في مستوى التحكم ضمن 5G Core، تتولى AMF وظائف رئيسية مثل إدارة وصول UE وإدارة التنقل وإشارات NAS. ولذلك تؤثر موثوقية بنية AMF مباشرة في استمرارية الخدمة على مستوى الشبكة. في النشر التقليدي قد تكون gNB مرتبطة بشكل ثابت بوحدة AMF محددة. يكون هذا النهج بسيطًا نسبيًا عندما تكون الشبكة صغيرة، لكن قيوده تصبح أوضح مع زيادة عدد المشتركين وتغير أنماط الحركة بشكل أكثر ديناميكية وانتشار النشر السحابي. قد تبقى AMF التي تخدم منطقة أعمال مزدحمة تحت حمل مرتفع خلال ساعات الذروة، بينما لا تُستغل الموارد المجاورة بالقدر الكافي. وإذا تعرضت AMF واحدة لعطل برمجي أو مادي، فقد يتأثر المستخدمون داخل منطقة خدمتها. كما قد تتطلب العمليات الاعتيادية مثل ترقيات البرامج وتغييرات الإعداد نوافذ صيانة مخططة بعناية.

يعالج AMF Pool، الذي تمثله في بنية 3GPP فكرة AMF Set، هذه المشكلات من خلال نموذج نشر مشترك يضم عدة وحدات AMF. تشكل عدة AMF مجموعة خدمة منطقية واحدة، بينما يمكن لوحدات gNB إنشاء اتصال N2 مع وحدات AMF داخل الـ pool. وبالاقتران مع بنية التعريف الهرمية GUAMI، واختيار AMF وفق الأوزان، واستمرارية سياق UE، تدعم هذه البنية توزيع الأحمال والمرونة أمام الأعطال وتقليل الإشارات أثناء التنقل وزيادة مرونة الصيانة. إن تجميع عقد مستوى التحكم في pool ليس مفهومًا خاصًا بـ5G؛ فقد ظهرت أفكار مشابهة في SGSN Pool ضمن GPRS وMME Pool ضمن 4G، وكلها تتبع المبدأ نفسه: استبدال الربط الصارم بعقدة محددة بموارد شبكة مشتركة. وفي 5G يكمل AMF Pooling كذلك النشر السحابي الأصلي وإدارة الموارد المرنة.

لماذا يعد AMF Pooling مهمًا

أحد أهم أسباب نشر AMF Pool هو معالجة عدم التوافق بين تغير توزيع المشتركين وثبات سعة العقد. حركة الاتصالات المتنقلة ديناميكية بطبيعتها. أثناء ساعات العمل قد يتجمع عدد كبير من المشتركين في المناطق التجارية، بينما تنتقل الحركة مساءً نحو المناطق السكنية. كما قد تؤدي الحفلات والفعاليات الرياضية والسفر خلال العطلات إلى قمم مؤقتة ومفاجئة في الحركة. وإذا اعتمدت منطقة جغرافية على عدد محدود من وحدات AMF المعينة بشكل ثابت، فقد تصبح بعض العقد مثقلة بالحمل بينما تبقى عقد أخرى دون استغلال كافٍ.

عندما تعمل عدة وحدات AMF داخل pool واحد، يمكن لوحدات gNB الحفاظ على الاتصال بجميع مثيلات AMF ذات الصلة، ويمكن توزيع وحدات UE الجديدة وفق أوزان AMF المضبوطة. فعلى سبيل المثال، إذا كانت ثلاث وحدات AMF ذات قدرة معالجة متساوية تخدم المنطقة نفسها، فإن ضبط أوزان متساوية يمكن أن يوزع تسجيلات UE الجديدة وسياقات التنقل بصورة متقاربة، ما يحسن الاستفادة العامة من الموارد.

الفائدة الرئيسية الثانية هي المرونة. إذا تعرضت AMF واحدة لخلل برمجي أو عطل مادي، تبقى وحدات AMF الأخرى في الـ pool متاحة لمعالجة طلبات الوصول والتنقل اللاحقة. وبالنسبة إلى مستوى التحكم في 5G Core، يقلل هذا النموذج متعدد العقد الاعتماد المفرط على AMF واحدة ويوفر أساسًا أقوى للتشغيل عالي التوافر.

كما يزيد pooling من المرونة التشغيلية. قبل ترقية البرامج أو تغيير الإعداد أو توسيع مثيل AMF، يستطيع المشغلون أولًا خفض الحمل النشط المرتبط بتلك العقدة أو نقله، والسماح لوحدات AMF الأخرى في الـ pool باستلام الحركة الجديدة أو المعاد توزيعها. وبعد أن تتوقف AMF عن حمل مستخدمين نشطين، يمكن إجراء الصيانة بتأثير أقل في الخدمات الحية وبمرونة أكبر في اختيار نافذة الصيانة.

تحسين التنقل داخل الـ pool

لا تقتصر قيمة AMF Pool على التكرار متعدد العقد. من المزايا المهمة القدرة على خفض الإشارات أثناء تنقل UE عبر الشبكة. يمكن لـpool واحد تغطية عدة Tracking Areas، بينما تحافظ وحدات gNB داخل مجال الخدمة على اتصال N2 مع وحدات AMF التي تنتمي إلى AMF Set نفسها.

لنفترض أن UE سجل أولًا في TA1 وأن AMF1 أنشأت سياق UE. إذا انتقل UE لاحقًا إلى TA2 داخل الـ pool نفسه، تستطيع gNB الجديدة الاستمرار في اختيار AMF1 لمعالجة إشارات NAS الخاصة بذلك UE. وما دام UE داخل منطقة خدمة AMF Pool نفسها، يمكن للشبكة محاولة الحفاظ على ارتباط AMF الأصلي.

يقلل هذا التصميم إشارات التنقل غير الضرورية. فمن دون pooling قد يتطلب الانتقال بين مناطق الخدمة تغيير AMF التي تقدم الخدمة، ما يؤدي إلى عمليات إضافية لنقل السياق وإجراءات مرتبطة بالتسجيل. يفصل pooling بين تغير الموقع على جانب الراديو وبين التغيير الإلزامي لعقدة مستوى التحكم، بحيث يمكن لـUE الانتقال بين gNB وTracking Areas دون تغيير AMF التي تخدمه تلقائيًا.

من منظور هندسي، يوسع الـ pool فعليًا المنطقة الجغرافية التي يمكن أن يظل فيها سياق AMF مستقرًا. يمكن لـUE الانتقال بين عدة gNB وTA مع الاحتفاظ بمرساة AMF نفسها، ما دام ضمن منطقة خدمة AMF Set المناسبة. ويقلل ذلك تفاعلات مستوى التحكم ويحسن استمرارية إدارة التنقل.

في بنية 3GPP يتم تمثيل هذا المنطق بهيكل هرمي. تحتوي AMF Set على عدة وحدات AMF تخدم منطقة محددة وتدعم Network Slice نفسها أو الشرائح نفسها. ويمكن أن توجد عدة AMF Sets ضمن AMF Region واحدة، بما يتيح للشبكات الكبيرة تقسيم مستوى التحكم إلى مجالات خدمة يسهل إدارتها.

كيف يحدد GUAMI وحدة AMF

عندما ينتقل مستوى التحكم من عقدة واحدة إلى بنية تعتمد على pool، تحتاج الشبكة إلى طريقة منظمة لتعريف المناطق والمجموعات ومثيلات AMF الفردية. ويوفر GUAMI، أي Globally Unique AMF Identifier، هذا التسلسل الهرمي.

يتكون GUAMI من MCC وMNC وAMF Region ID وAMF Set ID وAMF Pointer. وتشكل هذه الحقول معًا نموذج عنونة هرميًا يمتد عبر PLMN وAMF Region وAMF Set وصولًا إلى مثيل AMF الفردي. يحدد AMF Region ID المنطقة الأوسع، ويحدد AMF Set ID مجموعة AMF معينة داخل تلك المنطقة، بينما يميز AMF Pointer وحدة AMF محددة داخل المجموعة.

يظهر التسلسل الهرمي نفسه أيضًا في هويات UE المؤقتة. يتكون 5G-GUTI من GUAMI و5G-TMSI، ولذلك يمكن للمعلومات المرتبطة بالهوية المؤقتة لـUE أن تشير إلى AMF التي كانت تخدم UE سابقًا. ويحتوي 5G-S-TMSI على AMF Set ID وAMF Pointer و5G-TMSI، ويوفر معلومات تستخدم في إجراءات مثل paging.

ولهذا يؤثر GUAMI مباشرة في اختيار AMF. فإذا قدم UE أثناء إنشاء RRC معلومات تحدد AMF التي كانت تخدمه سابقًا، فلا تحتاج gNB بالضرورة إلى تنفيذ اختيار جديد بالكامل قائم على الحمل. ويمكنها بدلًا من ذلك محاولة اختيار AMF الأصلية والحفاظ على علاقة الخدمة القائمة.

إضافة إلى المعرفات الثنائية، يمكن لاكتشاف AMF استخدام آليات FQDN وDNS. تستطيع gNB إنشاء AMF Set-FQDN والاستعلام من DNS للحصول على معلومات عن وحدات AMF المنتمية إلى مجموعة معينة، بما يوفر مدخلات لإنشاء ارتباط N2 لاحقًا. ويحدد AMF Instance-FQDN مثيل AMF فرديًا ويمكن أن يساعد على تحديد AMF التي كانت تقدم الخدمة سابقًا في سيناريوهات التنقل أو التكامل بين الأنظمة عندما ينطبق ذلك.

كيف تختار gNB وحدة AMF

بعد تشغيل AMF Pool، يتعين على gNB التعامل مع حالتين مختلفتين جوهريًا لـUE. الأولى UE جديد لا يملك معلومات قابلة للاستخدام عن AMF كانت تخدمه سابقًا. والثانية UE يحمل معلومات تحدد AMF السابقة. وتتطلب الحالتان أولويات اختيار مختلفة.

إذا لم يقدم UE أثناء إنشاء RRC معلومات GUAMI أو معلومات أخرى يمكن أن تحدد AMF السابقة، تختار gNB وحدة AMF من AMF Set باستخدام قيم الأوزان المضبوطة. ويمكن تعيين وزن لكل AMF ضمن النطاق من 0 إلى 255، عادة وفق قدرتها على المعالجة. ويمكن إعطاء AMF ذات القدرة الأعلى وزنًا أكبر لاستقبال عدد أكبر من المستخدمين الجدد، بينما تحصل المثيلات ذات القدرة الأقل على وزن أصغر.

على سبيل المثال، إذا تم ضبط ثلاث وحدات AMF بأوزان 100 و50 و50، يمكن لوحدة AMF الأولى أن تستقبل نحو نصف المستخدمين المخصصين حديثًا عندما تكون الظروف الأخرى متقاربة. ولا يلزم أن تبقى هذه الأوزان ثابتة. فإذا تم توسيع AMF أو تقليصها أو تغيرت سعتها لسبب آخر، يمكن إرسال معلومات الوزن المحدثة إلى وحدات gNB المتصلة عبر إجراء تحديث إعداد N2، بحيث تعكس تخصيصات UE اللاحقة توزيع السعة الجديد.

أما إذا قدم UE قيمة GUAMI صالحة، فيتغير هدف الاختيار. فبدلًا من إعادة موازنة UE فورًا إلى AMF أخرى، تحاول gNB تحديد AMF التي كانت تقدم الخدمة سابقًا واختيارها. يساعد الحفاظ على AMF الأصلية على استمرار السياق وتجنب التغييرات غير الضرورية في مستوى التحكم.

لذلك يمكن تلخيص اختيار AMF داخل الـ pool بمبدأين: عندما لا يتوفر ارتباط سابق بـAMF، تكون الأولوية لتوزيع الحمل؛ وعندما يكون ارتباط AMF السابق معروفًا، تكون الأولوية لاستمرارية الخدمة. الأول يحسن استخدام الموارد، والثاني يقلل إشارات التنقل. ومن ثم لا يهدف AMF Pool الفعال إلى نقل كل UE إلى AMF الأقل حملًا في اللحظة نفسها، بل إلى موازنة توزيع الموارد مع ثبات السياق.

من النشر الأولي إلى التوسع المرن

يتطلب إدخال AMF Set إلى الخدمة عدة مراحل. أولًا يتم إنشاء عدة مثيلات AMF عبر نظام تنسيق MANO أو منصة إدارة الشبكة، ثم تُضبط عناوين ارتباط SCTP المطلوبة لاتصال N2.

بعد ذلك تنشئ gNB ارتباطات SCTP مع وحدات AMF في الـ pool وتنفذ إجراء N2 Setup مع كل AMF ذات صلة. ولا يقتصر N2 Setup على إنشاء الاتصال؛ بل يتيح أيضًا لـgNB الحصول على معلمات مرتبطة بتشغيل AMF واختيارها، مثل السعة النسبية أو الوزن، والشرائح المدعومة، ومعلومات منطقة الخدمة. وبعد إنشاء هذه العلاقات تصبح AMF Set جاهزة لخدمة UE.

عند وصول UE جديد، تحدد gNB ما إذا كان ينبغي الحفاظ على ارتباط AMF سابق أو اختيار AMF اعتمادًا على معلومات الـ pool المتاحة والأوزان المضبوطة. وإذا كانت جميع وحدات AMF ذات قدرات معالجة متقاربة وأوزان متطابقة، فمن المتوقع أن تميل أحمال المشتركين مع الوقت إلى توزيع متوازن نسبيًا.

من الناحية المعمارية، لا ينبغي النظر إلى AMF Pool على أنه حل active-standby تقليدي. ففي تصميم active-standby قد تبقى عقدة النسخ الاحتياطي شبه خاملة حتى وقوع عطل. أما في AMF Pool فيمكن لعدة وحدات AMF خدمة المستخدمين بفاعلية في الوقت نفسه. المرونة نتيجة من نتائج pooling، لكن الهدف الأوسع هو جعل عدة مثيلات AMF تعمل كمجموعة خدمة منطقية واحدة.

كما تجعل هذه الخاصية AMF Pooling أساسًا مهمًا لنشر 5GC القائم على السحابة. ففي بيئة cloud-native يمكن توسيع مثيلات AMF أو تقليصها عبر التنسيق. وقد يتغير عدد المثيلات وقدرة المعالجة وأوزان الاختيار بمرور الوقت، بينما تظل AMF Set المنطقية التي تظهر لـgNB وUE مستقرة. وبذلك يوفر pooling حد خدمة ثابتًا فوق موارد نواة الشبكة المتغيرة ديناميكيًا ويدعم السلوك المرن المتوقع من 5G Core موجه إلى السحابة.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن أن تحتوي AMF Region واحدة على أكثر من AMF Set؟

نعم. يمكن أن تحتوي AMF Region واحدة على عدة AMF Sets. ويمكن للمجموعات المختلفة خدمة مناطق مختلفة، بينما تدعم وحدات AMF داخل مجموعة محددة Network Slice نفسها أو الشرائح التي تحتاجها تلك المجموعة.

هل تتوافق Tracking Area واحدة مع gNB واحدة فقط؟

لا. لا توجد علاقة واحد إلى واحد بين Tracking Area وgNB. يمكن أن تحتوي TA واحدة على عدة خلايا، كما يمكن أن تحتوي gNB واحدة على عدة خلايا قد تنتمي إلى Tracking Area واحدة أو أكثر.

ما الفرق بين AMF Pointer وAMF Set ID؟

يحدد AMF Set ID مجموعة AMF Set، بينما يميز AMF Pointer مثيل AMF معينًا داخل تلك المجموعة. ومع AMF Region ID يشكلان أجزاء مهمة من معلومات العنونة الهرمية الموجودة في GUAMI.

هل يتطلب تغيير وزن AMF إعادة إنشاء جميع اتصالات N2؟

لا. عندما تتغير سعة AMF، يمكن إرسال معلومات الوزن أو السعة النسبية المحدثة إلى وحدات gNB المتصلة بالفعل عبر إجراء تحديث إعداد N2 ذي الصلة. ويمكن للقيمة الجديدة بعد ذلك التأثير في تخصيص UE الجديدة دون الحاجة إلى إعادة إنشاء اتصال N2 القائم.