刘淑祎

（中国移动通信集团河北有限公司，河北 石家庄 050020）

0 引言

5G 网络不仅可以更好、更快地满足普通大众用户的上网和语音业务需求，使更多的人享受到移动网络的便捷性，而且提供了一种面向工业生产、企业信息化改造等不同种类应用的高质量无线接入网络。众所周知，5G 网络可以提供增强移动带宽、高可靠低时延及大规模机器通信三类业务，其中增强移动带宽主要面向的是普通大众用户，而另外两种则更多地面向企业生产和物联网等各种行业应用[1-3]。

在5G 网络时代，将有数以亿计的设备通过5G网络应用实现互联互通，如面向钢铁生产的5G 无人天车应用，面向港口业务的5G 自动装船机应用及面向工业园区的5G 智能仓储应用等。由于不同企业生产应用的特征不同，对5G 网络可靠性的要求也不尽相同，而无线网络需要满足不同行业应用的业务等级协定（Service Level Agreement，SLA）要求[4]。SLA 是一种由服务提供商与用户协商后的约定，明确了服务商提供具体服务的能力、可靠性、可用性、性能及响应速度或其他属性。SLA 在5G面向商业（to Business，ToB）的业务中具体指网络运营商对垂直行业提供无线网络的规格能力[5]。

对于任何一种5G ToB 行业应用而言，其不仅涉及无线侧，也涉及传输、核心网及终端等多个环节，其网络组成也是一种端到端的组网设计。本文主要针对基于5G 的ToB 行业应用高可用性网络方案进行研究。本文首先介绍了SLA 中，与可用度及高可用性相关的技术；其次在此基础上给出了几种不同的高可用性技术性能提升方案；最后结合相关案例进行了说明，以期支撑面向5G ToB 的行业应用拓展和业务交流，进一步发挥5G 网络价值。

1 不同SLA 业务可用度指标定义

目前，5G 无论是在技术、标准、产业生态还是网络部署等方面都取得了阶段性的成果，5G 行业场景逐渐成为业界关注的焦点。描述行业应用的基本性能有时延、吞吐量、可用性和弹性等不同的SLA 指标，因此5G 要在行业应用中发挥自身价值，满足SLA 要求是基础。不同5G 行业应用如上行大带宽、低时延高可靠性及高精度定位等，对SLA 要求的差异很大，SLA 指标要能够匹配不同行业的差异化要求[6-8]。SLA 明确了通信网络要高可靠性地满足设备性能和无线性能的要求，如果不满足，则可能造成生产业务中断，甚至导致生产事故发生。下面重点介绍SLA 中与可用性相关的指标。

1.1 可用度

可用度指的是对可用性的概率度量。可用度A与MTTR，MTBF之间的关系为：

式中：MTBF为平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures），是可修复产品可靠性的一个基本度量，即在规定状态下的特定测量区间内，产品的所有部件能够在指定范围内完成工作的寿命单位均值；MTTR为平均故障恢复时间（Mean Time to Repair），是产品维修性的一种基本参数，其度量方法为，在规定的条件下和规定的时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比[9-11]。

1.2 网络可用度

按照马尔可夫模型计算，通信设备商只需要分析和提供无线网络系统的可用度。网络可用度A网络等于核心网（Core Network，CN）、传输网络（Transmission Network，TN）及无线接入网（Radio Access Network，RAN）的可用度Acn，Atn和Aran的乘积，即：

1.3 网元可用度

要计算网元可用度指标，需要先计算单板故障率，而单板故障率又是该单板上所有器件故障率的累加，包括元器件故障率、单板故障率、网元可用度及MTTR参数。

1.3.1 元器件故障率

元器件故障率φSSi的计算公式为：

式中：φGi为第i个器件的一般稳态故障率；πQi为第i个器件的质量因子；πSi为第i个器件的应力因子；πTi为第i个器件在一般工作温度下稳态的稳定因子。

1.3.2 单板故障率

单板故障率是指该单板上所有器件故障率的累计，其计算方法为，其中，n为单板上不同器件类型的种类数，Ni为第i个器件类型的数量，πE为单元环境因子。

1.3.3 网元可用度计算

网元可用度中，串联结构的故障率是各单元故障率的累加，冗余系统采用可修产品的马尔可夫模型计算。MTBF为故障率的倒数，可用度A与上文计算方法一致。

1.3.4 MTTR 参数确定

根据MIL-HDBK-472《美军标 维修性预计手册》的基本原则以及工程经验和现场数据，确定各单元及设备的平均修复时间MTTR为1 h（不包括路途时间）。如果包括路途时间，MTTR通常为3 h。在具体实施中，各产品的MTTR取值可能会有所不同[12-13]。

2 5G SLA 网络可用度指标评估

2.1 网络可用度模型估计

在当前的5G ToB 行业应用中，结合具体业务需求引入了CN、TN、RAN 及无线端侧相关设备。CN、TN 通常采用全冗余备份，RAN、客户终端设备（Customer-Premises Equipment，CPE）一般为非冗余。在特别强调高可用的场景，RAN 和CPE 终端也会采用冗余方式进行部署。通常无线端侧设备故障影响范围小，一般不会构成事故，可以不计入网络可用度，此时计算公式为：网络可用度=CN 可用度×TN 可用度×RAN 可用度[14-15]。

2.2 核心网可用度指标估计

根据以上介绍的方法论，可以得到5G 核心网的系统可靠性模型如图1 所示。表1 所示为可靠性指标估计结果。

图1 核心网系统可靠性模型

表1 核心网可靠性指标估计结果

2.3 承载网可用度指标估计

在5G ToB 网络中，基带单元（Baseband Unit，BBU）接入TN 网络主要采用TN 节点双主控单节点组网模式。考虑ToB 业务的高SLA 要求，同时对双节点组网进行分析，所有节点电源/风扇都进行冗余配置（如果存在板卡冗余的时候）。可靠性模型包括以下3 种模型：

（1）BBU 单Eth 端口接入TN 节点，TN 设备双主控、环网/双归组网；

（2）BBU 双Eth 端口双归TN 节点，每个节点双主控配置，与汇聚侧网关（Aggregation Site Gateway，ASG）环网/双归组网；

（3）BBU 四Eth 端口双归TN 节点，每个节点双主控配置，与ASG 环网/双归组网。

表2 所示为3 种可靠性模型硬件配置方式。

表2 承载网可靠性模型配置

3 种不同模式下，传输网TN 节点可用度指标分别在MTTR=1 h 和MTTR=3 h 情况下的结果如表3 所示。

职业培训模块包括报关员培训、普通话培训、单证员培训等。这一模块根据职业需求注重学生职业资格证书的获取，针对性很强。

表3 不同TN 模式下可靠性指标

2.4 RAN 网元可用度指标估计

在ToB 行业应用中，5G 网络RAN 侧的可用度由于企业对Downtime 计算规则的不同，因此体现出较大的差异性。本文主要针对ToB 公网模式进行阐述，其中MTTR按照1 h 计算。在实际5G ToB 公网配置中，较多地采用了表4 中的配置1 和配置2，配置3 相对较少。配置1 中各单板均为无冗余配置；配置2 中BBU 电源板采用了冗余配置；配置3 中BBU 电源板、BBU 主控板采用了冗余配置。

表4 5G ToB 无线侧网络可用度配置

表5 所示为配置1、配置2 和配置3 情况下分别对应RRU/AAU 时的可用度指标。

表5 5G RAN 侧网络可靠性指标

2.5 无线端侧可用度指标预计

在不考虑时延等其他条件的情况下，模组、CPE 或手机终端可用度指标一般在99.95%以上，功能基本可用。AR 路由器可分为单卡和多卡，两者在可用度设计上是一致的，可靠性为99.999 25%，MTBF为267 180 h，30.50 y，Downtime 为3.93 min/y。端侧组网有表6 所示的4 种配置。

表6 端侧组网可用度评估

2.6 网络可用度评估

在实际的5G ToB 园区组网中，通常使用公网的核心网CN，同时在园区也会部署本地CN（主要是指用户面UPF 下沉），两者按照串联模型处理（在后续演化中，也有可能变成并联模型）。此时，网络可用度为CN 可用度、CN 本地可用度、TN 可用度、RAN 可用度的乘积。其中CN、本地CN、TN采用全冗余组网，RAN 按照不同配置场景可用度由高到低选取不同配置组合。这里MTTR取1 h。在主要考虑硬件故障原因时，对应的网络可用度见表7。

表7 网络可用度评估结果

3 面向ToB 的高可用性网络方案

无线网络可用度主要用于描述网络故障中断的影响，相比丢包中断来说，一般中断时间比较长（分钟级到小时级），但中断频次会比较低。钢铁、轨道、港口等行业还对升级中断、MTTR故障维修时间、故障倒换时间等指标提出了明确的要求。

为了提高业务可用性，在终端组网方面，有AR 路由器与5G 射频单元、AR 路由器与5G CPE终端和AR 路由器与5G 板卡3 种不同的连接方式。这3 种连接方式可靠性无差别，可以根据可得性灵活选取。有两种工作模拟，AR 双发选收可以实现0 ms 业务倒换和0 丢包；1+1 备份可以实现100 ms的链路倒换功能。

在无线侧组网方面，可以通过AB 网异频双活的方式提高可靠性。当小区出现故障、异常等问题时，通过小区重选驻留到正常的小区，倒换时间依赖终端，一般在10 s 左右。也可以通过主备倒换实现，其中主控板、基带板倒换一般耗时6 min，射频模块主备倒换一般耗时1 min。图2 所示为主备倒换功能，其中射频汇聚单元（radio HUB，rHUB）主要用于站点射频信号的汇聚。

图2 无线侧主备倒换

在核心网组网方面，可以通过核心网相关功能冗余备份提升网络可用性，如图3 所示。

图3 核心网侧可靠性组网方案

针对稳定低时延ToB 应用场景，可以采用核心网用户面下沉本地/企业园区内部+AR 双发选收技术，整体方案如图4 所示。其中无线空口可以通过5QI 预调度、时延参数优化等方式降低时延；核心网可以通过用户面UPF 下沉园区实现时延大幅降低；端侧可以通过AR 双发选收功能实现时延降低和可靠性提升。

图4 稳定低时延可靠性组网方案

其中，AR 双发选收的技术原理为，发送端通过配置链路组，并按优先级指定备份链路，将报文复制到其他链路发送出去，即使某条链路丢包或突发大时延，其他链路复制的报文仍然可以发送到对端，降低网络时延和丢包率，提高可靠性。

图5 所示为采用AB 双网高可用性组网的案例，其中在无线侧，在同一业务覆盖区，部署AB 两张网络，双网采用相互隔离、互不干扰的频率，实现双频冗余覆盖。当一个频段设备故障时，业务可通过另一频段保持业务的连续性。BBU 主控板和基带板采用单配模式，存在两种场景：

图5 AB 双网高可用数据面组网

（1）硬件pRRU 故障，小区正常。当终端所在区域信号恶化时，通过异频小区切换流程，保证业务连续性，倒换时间为异频切换时间。

（2）小区级故障，小区异常。通过小区重选，选择驻留到正常的小区，倒换时间依赖终端，～10 s。

在承载侧，根据园区规模大小，基站侧网关（Cell Site Gateway，CSG）与ASG 可合一或者分立，双机热备，路由倒换，～50 ms。

在核心网侧，当前双机为冷备方案，用户切换业务中断15～45 s。

4 结语

随着5G 网络的逐步成熟，其在垂直行业的应用领域也在逐步扩展。针对不同的行业应用场景，结合网络设备能力、应用环境及综合造价等方面，选择合理的业务可用性标准SLA，是实现5G ToB网络价值的必要基础。本文介绍了不同SLA 业务可用度指标的定义，总结归纳了基于5G 的SLA 网络可用性模型，并根据不同的业务SLA 级别选择组网方案和技术，提供了具备竞争力的解决方案。由于5G ToB 业务仍在不断发展，后续仍需加强在企业端到端组网可靠性和切片等方面的研究，实现5G 网络价值的最大化。