XDR详单中‘流程类型’为Service Request，以IMSI或者MSISDN、时间为维度，根据N2接口IMSI字段去重，在SEQ数据库中统计倒换期间N2接口Service Request流程每秒的上线用户数。

通过对提取后的数据进行关联、筛选，本文以某省数据分析建模，分析如下文所述。

3 5G信令冲击分析

3.15G注册冲击

DC1倒换后用户在DC2 AMF重新注册产生冲击，通过SEQ统计数据分析如下：

（1）00：29：26分完成倒换操作;

（2）00：30：22分冲击达到峰值，DC2 AMF用户注册请求峰值速率为2830次/秒，倒换产生冲击2110次/秒;

（3）峰值上线注册比例=倒换峰值冲击/故障AMF用户数，本次统计样本峰值上线注册比例为0.82%。

详细分析如图3.1所示，总共有2个波次的冲击：

3.25G激活冲击

DC1倒换后，用户在DC2 AMF激活产生冲击，通过SEQ统计数据分析如下：

（1）00：29：26倒换操作完成

（2）00：30：46达到冲击峰值，5G激活峰值6526个/秒，倒换产生激活冲击6521个/秒。

如图3.2共4个波次冲击：

4 4G信令冲击分析

4.14G附着冲击

倒换操作完成后，终端主动发起数据业务请求，同时针对因用户数据和语音会话都故障的用户，MME会通知UE重新附着恢复会话。分析发现4G附着冲击存在两个波次，如图4.1所示：

（1）第一波：用户主动发起业务引起附着冲击，0：30：37 4G附着峰值3277个/秒，倒换产生4G附着冲击2917个/秒;

（2）第二波：MME启动扫描语音故障用户，通知用户重新上线引起， PGW-C断开5分钟后倒换产生4G附着冲击920个/秒。

4.24G激活冲击

倒换完成后，终端主动发起数据业务请求，因PGW故障MME通知UE激活重建数据会话产生激活冲击。根据SEQ统计数据分析发现4G激活冲击存在两个波次，如图4.2所示：

（1）第一波：用户主动发起业务引起激活冲击，0：29：59 4G激活峰值5299个/秒，倒换产生4G激活冲击5237个/秒。

（2）第二波：MME启动扫描语音故障用户，通知用户重新上线引起，PGW-C断开5分钟后倒换产生4G激活冲击1752个/秒。

5 冲击模型构建

5.1 冲击趋势

故障或倒换产生信令冲击因受用户行为、网络特性等影响，会有多个波次的冲击，且冲击主要发生在第一个波次。结合多次倒换经验分析，AMF注册冲击出现在倒换后1分钟左右，SMF会话激活冲击出现在倒换后39秒左右，趋势基本相同。分析如下：

（1） 5G注册冲击：第一波冲击在倒换后52～60秒产生，因用户主动发起业务引起;第二波发生在倒换12分钟左右回落用户返回5G冲击，冲击呈逐步减退趋势。

（2） 5G激活冲击：第一波冲击在倒换后1分20秒～1分36秒左右产生，因用户主动发起业务引起;第二波由AMF注册成功后激活请求产生，较注册峰值晚1分钟;第三波冲击在倒换后3分钟后产生，由AMF扫描语音故障用户激活引起;第四波冲击发生在倒换后12分钟左右，由回落用户返回5G冲击引起。冲击呈逐步减退趋势。

（3） 4G附着冲击：第一波冲击发生在倒换后1分20秒～1分36秒左右，由用户主动发起业务引起;第二波冲击发生在倒换后5分钟，由MME启动扫描语音PDU故障用户上线引起。冲击呈逐步减退趋势。

（4） 4G激活冲击：第一波冲击发生在倒换后33秒至36秒之间，由用户主动发起业务引起;第二波冲击发生在倒换后5分钟，由MME启动扫描语音故障用户上线引起。

信令冲击故障或倒换后很快出现，故日常根据业务量及时评估冲击及时扩容、部署流控，保障网络安全。

5.2 上线模型

通过大数据分析发现用户注册、附着、激活冲击受用户主动业务请求，流控影响较大，各模型在相对范围内波动。上线模型如下：

（1） 5G峰值注册上线比例=峰值注册请求次数/AMF故障用户数，取值在0.69%～0.82%之间;

（2） 5G峰值激活比例=峰值激活请求次数/故障5G用户，取值在1%～5%之间;

（3） 4G峰值附着上线比例=峰值附着请求次数/（4G会话数/4G会话用户比），取值在0.42～0.55%/秒之间;

（4） 4G峰值激活比例=峰值附着请求次数/（4G会话数/4G会话用户比） ，取值在0.9～1.2%/秒之间。

5.3 冲击模型

通过分析故障冲击峰值出现在第一个波次，主要与用户数、业务场景、上线模型有关。按照5GC双DC容灾部署，需恢复的用户场景如下：

（1） 5G用户场景：

场景1：故障DC1 AMF上注册的用户。DC1 AMF故障后通过用户正常业务触发容灾恢复，转化成1个注册+2个PDU。

场景2：注册在DC2的AMF，但用户语音、数据PDU都在DC1。DC1故障后用户需要AMF扫描+主动上线容灾恢复。

场景3：注册在DC2的AMF，语音PDU在DC1，数据PDU在DC2。DC1故障后用户需要AMF扫描+主动上线容灾恢复。

场景4： 注册在DC2的AMF，数据PDU在DC1，语音PDU在DC2。DC1故障后，用户需要主动上线容灾恢复。

（2） 4G用户场景

场景1：数据故障+语音故障，由传统MME、SGW、DC1 SMF接管，语音+数据PDU都在DC1。DC1故障后用户容灾恢复：MME扫描（通知UE重新附着，建2个PDU）+用户主动上线。

场景2：数据正常+语音故障，由传统MME、SGW接管，用户语音PDU在DC1，数据PDU在DC2。DC1故障后用户容灾恢复：MME扫描（通知UE重新激活语音）+ 用户主动上线（SR，MME通过Deactivate通知UE，UE发起PDU重建语音）。

场景3：数据故障+语音正常，由传统MME、传统SGW接管，用户数据PDU在DC1，语音PDU在DC2。DC1故障后用户主动上线进行容灾恢复。

场景4：数据正常+语音正常，由传统MME、传统SGW、DC2 SMF接管，语音+数据PDU都在DC2。DC1故障后用户无影响。

（3） 冲击模型构建及验证：

结合大数据分析得出的上线模型及业务场景，构建冲击模型如表5.1所示：

根据上述模型获取45G注册/激活冲击数据后，可按照表5.2方法计算相关网元的冲击，匹配该网元的处理能力，配置合理的流控措施：

在故障发生后的实际冲击中，除本次模型考虑的输入外，还受终端行为叠加被流控后的重发、回落行为等影响。本研究依据多次倒换、多省SEQ系统海量数据分析反推及有限迭代得出，仍有不完善地方，随着数据量的积累及验证纠偏，精确度会逐步提高。

6 总结与展望

5G作为新一代信息通信技术领域的引领性技术，加速开启了万物互联新时代，是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键信息基础设施，行业需求日新月异，与国民工作生活息息相关。

本研究通过数字化手段将网络冲击数据显性并归纳成数据模型，供日常运维参考，提高了5G核心网网络健壮性，取得了很好的实践效果。

参考文献

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[4]李一，刘光海，许国平，龙青良. 5G网络NSA与SA模式互操作策略研究[J].邮电设计技术，2020（6）：55-60.

崔萍，毕业于北京邮电大学，工程硕士，高级工程师，主要从事移动核心网分组域、5GC网络运营及创新业务支撑工作。

张欣，毕业于西安邮电大学，工程硕士，高级工程师，主要从事移动核心网分组域、5GC网络运营管理及新业务新技术研究。

刘瑞，毕业于山东大学威海分校，高级工程师，主要从事移动核心网分组域、5GC网络运营及创新业务支撑工作。0

刘茂莲，毕业于重庆大学，学术硕士，工程师，主要从事移动核心网分组域和智能运维支撑工作。