CN113747373A - 消息处理系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种消息处理系统、装置和方法。所述系统包括N个接入和移动性管理功能(AMF)前端和M个AMF后端，N和M均是不小于2的整数，其中，AMF前端用于：接收新一代协议接口(NGAP)报文，AMF后端用于：获取所述NGAP报文；基于获取的所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且AMF前端进一步用于：获取所述返回的NGAP报文并发送。本发明案通过将AMF网元的功能拆分为负责NGAP报文收发的前端以及基于3GPP协议生成返回报文的后端，能够降低单个AMF实例负担过重的问题。上述前端和后端可以是基于NFV的虚拟前端和后端，以方便实现灵活高效的部署。

Description

消息处理系统、装置和方法

技术领域

本公开涉及一种通信技术领域，尤其涉及一种消息处理系统、装置和方法。

背景技术

传统4G核心网网元(例如，移动性管理实体MME)与专用硬件高度耦合，为此在网络更新升级时必须涉及设备更换。网络功能与硬件之间的上述高度耦合不利于后续的网络升级与维护。在新一代的5G技术中，5G核心网借鉴了NFV(网络功能虚拟化)的概念，对传统网元进行了重构。所谓NFV，其核心理念是将传统电信设备软硬件解耦，使用通用硬件代替专用硬件，将VNF运行于通用云环境，以降低网络成本，敏捷运营，缩短上线时间，以应对越来越激烈的通信技术竞争。

根据NFV的理念，传统网元可被划分为更为轻量的网络功能，网络功能又可被定义为能被灵活调用的相对独立的服务模块。例如，4G中MME网元具有接入控制功能、移动性管理功能以及会话管理功能。在5G标准中，原有的MME实体被划分为AMF和SMF两个独立模块，其中AMF(接入和移动性管理功能)被用于处理用户接入和移动性管理，负责处理用户的注册请求和身份认证；SMF(会话管理功能)通过与用户面建立N4接口连接来进行会话管理。AMF网络功能与SMF网络功能之间通过服务化接口实现相互交互，这种功能化设计具有更好的独立扩展性，且提高了接口的效率。

但在现有的5G核心网网元架构中，会在流控制传输协议(SCTP)等的应用场景中存在AMF单节点负载过重的问题，不利于5G功能的高速实现。

为此，需要一种改进的消息处理方案。

发明内容

本公开要解决的一个技术问题是提供一种改进的消息处理系统、装置和方法。该方案通过将AMF网元的功能拆分为负责新一代协议接口(NGAP)报文收发的前端以及基于3GPP协议生成返回报文的后端，能够降低单个AMF实例负担过重的问题。上述前端和后端可以是基于NFV的虚拟前端和后端，以方便实现灵活高效的部署。

根据本公开的第一个方面，提供了一种消息处理系统，包括N个接入和移动性管理功能(AMF)前端和M个AMF后端，N和M均是不小于1的整数，其中，AMF前端用于：接收新一代协议接口(NGAP)报文，AMF后端用于：获取所述NGAP报文；基于获取的所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且AMF前端进一步用于：获取所述返回的NGAP报文并发送。

可选地，所述系统还包括：消息队列，其中AMF前端用于：将接收到的所述NGAP报文送入所述消息队列；AMF后端用于：从所述消息队列中获取所述NGAP报文。

根据本公开的第二个方面，提供了一种消息处理装置，包括：NGAP报文接收器，用于接收NGAP报文；输入队列生产者单元，用于将接收到的所述NGAP报文送入输入消息队列；输出队列消费者单元，用于从输出消息队列中获取返回的NGAP报文，其中，所述返回的NGAP报文是基于所述NGAP报文根据3GPP协议生成的；以及NGAP报文发送器，用于发送所述返回的NGAP报文。

根据本公开的第三个方面，提供了一种消息处理装置，包括：输入队列消费者单元，用于从输入消息队列中获取NGAP报文；3GPP协议处理单元，用于基于所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文；以及输出队列生产者单元，用于将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列。

根据本公开的第四个方面，提供了一种消息处理方法，包括：N个AMF前端各自接收NGAP报文，并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列；M个AMF后端各自从所述消息队列中获取所述NGAP报文，并基于获取的所述NGAP报文生成返回的NGAP报文；所述N个AMF前端各自获取所述返回的NGAP报文并发送。

根据本公开的第五个方面，提出了一种消息处理系统，包括P个物理接入和移动性管理功能(AMF)网元、N个虚拟AMF网元以及与所述N个虚拟AMF网元相对应的M个虚拟AMF后端，P、N和M均是不小于1的整数，其中，其中，所述P个物理AMF网元用于独立完成新一代协议接口(NGAP)报文的接收、应答和/或转发处理，所述虚拟AMF网元用于：接收NGAP报文并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列；AMF后端用于：从所述消息队列获取所述NGAP报文；基于获取的所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且所述虚拟AMF网元进一步用于：获取所述返回的NGAP报文并发送。

根据本公开的第六个方面，提出了一种消息处理方法，包括：获取服务状态信息和服务器资源信息；基于获取的服务状态信息和服务器资源信息，确定虚拟接入和移动性管理功能(AMF)网元的个数和分布，以及虚拟AMF后端的个数和分布，为每个虚拟AMF网元分配用于指示所述虚拟AMF网元的唯一标识的AMF指针值，其中，虚拟AMF网元用于接收NGAP报文并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列，所述虚拟AMF后端用于从所述消息队列获取所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且所述虚拟AMF网元还用于获取所述返回的NGAP报文并发送。

由此，本发明采用传递NGAP报文的方式拆分AMF，解决了典型的单个AMF节点负载很重，其他节点无法分担的负载问题。通过引入例如ZeroQM实现的消息队列，能够实现大吞吐和低延时的消息调配。另外，前后端的虚拟实现，能够进一步优化核心网部署效率，例如大幅降低AMF POOL(池)场景的部署复杂度。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了5G系统整体架构的示意图。

图2示出了服务化方式的5G核心网架构。

图3示出了根据本发明一个实施例的消息处理系统的组成示意图。

图4示出了根据本发明一个实施例的消息处理系统的组成示意图。

图5示出了根据本发明一个实施例的消息处理装置的组成示意图。

图6示出了根据本发明一个实施例的消息处理装置的组成示意图。

图7示出了根据本发明一个实施例的消息处理系统的组成示意图。

图8示出了根据本发明一个实施例的消息处理方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在新一代的5G技术中，5G系统由接入网(AN)和核心网(5GC)组成。图1示出了5G系统整体架构的示意图。如图1所示，AN包括基站gNB(next GenerationNodeB)和ng-eNB，其中gNB为UE提供NR用户面和控制面协议终结点，ng-eNB则为UE提供E-UTRA的用户面和控制面协议的终结点。UE(用户设备)通过AN与核心网相连。AN则与核心网网元AMF和UPF直接通信。在此，AMF指代接入及移动性管理功能(Access and Mobility Management Function)，负责用户的接入和移动性管理。UPF指代用户面功能(User plane Function)，负责用户面处理。具体地，AMF负责管理下一代无线电接入网络(NG-RAN)内各节点之间的切换。在5G中被称为X2切换，或Xn切换。基站与网元之间则通过符合NGAP(NGApplicationProtocol，新一代应用协议)的报文进行通信。

除了AMF和UPF，5G核心网还包括其他网元。图2示出了服务化方式的5G核心网架构。除了上述AMF和UPF之外，5G核心网还涉及如下主要网元：

SMF(会话管理功能)：负责用户的会话管理；

AUSF(认证服务器功能)：负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证；

PCF(策略控制控制)：负责用户的策略控制，包括会话的策略、移动性策略等；

UDM(统一数据管理)：负责用户的签约数据管理；

NSSF(网络切片选择功能)：负责选择用户服务采用的网络切片；

NRF(网络功能注册功能)：负责网络功能的注册、发现和选择；

NEF(网络能力开放功能)：负责将5G网络的能力开放给外部系统；

AF(应用功能)：与核心网互通来为用户提供服务。

UPF属于用户面，除了UPF之外的5G核心网网元都属于控制面。控制面网元全部都采用了服务化架构设计，彼此之间通信采用服务化接口；用户面继续采用传统架构和接口。控制面和用户面之间的接口(N4)目前还是传统接口，控制面和无线网以及控制面与终端之间也是传统接口(N2和N1)。

相比于4G核心网，5G核心网在基本功能如认证、移动性管理、连接、路由等方面不变，但是方式和技术手段发生了变化，更加灵活。具体地，5G核心网借鉴了NFV(网络功能虚拟化)的概念，将传统电信设备软硬件解耦，对传统网元进行了重构。

具体地，4G的移动性管理实体(MME)功能被分解为AMF和SMF两个独立模块。AMF从UE(经由N1/N2)接收所有连接和会话相关信息，但仅负责处理连接和移动管理任务。与会话管理相关的所有消息都通过N11参考接口转发到SMF。

由于移动网络包括许多AMF实例，因此采用全球唯一AMF标识符(GUAMI)来标识每一个AMF实例。UE在其发送的第一非接入层(NAS)消息中指定该消息，其由无线电接入网络(RAN)路由到所需的AMF。GUAMI适用于3GPP接入和非3GPP接入，还确保来自UE的消息(通过两个接入网络注册)被转发到相同的AMF。

在现有的5G核心网网元架构中，会在流控制传输协议(SCTP)等的应用场景中存在AMF单节点负载过重的问题，不利于5G功能的高速实现。为此，本发明提出了一种改进的AMF消息处理方案，该方案通过将AMF网元的功能拆分为负责新一代协议接口(NGAP)报文收发的前端以及生成返回报文的后端，能够降低单个AMF实例负担过重的问题。上述前端和后端可以是基于NFV的虚拟前端和后端，以方便实现灵活高效的部署。

为此，本发明可以实现一种消息处理系统，该系统可以是将常规的AMF网元，例如，符合3GPP的AMF网元进行拆分而得到的系统。该系统可以包括多个AMF前端和多个AMF后端。其中，AMF前端用于NGAP报文的收发，AMF后端负责基于3GPP协议(具体地，3GPP协议关于AMF的部分)生成返回的NGAP报文。由此，通过前后端的功能拆分，避免因某个AMF节点负担过重导致的响应不及时的问题。

上述AMF前端和AMF后端可以是虚拟AMF装置。如前所述，5G核心网借鉴了NFV(网络功能虚拟化)的概念，对传统网元进行了重构。NFV的核心理念是将传统电信设备软硬件解耦，使用通用硬件代替专用硬件，将VNF运行于通用云环境，以降低网络成本，敏捷运营。为面向5G未来，电信业在NFV基础上再次提出Cloud Native(云原生)概念，借鉴IT领域的微服务构架，将VNF进一步细粒度化，以助力5G部署更加敏捷。在此，云原生指代在在云上实现的一组应用的模式，用于快速、持续、可靠和规模化地交付服务软件。云原生由微服务架构、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构组成。本发明通过将AMF网元进一步拆分成虚拟AMF前端和虚拟AMF后端，即，将所述消息处理系统实现为云原生系统，可以方便地将核心网网元功能将迁移至云原生的软件构架，从而提升5G核心网的功能性和部署灵活度。

为了方便任务调度，还可以在AMF前端和后端之间布置消息队列，用于传递接收到的NGAP消息，并方便任务在各个AMF后端之间的划分。图3示出了根据本发明一个实施例的消息处理系统的组成示意图。如图所示，对应于AMF网元的消息处理系统300包括N个AMF前端310、消息队列320和M个AMF后端330，其中，N和M均是不小于1的整数。例如，在一个最基础的实现中，可以将一个AMF网元拆分成一个AMF前端和一个AMF后端。但在更为优选的实施例中，例如实现该架构调度优势的实施例中，N和M均是不小于2的整数。

AMF前端310用于接收NGAP报文(如图中实线箭头所示)，例如，来自AN的报文，并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列320。AMF后端330从消息队列320获取所述NGAP报文，并根据3GPP协议生成返回的NGAP报文。返回的NGAP报文随后可由AMF前端310获取(如图中虚线箭头所示)，并返回给AN。在此，AMF后端330起到物理AMF网元的功能，例如，生成通常可由AMF网元返回的报文，或是将报文直接转发给对应的AN(或基站)进行处理。

如图3所示，消息队列320可以是一个输入消息队列，N个AMF前端将各自接收到的NGAP报文送入该输入消息队列，M个AMF后端各自从该输入消息队列获取NGAP报文。

该消息队列320可以是一个先进先出(FIFO)队列。所有AMF后端可以公平地从同一个队列中，获取需要处理的NGAP报文，先到先得。在某一个AMF后端忙于处理某个报文时，新到的NGAP报文则可被其他AMF后端获取并处理，由此避免现有技术中某个AMF实例负载很重，其他实例无法分担的情况。

在其他实施例中，由各个AMF前端获取的NGAP报文可以具有不同的优先级，或者可以被AMF前端设置为具有不同的优先级，则AMF后端可以根据优先级来进行报文的获取和处理。

在不同的实现中，AMF前端310可以直接从AMF后端330获取返回的NGAP报文，也可以经由输出消息队列来获取返回的NGAP报文。AMF后端可以将返回的NGAP报文送入所述输出消息队列，AMF前端从所述输出消息队列获取返回的NGAP报文。

在一个实施例中，输出消息队列也可以是一个消息队列，AMF前端310可以根据相应的标识来获取其对应的返回的NGAP报文。在一个优先实施例中，由于某个特定AMF前端通常需要获取基于其接收到的NGAP报文生成的返回报文，为此可以为每个AMF前端准备一个输出消息队列。

图4示出了根据本发明一个实施例的消息处理系统的组成示意图。如图所示，对应于AMF网元的消息处理系统400除了包括N个AMF前端410、一个输入消息队列420和M个AMF后端430之外，还包括N个输出子队列，每个输出子队列对应于一个AMF前端。

举例而言，AMF前端1获取的第一条NGAP报文被送入输入消息队列，并被当前空闲的某个后端(例如，AMF后端M)获取并基于3GPP协议生成了返回的NGAP报文。由于这条报文需要返回给经由AN与NGAP报文的特定用户设备，例如，UE1，因此AMF后端M将这条返回的NGAP报文送入输出队列1。AMF前端1随后从其专属的输出队列(即，输出队列1)中获取上述报文，并经由AN返回给发送请求的UE1。随后，AMF前端1获取的第二条NGAP报文被送入输入消息队列，并被当前空闲的某个后端(例如，AMF后端1)获取并基于3GPP协议生成了返回的NGAP报文。由于这条报文需要返回给经由AN与NGAP报文的特定用户设备，例如，UE 2，因此AMF后端2同样会将这条返回的NGAP报文送入输出队列1。AMF前端1随后从其专属的输出队列(即，输出队列1)中获取上述报文，并经由AN返回给发送请求的UE 2。

为了满足5G网络低时延的要求，报文在系统内部，即在AMF前端、消息队列和后端之间仍然以符合NGAP格式的消息形式传送。为此，消息队列可以使用简单的连接(connect)指令来为进入队列的NGAP报文添加必要的内容或是封装，并可以按需方便地删除在系统300内部额外添加的内容。

在一个实施例中，可以采用ZeroMQ来实现消息队列。ZeroMQ简称ZMQ，是一种处理数据传输的库，能够简单利用连接命令以看起来在套接字上封装了一层的方式进行传输。在接收端有round-robin负载均衡，是适用于分布式系统的极为快速的消息队列系统。ZMQ每秒能发送的消息数和时延指标都要好于典型的互联网API网关。AWS Lambda在并发数200时，平局响应时延是60ms,。而ZMQ每秒可以发送或接收60万个1kb大小的消息；同时发送25万条消息时，平均时延是30ms左右，尤其适用于高吞吐量/低延迟的应用场景。

具体地，可以在本发明的AMF前端与后端之间采用ZMQ的push/pull模式(推拉模式，也称为管道模式)。在该模式中，管道是单向的，从PUSH端单向的向PULL端单向的推送数据流。生产者端作为Push端，而消费者端作为Pull端。与发布订阅模型相比，推拉模型在没有消费者的情况下，发布的消息不会被消耗掉；在消费者能力不够的情况下，能够提供多消费者并行消费解决方案。该模型主要用于多任务并行。在本发明的优选实施例中，在传递接收到的NGAP消息时，采用N:M的生产者:消费者模型，即N个AMF前端作为消息生产者，M个后端作为消息消费者。而在传递需要发送的返回的NGAP报文时，采用M:1的生产者:消费者模型，即M个后端作为消息生产者，该报文对应的AMF前端作为消息消费者。

在具体实现中，AMF前端和AMF后端可以具有更为具体的功能单元。图5示出了根据本发明一个实施例的AMF前端的组成示意图。如图5所示，AMF前端510可以包括NGAP报文接收器511、输入队列生产者单元512、输出队列消费者单元513和NGAP报文发送器514。

具体地，NGAP报文接收器511用于接收NGAP报文。该报文可以是如图1所示的基站在获取UE请求后相应发送给该AMF前端510的。输入队列生产者单元512用于将接收到的所述NGAP报文送入输入消息队列。输出队列消费者单元513可以用于从输出消息队列中获取返回的NGAP报文。NGAP报文发送器514则可用于发送所述返回的NGAP报文，例如，向上述基站发送返回的NGAP报文，再由基站将对应的消息返回给进行请求的UE。

图6示出了根据本发明一个实施例的AMF后端的组成示意图。如图6所示，AMF前端630可以包括输入队列消费者单元631、3GPP协议处理单元(AMF Protocol Handler)632和输出队列生产者单元633。

输入队列消费者单元631用于从输入消息队列中获取NGAP报文。3GPP协议处理单元632基于所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文。输出队列生产者单元633用于将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列。

如前所述，由于某个特定AMF前端通常需要获取基于其接收到的NGAP报文生成的返回报文，为此可以在将上述报文送入消息队列以供后端处理之前，对其进行适当标记，以方便特定前端能够获取任一后端返回的对应报文。在一个实施例中，AMF前端可以向接收到的所述NGAP报文添加AMF前端的唯一标识(例如，在消息处理系统范围内的唯一标识)，例如ID或是IP地址。由此，任意空闲AMF后端在从例如消息队列420中获取该报文，进行处理并得到了返回的NGAP报文后，可以基于在前添加的添加AMF前端ID，将其送至与该ID相对应的输出子队列中。此时，返回的NGAP报文本身可以不带有该AMF前端ID，因为该返回的NGAP报文已被送入该AMF前端ID所对应的专属输出队列中。在其他实施例中，如果输出队列为一个消息队列，则返回的NGAP报文也可以带有上述AMF前端ID，以方便相应ID的AMF前端获取。

在另一个实施例中，所述NGAP报文本身可以携带有AMF前端的唯一标识。NGAP报文中包括全球唯一AMF标识符(GUAMI)来标识每一个AMF实例。GUAMI的格式如下：

<GUAMI>:＝<MCC><MNC><AMF Region ID><AMF Set ID><AMFPointer>

其中，AMF地区标识(AMF Region ID)标志一个区域，AMF组标识(AMF Set ID)唯一地标志一组AMF区域中的AMF，而AMF指针(AMFPointer)则在AMF组中唯一的标志一个AMF。在网络中有多个AMF，但是网络能支持的AMF组标识和AMF指针不足，于是在实际应用场景中可以在不同的区域复用AMF组标识和AMF指针。

在某些实施例中，AMF后端无需生成返回的报文，上述返回报文可由相应的基站生成。此时，AMF前端接收到的报文本身就可以表明其需要由基站生成返回报文的信息。为此，当某个AMF后端接收到上述报文时，可以根据上述报文中所包含的基站信息，将上述报文转发给对应基站，并由对应基站进行应答。例如，AMF后端所包括的3GPP协议处理单元可以用于：将获取的所述NGAP报文转发给对应的基站进行应答。

在本发明中，AMF前端和AMF后端可以是虚拟AMF前端和虚拟AMF后端，换句话说，每个AMF前端和后端无需一一对应于一个实体设备，而可以是运行在一个或多个设备上的应用，或是一个设备上同时运行的多个应用。但由于在本发明中，AMF前端用于进行NGAP报文的收发，因此可以使得一个或多个AMF前端与一个AMF实例相对应。换句话说，让虚拟AMF前端在AN看来像是一个AMF实例。为此，可以针对每个AMF前端(例如，基于每个虚拟AMF前端的IP地址)，动态或是静态分配一个AMF指针值。上述AMF指针值能够与AMF地区标识和AMF组标识相组合以得到GUAMI。例如，可由AMF后端向AMF前端发送用于指示所述AMF前端的唯一标识的AMF指针值。

上述AMF指针值就可以在一定范围内，例如，本发明的消息处理系统范围内作为该AMF前端的唯一标识。为此，可以无需额外的标识添加步骤，AMF后端可以直接读取NGAP报文中包含的AMF指针值，用于确定AMF前端和UE的对应关系，并将所述返回的NGAP报文送入与所述AMF前端相对应的输出子队列。

进一步地，NGAP报文可以包括用户设备(UE)和当前会话标识符，例如，进行当前请求的UE的设备唯一标识符以及当前会话的标识符。AMF后端可以基于接收到的所述NGAP报文，保存AMF前端和UE的对应关系，并将所述返回的NGAP报文送入与所述AMF前端相对应的输出子队列。进一步地，该系统还可以引入会话数据库，该数据库中可以存储有与所述UE和当前会话标识符相关联的数据，M个AMF后端各自的3GPP协议处理单元从会话数据存储数据库中读取与所述UE和当前会话标识符相关联的数据。

图7示出了根据本发明一个实施例的消息处理系统的组成示意图。该系统可以看作是根据本发明的5G核心网中AMF网元的一个优选实现。

如图所示，本发明可以将3GPP定义的AMF网元的功能拆分成前端和后端两部分。前端部分包括710_1至710_N的N个AMF前端，用于NGAP报文的接收和发送，后端部分包括730_1至730_M的M个AMF后端，用于实现基于3GPP协议的处理并返回相应的报文。

在AMF前端与后端之间可以包括消息队列，具体包括多个前端和后端共用的输入消息队列720，以及每个前端专属的输出消息队列725。优选地，可以采用ZMQ的推拉模式来进行消息传递。具体地，在传递接收到的NGAP消息，可以采用N:M的生产者:消费者模型；而传递需要发送的返回的NGAP报文时，则可采用M:1的生产者：消费者模型。

NGAP报文从前端传递给后端时，携带AMF前端的唯一标识(例如，GUAMI中包括的AMF指针值)，后端在后续的处理中保存UE与AMF前端的对应关系，便于在AMF后端向UE发送报文时，能够找到对应的前端。

UE相关的会话数据可以存储在会话数据库740(例如，redis)中，保证在所有的AMF后端实例中共享。由于UE、基站的状态变化，可以通过会话数据库中的字段来实现，因此可以实现前端与后端的无状态通信。

不同的AMF前端，以不同的IP对外服务，在基站或UE与AMF交互时，后端根据AMF前端ID的不同，下发不同的AMF pointer值,逻辑上实现多个AMF的功能。在AMF池场景中，一个AMF前端在基站看来可以就是对应于一个AMF实例。在AMF之外的典型核心网网元则可遵循3GPP的典型架构。

进一步地，NGAP报文可以采用的asn.1编码，编码紧凑，节省带宽，由此提高前后端的传输效率。

另外，通过前后端分离，可以通过前端ID的不同来实现逻辑上的不同的AMF(对应于基站侧看上去的不同AMF实例)，简化了AMF POOL场景部署的复杂度，而不需要考虑虚拟AMF的编排。

如前所述，本发明的AMF前端和AMF后端可以是虚拟AMF前端和虚拟AMF后端，并且优选地结合ZMQ实现为一种云原生5G核心网网元架构。为此，上述虚拟AMF前端和虚拟AMF后端可以分布式的布置在云环境中，并实现为虚拟的消息处理装置。

于是，本发明还可以实现为一种消息处理装置，例如，对应于图5所示的虚拟AMF前端，该装置可以包括：NGAP报文接收器，用于接收NGAP报文；输入队列生产者单元，用于将接收到的所述NGAP报文送入输入消息队列；输出队列消费者单元，用于从输出消息队列中获取返回的NGAP报文，其中，所述返回的NGAP报文是基于所述NGAP报文根据3GPP协议生成的；以及NGAP报文发送器，用于发送所述返回的NGAP报文。

在一个实施例中，所述装置还用于：向所述NGAP报文添加所述装置的标识符，所述输入队列生产者单元将添加了所述装置的标识符的NGAP报文送入输入消息队列，并且所述输出队列消费者单元从所述输出消息队列中获取对应于添加了所述AMF前端ID的所述返回的NGAP报文。

在一个实施例中，所述输出队列消费者单元用于从所述装置专属的输出消息队列中获取返回的NGAP报文。

相应地，本发明还可以实现为一种消息处理装置，例如，对应于图6所示的虚拟AMF后端，该装置可以包括：输入队列消费者单元，用于从输入消息队列中获取NGAP报文；3GPP协议处理单元，用于基于所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文；以及输出队列生产者单元，用于将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列。

在一个实施例中，所述输入队列消费者单元用于从统一输入消息队列中获取添加了AMF前端ID的NGAP报文，并且所述返回的NGAP报文被返回给具有对应ID的AMF前端。

在一个实施例中，所述返回的NGAP报文被返回给具有对应ID的AMF前端包括：输出队列生产者单元，用于将所述返回的NGAP报文送入所述AMF前端专属的输出消息队列。

所述NGAP报文可以包括UE和当前会话标识符，并且所述3GPP协议处理单元从会话数据存储数据库中读取与所述UE和当前会话标识符相关联的数据。另外，所述装置还可以向AMF前端发送用于指示所述AMF前端的唯一标识的AMF指针值。

本发明还可以实现为一种消息处理方法。图8示出了根据本发明一个实施例的消息处理方法的示意性流程图。该方法可由本发明的消息处理系统实现。在步骤S810，N个AMF前端各自接收NGAP报文，并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列。在步骤S820，M个AMF后端各自从所述消息队列中获取所述NGAP报文，并基于获取的所述NGAP报文生成返回的NGAP报文。N和M是不小于2的整数。在步骤S830，所述N个AMF前端各自获取所述返回的NGAP报文并发送。

在一个实施例中，上述消息处理涉及消息队列的参与，于是所述方法还包括：所述M个AMF后端各自将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列，并且所述N个AMF前端各自获取所述返回的NGAP报文并发送包括：所述N个AMF前端各自从所述输出消息队列获取所述返回的NGAP报文并发送。

在一个实施例中，所述方法还包括：所述N个AMF前端各自向所述NGAP报文添加所述AMF前端标识符，并且所述M个AMF后端各自将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列包括：所述M个AMF后端基于所述AMF前端标识符将所述返回的NGAP报文送入对应AMF前端专属的输出消息队列。

在一个实施例中，所述NGAP报文包括UE和当前会话标识符，并且AMF后端从会话数据存储数据库中读取与所述UE和当前会话标识符相关联的数据以生成返回的NGAP报文。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的消息处理系统、装置和方法。本发明采用传递NGAP报文的方式拆分AMF，解决了典型的单个AMF节点负载很重，其他节点无法分担的负载问题。通过引入例如ZeroQM实现的消息队列，能够实现大吞吐和低延时的消息调配。另外，前后端的虚拟实现，能够进一步优化核心网部署效率，例如大幅降低AMF POOL场景的部署复杂度。本发明尤其适用于由云原生软件构架实现，以更加快速可靠地实现AMF网元的批量化交付。

在实际使用中，本发明的云原生虚拟AMF网元可以与物理AMF网元进行混布，以作为彼此的补充。为此，本发明还可以实现为一种消息处理系统，包括P个物理接入和移动性管理功能(AMF)网元、N个虚拟AMF网元以及与所述N个虚拟AMF网元相对应的M个虚拟AMF后端，P、N和M均是不小于1的整数，其中，所述P个物理AMF网元用于独立完成新一代协议接口(NGAP)报文的接收、应答和/或转发处理，所述虚拟AMF网元用于：接收NGAP报文并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列；AMF后端用于：从所述消息队列获取所述NGAP报文；基于获取的所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且所述虚拟AMF网元进一步用于：获取所述返回的NGAP报文并发送。在此，由于如上所述的虚拟AMF前端从基站角度看来是一个独立网元，因此在此可以称为虚拟AMF网元。

具体地，现有的5G核心网中可以已经布置有P个物理AMF网元。而在例如服务状态表明当前区域内的AMF处理能力不足时，可以基于上述服务状态添加上述N个虚拟AMF网元以及相对应的M个虚拟AMF后端作为基于服务状态添加的云原生虚拟AMF网元。

具体地，当现有的5G核心网中可以已经布置有上述云原生虚拟AMF网元且面临处理能力不足等服务状态时，也可以添加P个物理AMF网元，或是逐渐添加物理网元。

在添加虚拟网元时，可以如上所述基于服务状态确定N和M的个数，并为所述N个虚拟AMF网元分配用于指示所述虚拟AMF网元的唯一标识的AMF指针值。

进一步地，在云原生的场景下，虚拟AMF前端和后端的划分可以由管理员根据现有供需来进行。为此，本发明还可以实现为一种消息处理方法，包括：获取服务状态信息和服务器资源信息(云端资源信息)；基于获取的服务状态信息和服务器资源信息，确定虚拟接入和移动性管理功能(AMF)网元的个数和分布，以及虚拟AMF后端的个数和分布，为每个虚拟AMF网元分配用于指示所述虚拟AMF网元的唯一标识的AMF指针值，其中，虚拟AMF网元用于接收NGAP报文并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列，所述虚拟AMF后端用于从所述消息队列获取所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且所述虚拟AMF网元还用于获取所述返回的NGAP报文并发送。

上述管理员可以随时查看系统的相关信息，例如查看服务状态信息和服务器资源信息；以及查看每个虚拟AMF网元和虚拟AMF后端的负载信息。进一步地，管理员还可以基于所述负载信息，调整所述虚拟AMF网元和/或所述虚拟AMF后端的个数和分布。

另外，其他用户(不具备管理员权限的用户)也可以进行针对服务状态信息和服务器资源信息以及虚拟AMF网元和后端负载信息的查看，以获取系统的运行状况。

应该理解的是，管理员和其他用户都可以利用诸如个人电脑甚至是智能手机等的终端设备，通过访问特定的地址来实现上述查看和设置。

此外，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本发明的上述方法中限定的上述各步骤的计算机程序代码指令。

或者，本发明还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或计算设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本发明的上述方法的各个步骤。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (35)

1.一种消息处理系统，包括N个接入和移动性管理功能(AMF)前端和M个AMF后端，N和M均是不小于1的整数，其中，

AMF前端用于：

接收新一代协议接口(NGAP)报文，

AMF后端用于：

获取所述NGAP报文；

基于获取的所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，

并且AMF前端进一步用于：

获取所述返回的NGAP报文并发送。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：消息队列，其中

AMF前端用于：

将接收到的所述NGAP报文送入所述消息队列；

AMF后端用于：

从所述消息队列中获取所述NGAP报文。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述消息队列是一个输入消息队列，N个AMF前端将各自接收到的NGAP报文送入所述输入消息队列，M个AMF后端各自从所述输入消息队列获取NGAP报文。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述消息队列还包括输出消息队列，AMF后端将返回的NGAP报文送入所述输出消息队列，AMF前端从所述输出消息队列获取返回的NGAP报文。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述输出消息队列包括N个输出子队列，每个输出子队列对应于一个AMF前端。

6.如权利要求4所述的系统，其中，AMF前端包括：

新一代协议接口(NGAP)报文接收器，用于接收NGAP报文；

输入队列生产者单元，用于将接收到的所述NGAP报文送入输入消息队列；

输出队列消费者单元，用于从输出消息队列中获取返回的NGAP报文；以及

NGAP报文发送器，用于发送所述返回的NGAP报文。

7.如权利要求4所述的系统，其中，AMF后端包括：

输入队列消费者单元，用于从输入消息队列中获取NGAP报文；

3GPP协议处理单元，用于基于所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文；以及

输出队列生产者单元，用于将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述NGAP报文包括用户设备(UE)和当前会话标识符，并且M个AMF后端各自的3GPP协议处理单元从会话数据存储数据库中读取与所述UE和当前会话标识符相关联的数据。

9.如权利要求7所述的系统，其中，所述3GPP协议处理单元用于：

将获取的所述NGAP报文转发给对应的基站进行应答。

10.如权利要求2所述的系统，其中，所述消息队列由ZeroMQ采用PUSH/PULL单向推送数据流实现。

11.如权利要求2所述的系统，其中，所述AMF后端接收到的所述NGAP报文中携带有AMF前端的唯一标识，并且

所述AMF前端基于所述唯一标识将获取对应的所述返回的NGAP报文。

12.如权利要求11所述的系统，其中，AMF后端用于：

基于接收到的所述NGAP报文，保存AMF前端和UE的对应关系；以及

将所述返回的NGAP报文送入与所述AMF前端相对应的输出子队列。

13.如权利要求1所述的系统，其中，根据设置，将一个或多个AMF前端与一个AMF实例相对应。

14.如权利要求11所述的系统，其中，由AMF后端向AMF前端发送用于指示所述AMF前端的唯一标识的AMF指针值。

15.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统实现为云原生系统。

16.如权利要求1所述的系统，其中，所述AMF前端和所述AMF后端是虚拟AMF装置。

17.一种消息处理装置，包括：

NGAP报文接收器，用于接收NGAP报文；

输入队列生产者单元，用于将接收到的所述NGAP报文送入输入消息队列；

输出队列消费者单元，用于从输出消息队列中获取返回的NGAP报文，其中，所述返回的NGAP报文是基于所述NGAP报文根据3GPP协议生成的；以及

NGAP报文发送器，用于发送所述返回的NGAP报文。

18.如权利要求17所述的装置，其中，所述装置还用于：

向所述NGAP报文添加所述装置的标识符，

所述输入队列生产者单元将添加了所述装置的标识符的NGAP报文送入输入消息队列，并且

所述输出队列消费者单元从所述输出消息队列中获取对应于添加了所述AMF前端ID的所述返回的NGAP报文。

19.如权利要求17所述的装置，其中，所述输出队列消费者单元用于从所述装置专属的输出消息队列中获取返回的NGAP报文。

20.一种消息处理装置，包括：

输入队列消费者单元，用于从输入消息队列中获取NGAP报文；

3GPP协议处理单元，用于基于所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文；以及

输出队列生产者单元，用于将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列。

21.如权利要求20所述的装置，其中，所述输入队列消费者单元用于从统一输入消息队列中获取添加了AMF前端ID的NGAP报文，并且所述返回的NGAP报文被返回给具有对应ID的AMF前端。

22.如权利要求21所述的装置，其中，所述返回的NGAP报文被返回给具有对应ID的AMF前端包括：

输出队列生产者单元，用于将所述返回的NGAP报文送入所述AMF前端专属的输出消息队列。

23.如权利要求20所述的装置，其中，所述NGAP报文包括UE和当前会话标识符，并且所述3GPP协议处理单元从会话数据存储数据库中读取与所述UE和当前会话标识符相关联的数据。

24.如权利要求20所述的装置，其中，所述装置向AMF前端发送用于指示所述AMF前端的唯一标识的AMF指针值。

25.一种消息处理方法，包括：

N个AMF前端各自接收NGAP报文，并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列；

M个AMF后端各自从所述消息队列中获取所述NGAP报文，并基于获取的所述NGAP报文生成返回的NGAP报文，其中，N和M均是不小于1的整数；

所述N个AMF前端各自获取所述返回的NGAP报文并发送。

26.如权利要求25所述的方法，还包括：

所述M个AMF后端各自将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列，

所述N个AMF前端各自获取所述返回的NGAP报文并发送包括：

所述N个AMF前端各自从所述输出消息队列获取所述返回的NGAP报文并发送。

27.如权利要求26所述的方法，还包括：

所述N个AMF前端各自向所述NGAP报文添加所述AMF前端标识符，

所述M个AMF后端各自将所述返回的NGAP报文送入输出消息队列包括：

所述M个AMF后端基于所述AMF前端标识符将所述返回的NGAP报文送入对应AMF前端专属的输出消息队列。

28.如权利要求25所述的方法，其中，所述NGAP报文包括UE和当前会话标识符，并且AMF后端从会话数据存储数据库中读取与所述UE和当前会话标识符相关联的数据以生成返回的NGAP报文。

29.一种消息处理系统，包括P个物理接入和移动性管理功能(AMF)网元、N个虚拟AMF网元以及与所述N个虚拟AMF网元相对应的M个虚拟AMF后端，P、N和M均是不小于1的整数，

其中，所述P个物理AMF网元用于独立完成新一代协议接口(NGAP)报文的接收、应答和/或转发处理，

所述虚拟AMF网元用于：

接收NGAP报文并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列；

AMF后端用于：

从所述消息队列获取所述NGAP报文；

基于获取的所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，

并且所述虚拟AMF网元进一步用于：

获取所述返回的NGAP报文并发送。

30.如权利要求29所述的系统，其中，所述P个物理AMF网元是现有网元，并且所述N个虚拟AMF网元以及相对应的M个虚拟AMF后端是基于服务状态添加的云原生虚拟AMF网元。

31.如权利要求29所述的系统，其中，所述N个虚拟AMF网元以及相对应的M个虚拟AMF后端是云原生虚拟AMF网元，并且所述P个物理AMF网元中的一个或多个是基于服务状态添加的网元。

32.如权利要求29所述的系统，其中，基于服务状态确定N和M的个数，并为所述N个虚拟AMF网元分配用于指示所述虚拟AMF网元的唯一标识的AMF指针值。

33.一种消息处理方法，包括：

获取服务状态信息和服务器资源信息；

基于获取的服务状态信息和服务器资源信息，确定虚拟接入和移动性管理功能(AMF)网元的个数和分布，以及虚拟AMF后端的个数和分布，

为每个虚拟AMF网元分配用于指示所述虚拟AMF网元的唯一标识的AMF指针值，

其中，虚拟AMF网元用于接收NGAP报文并将接收到的所述NGAP报文送入消息队列，所述虚拟AMF后端用于从所述消息队列获取所述NGAP报文，根据3GPP协议生成返回的NGAP报文，并且所述虚拟AMF网元还用于获取所述返回的NGAP报文并发送。

34.如权利要求33所述的方法，还包括：

查看服务状态信息和服务器资源信息；以及

查看每个虚拟AMF网元和虚拟AMF后端的负载信息。

35.如权利要求34所述的方法，还包括：

基于所述负载信息，调整所述虚拟AMF网元和/或所述虚拟AMF后端的个数和分布。

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