铁路5G-R互联互通测试体系思考

李 德，梁轶群，李岸宁，田 园，姜 博，汪 洋

(1.北京华铁信息技术有限公司,北京 100081; 2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081; 3.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081; 4.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081)

引言

5G通过支持增强移动宽带(eMBB)、低时延高可靠连接(uRLLC)和海量机器连接(mMTC)三大场景,以满足网络能力极端化、网络能力差异化以及网络融合多样化的业务需求。3GPP支持移动宽带特性的5G R15于2018年完成;支持高可靠、低时延特性的5G R16在2020年冻结;2022年3月,3GPP完成了全球5G标准的第三个版本—R17的功能性冻结。支持R15的移动运营商5G网络和设备已经成熟,开始在全球大规模商用。中国三大移动运营商全面发力部署5G,已从个人用户转向企业用户,赋能垂直行业数智化转型。

我国已建成了世界上最现代化的铁路网和最发达的高铁网,正在加快推进交通强国铁路先行规划纲要[1]。5G技术是建设数字化铁路、智慧铁路的重要技术支撑,推进5G在铁路应用,对于进一步巩固我国铁路发展领先优势,抢占新一轮科技制高点、实施中国铁路“走出去”战略具有重要作用[2]。2020年国铁集团启动了新一代移动通信技术演进的研究论证工作,从业务需求、频率适应性、高速适应性、产业链、工程部署实施等维度,提出5G专网的系统目标。其中,5G-R系统的互联互通是产业链、工程部署的重要工作之一。

原铁道部在2005年开始部署互联互通测试相关工作,编写和批准了GSM-R互联互通技术规范和测试规范。根据总体部署,GSM-R互通测试分为实验室测试和现场测试两个阶段进行,目的是验证不同网络设备间的互联互通性,验证中国铁路GSM-R各种业务的互联互通,为GSM-R工程的投资建设提供经验。借鉴GSM-R互联互通测试经验,进行5G-R设备互联互通工作,结合国内外通信网络的实践经验,解决设备之间的互联互通问题,有利于5G-R设备供货市场形成良好的竞争局面,保护工程投资,降低风险;有利于保证整个网络按照统一规划、统一标准、统一资源的原则进行组网,使整个网络构成一个有机整体,共享基础设施和资源,最大限度发挥总体效益,保证基于铁路5G专网各项业务的可用性和可靠性。

针对铁路5G专网和互联互通相关工作和概念,整理了相关学者的研究成果。张劭阳等[3]解析了互联互通的基本概念、架构,梳理了互联互通的评价体系指标;杨焱等[4]介绍了GSM接口技术和规范撰写,用动态、静态测试方法开展GSM-R设备互联互通测试;龚骁猷[5]以靖神铁路为平台,搭建LTE系统以及有线调度通信系统试验环境,通过试验验证LTE系统与调度交换机互联互通的可行性;赵红礼等[6]分析了城市轨道交通长期演进(LTE-M)综合承载系统的业务需求,提出了LTE-M互联互通架构和互联测试方案;丁建文等[7]对铁路5G专网架构、互联互通的关键技术进行阐述。综上可知,目前针对5G-R系统互联互通测试的研究甚少,未见对其互联互通的测试框架、测试平台、测试环境框架的描述或分析。

本文从5G-R网络架构、铁路5G-R系统互联互通测试架构、测试方案、互联互通测试规范设计、已验证5G-R系统(5G-R互联互通测试平台)、测试环境框架进行阐释和分析,为5G-R网络、设备间互联互通测试开展提供理论支持和建议。

1 5G-R系统网络架构及主要设备

5G-R系统由核心网全路共用设备、局核心网设备、边缘计算节点设备、无线接入网(RAN)、用户设备(UE)和运营与支撑系统(OSS)组成[8],如图1所示。

图1 铁路5G-R系统架构

全路共用设备为各铁路局共享使用的设备,包括一级网络存储功能(NRF)、5G设备识别寄存器(5G-EIR)、一级域名服务器(DNS)、5G智能网(5G-IN)[9]。

局核心网设备包括5G核心网(5GC)设备、MC设备、二级DNS、远端拨入用户验证服务(RADIUS)。5GC设备采用服务化架构,包括接入和移动性管理功能(AMF)、会话管理功能(SMF)、策略控制功能(PCF)、二级NRF、统一数据管理(UDM)、鉴权服务功能(AUSF)、网络切片选择功能(NSSF)、用户面功能(UPF)等[10];MC设备由SIP核心(SIP Core)、接口网关和MC应用构成[11]。

边缘计算节点设备包括边缘UPF,根据需要可设置移动边缘计算平台(MEP)[12]。边缘计算节点设备厂家可能和局5GC设备厂家不同,且部署位置靠近无线接入网,为实际互联互通工作开展便利,后续边缘节点设备相关内容放在无线接入网相关章节描述。

无线接入网由基站(gNB)等组成。用户设备由终端设备和SIM卡组成。

2 铁路5G-R系统互联互通测试架构及方案

2.1 通用互联互通测试框架

互联互通测试通用测试架构如图2所示,包含待测设备、已验证设备、测试驱动和接口协议分析仪。待测设备是指需要进行互联互通测试的设备。 已验证设备为已经和多个已验证设备(至少2个)完成全套互联互通测试用例并通过的设备。如果没有已验证设备,多个待测设备(至少2个)需要根据实际情况,通过充分的协议一致性测试和互联互通测试后,通过一定评审程序确认为已验证设备。测试驱动是支持互操作测试的系统、设备或人。接口协议分析仪用于接口协议查看和问题调查[13]。

图2 通用互操作测试架构

2.2 5G-R互联互通测试架构及搭建

2.2.1 5G-R互联互通测试架构

5G-R系统互联互通是待测设备和已验证5G-R系统的互联互通测试,测试框架如图3所示。已验证5G-R系统就是系统中包含的所有共用设备、局核心网设备、无线接入网、用户设备,都通过接口互联互通测试,都是已验证设备。在这种情况下,已验证5G-R系统中的所用设备都通过互联互通测试,只对待测设备进行测试,测试目标明确,问题调查简单[13-14]。

图3 5G-R互联互通测试架构

2.2.2 已验证5G-R系统搭建方法

建立已验证5G-R系统涉及的网元、设备众多,按照常规方法,需要系统中的所有设备都需进行接口互联互通测试,为了简化5G-R测试逻辑,提高测试效率,方便问题分析,本文尝试用积木堆叠法搭建已验证5G-R系统。 为了描述该方法,引入一个全新定义—已确认设备,已确认设备就是设备已有至少一个互联互通接口被验证。只有设备需要的互联互通接口全部验证完成后,才能成为5G-R系统内的已验证设备。

积木堆叠法,核心就是选取5G-R系统中的核心网元5GC设备作为基础设备,进行互联互通测试,通过5GC互联互通测试设备组成已确认5GC网络对待测局核心网的其他设备进行互联互通测试,通过的待测局核心网其他设备和原有已确认的5GC网络组成新的已确认网络,依次类推,已确认的设备以搭积木的方式堆叠搭建完成已确认的局核心网设备、全局共用设备、接入网设备和用户设备,最后完成已验证5G-R系统的搭建。

2.2.3 已验证5G-R系统建立流程

已验证5G-R系统建立流程如图4所示,经过图中5阶段互联互通测试,从第一阶段5GC互联互通测试开始,通过互联互通测试完成已确认的5GC系统搭建;第二阶段利用已确认的5GC系统和待测5G-R系统局核心网设备(5GC除外)开展互联互通测试,通过一个设备,就加入到已确认5GC系统中,形成新的已确认系统,新的已确认系统再和剩余的设备逐一进行互联互通测试,直到5G-R系统局核心网设备(5GC除外)都通过互联互通测试,则完成已确认5G-R局核心网的搭建;依此方法,第三阶段利用已确认的局核心网和待测全路共用设备的互联互通测试,完成已确认5G-R局核心网、全路共用设备的系统搭建;第四阶段利用已确认5G-R局核心网、全路共用设备的系统和接入网设备进行互联互通测试,完成已确认5G-R局核心网、全路共用设备、接入网设备的系统搭建;第五阶段利用已确认5G-R局核心网、全路共用设备,接入网设备的系统和用户设备进行互联互通测试,完成已确认5G-R局核心网、全路共用设备、接入网设备、用户设备的系统搭建,到此,该系统中所有设备的待测接口都完成互联互通测试,即完成已验证5G-R系统搭建。

图4 已验证5G-R系统建立流程

2.2.4 已验证5G-R系统搭建方法合理性分析

为了说明积木堆叠法的合理性,下面假设5G-R系统包括n个设备,按照常规测试法假设系统中任意两个设备都需要做互联互通测试,没有次序,按排列组合定理得互联互通的测试接口数有

(1)

使用互联互通积木堆叠法,第一次测试有1个接口测试,第二次测试有2个接口测试,…,第n-1次测试有n-1接口测试,故互联互通的测试接口数有

N2=n*(n-1)/2

(2)

从以上的推导可以得出,常规测试法的互联互通测试接口数N1和积木堆叠法的互联互通测试接口数N2相等,故积木堆叠法测试过程遍历了所有的待测接口,完全可以替代常规方法进行已验证5G-R系统的搭建。

2.3 5G-R网络设备测试接口及测试方案

在实际的互联互通测试中,一般不需要系统中的所有设备互联互通,即使可能存在互联互通,也需要具体场景具体分析,确定其必要性。下面根据已验证5G-R系统建立流程和实际情况给出互联互通测试主要待测接口及测试方案,该接口及测试方案在已验证5G-R系统搭建阶段和后续设备互联互通测试阶段同样适用。

2.3.1 5GC之间的互联互通待测接口及测试方案

铁路局核心网5GC参考点架构如图5所示。理论上讲, 这些接口在5GC之间互联互通时也是存在通信可能的,在实际的互联互通测试中,只需要根据核心网之间的互联互通业务场景需求和相应的消息流程来定义[14-15]。

图5 5G-R系统5GC参考点架构

对于铁路5GC之间的主要业务场景有两种:跨局注册,跨局切换。为方便描述,定义两路局,路局A和路局B,路局A和路局B使用不同厂家的5GC,对路局A和路局B互联互通架构如图6所示[16-17]。

图6 路局间互联互通架构

由此得出跨局5GC设备互联互通待测接口如表1所示。

表1 5GC设备互联互通待测接口

5GC设备互联互通待测接口描述及测试方案如表2所示。

表2 5GC设备互联互通测试方案

2.3.2 局核心网设备(除5GC)互联互通待测接口及测试方案

除5GC外,局核心网涉及的设备还有MC设备[18]、RADIUS、二级DNS,互联互通测试接口如表3所示。

表3 局核心网(5GC除外)设备互联互通待测接口

局核心网(5GC除外)设备互联互通待测接口描述及测试方案如表4所示。

表4 局核心网(5GC除外)互联互通测试方案

2.3.3 全路共用设备互联互通待测接口及测试方案

全路共用设备包括一级NRF、一级DNS、5G-EIR,5G-IN, 其互联互通待测接口如表5所示。

表5 全路共用设备互联互通待测接口

全路共用设备互联互通接口描述及测试方案如表6所示。N27接口参见表2,Nx接口参见表4。

2.3.4 无线接入网设备待测接口及测试方案

无线接入网的主要设备是gNB,此处添加边缘UPF(如此文第1章所述,设备边缘UPF部署位置靠近无线接入网,在本节统一描述)。其互通测试接口如表7所示。

表7 无线接入网设备互联互通待测接口

无线接入网设备互联互通测试接口描述及测试方案见表8。N9接口参见表2。

表8 无线接入网设备互联互通测设方案

2.3.5 用户设备待测接口及测试方案

MC终端是安装了MC客户端的终端设备,需要和MC设备进行互联互通测试, 为区分起见,把MC终端从终端设备分离出来单独考虑。由此,目前互联互通用户设备包含终端设备、MC终端、SIM卡,其互联互通测试接口如表9所示。用户设备互联互通的接口描述及测试方案如表10所示。

表9 用户设备互联互通待测接口

表10 用户设备互联互通测试方案

3 互联互通测试规范设计

互联互通测试规范的开发应遵循一般测试规范开发思路,测试规范的组成部分之间应根据技术规范的要求、功能需求,保持紧密的平行关系。根据铁路5G-R的实际情况,完整的5G-R互联互通规范设计流程图建议[4]见图3,其重要流程描述如图7所示。

图7 互操作测试规范开发流程

(1)编写测试大纲:依据接口协议规范和相关技术规范,明确测试接口的协议架构,接口消息,接口消息参数,业务功能,编写测试项目点。 测试大纲要求接口消息,业务功能全覆盖。以N12接口(AMF—AUSF)为例,列出接口消息[19]、接口消息参数、业务功能如表11所示。

表11 N12接口测试大纲分析

N12接口4条消息是一起使用,可以简化描述为“鉴权”,根据排列组合知识, N12可以列出测试项目点N=1×2×2×4=16个

①采用5G AKA鉴权认证,完成异局开机注册(SUCI)

②采用5G AKA鉴权认证,完成异局开机注册(GUTI)

……

(2)生成测试最小集: 对于接口消息和业务功能,5G-R互联互通网络相关测试用例,以业务场景为主,尽量覆盖接口消息和接口参数,期望以较少的测试用例覆盖所有测试项目点。接上仍以N12为例,对于业务功能,主要考察有4种业务,由于注册的消息流程几乎没有不同,所以4种业务可以直接简化为2种业务:开机注册和跨区切换。据此N12接口测试项目可以简化为两个用例的测试最小集:用5G AKA加密鉴权认证完成异局开机注册(SUCI);用EAP-AKA'加密鉴权认证完成跨局切换。

(3)开发测试用例:测试用例对实际测试具有指导作用,因此根据测试最小集测试大纲开发测试用例时,要求格式简明、内容详细,使测试人员易于操作。测试案例的编写主要包括以下几个部分:用例编号、类型、用例名称,测试目的、测试预置条件、测试组网/消息流程、执行步骤、预期结果等。

(4)验证测试用例:组织相关设备厂家,按照互联互通测试规范和测试要求,执行测试用例,并根据测试结果修订测试用例,保证测试用例的有效性、合理性。

4 5G-R互连互通测试环境设计

4.1 5G-R互联互通静态测试环境设计

5G-R互联互通静态测试环境指建立一套实验室模拟环境,符合铁路5G专用移动通信(5G-R)系统总体技术要求,符合现场组网的软硬件需要,能有效开展5G-R设备互联互通测试。实验室模拟是一项有效的技术手段,在建网前期,可以提前了解网络的功能、性能、成熟度,为设备上道、上线测试提供功能、性能支撑的必要条件。 在正式建网和维护阶段,可继续在该模拟环境中进行版本验证、问题调查,不影响现网运行,不影响行车调度,能够避免现场组网调试所面临的技术风险。

5G-R互联互通静态测试环境架构如图8所示,由铁路应用云、5G-C、gNB、终端设备通过交换云组成实验室测试网络, 待测试设备根据组网要求接入测试网络,对相关接口进行互联互通测试。铁路应用云可部署铁路专有设备和服务,包括且不限于MC设备、Radius、DNS、地面接入服务器[20]。该组网架构以交换为连接中心,铁路应用云为依托,连接方便,配置简单,减少设备进场时间,提高测试效率。

图8 铁路5G-R互联互通静态测试环境框架

4.2 5G-R互联互通动态测试环境

5G-R互联互通动态测试环境(图9)是指利用中国铁道科学研究院东郊环行铁道部署5G基站和实车条件下,对待测物体进行互联互通测试,完成对不同基站、终端、应用的考察,验证业务安全性、可靠性,检验频率无线覆盖和电波传播特性,验证空口性能及系统承载能力,检验数据呼叫的连接建立时间和连接建立失败率、端到端数据传输时延、数据传输干扰时间和恢复时间、数据连接丢失率及网络注册时延等指标[21-22]。

图9 铁路5G-R互联互通动态测试环境框架

5 结语

5G-R网络是铁路信息化、现代化、智能化的重要基础设施。系统的互联互通是铁路 5G-R装备研发、网络规划、优化设计和工程部署的前提和基础。

本文依据5G-R网络系统架构,梳理了铁路5G-R网络设备的层次关系。参考互联互通的典型测试框架设计思路,给出了铁路5G-R互联互通测试框架,创新定义互联互通测试方法积木堆叠法,并使用该方法搭建已验证5G-R系统,简化了已验证系统搭建逻辑,为5G-R互联互通测试提供可靠的测试系统,并理论分析验证了积木堆叠法的合理性。根据积木堆叠法中设计的已验证5G-R系统搭建流程,参照3GPP、工信部、国铁集团相关标准,分析得出设备间互联互通需测试的物理接口和逻辑接口,并给出相应的测试方案。依据一般测试规范设计思路,给出5G-R互联互通测试规范设计流程,并对测试规范的核心步骤进行举例描述。最后结合铁路5G-R系统设备实际情况,给出铁路5G-R互联互通静态测试环境、动态测试环境框架。

综上,本文以积木堆叠法搭建5G-R系统已验证系统为核心,为铁路5G-R互联互通工作的设计和开展提供了全面的解决思路。