5G专网技术演进分析

2020-10-20马瑞涛中国联通研究院北京100176

邮电设计技术 2020年9期

吴琼，马瑞涛（中国联通研究院，北京 100176）

1 专网通信的发展

生活中用于固定电话和宽带的网络是公用交换电话网络（PSTN），人们用手机拨打电话，在网页上浏览资讯，所借助的2G、3G、4G 和5G 的移动网络叫公用陆地移动网络（PLMN），这些都是服务于公众用户的公用网络。

专网就是专用网络，是相对于公用网络而言，只在特定区域实现网络信号覆盖，为特定用户在组织、指挥、管理、生产、调度等环节提供通信服务的专业网络。一般是某个行业系统内部的网络，只为该系统服务。在实际应用中，专网通常服务于政府、军队、公安、能源、消防、轨道交通等部门或领域，大部分情况被用在应急通信、调度指挥。由于其性能可靠、可定制，使它在行业应用中具备不可替代的优势。

目前为止，我国专网通信大致经历了3 次发展。第1阶段为自动选择信道功能且能使用多种用户共享资源的模拟集群系统；第2 阶段为专网通信行业由模拟集群系统转为数字集群通信系统，为特定行业使用；第3次为垂直行业用户普遍可以使用的专用网络。

回顾宽带无线专网的发展，从“宽带+对讲”，到“2+4 宽窄融合”，再到“公专结合”，随着无线通信技术的发展，公众移动网被无线专网厂商所诟病的时延、安全性、差异化的服务质量等问题已不再是问题，而建设物理专网所面临的建网成本、运营成本和终端问题始终是专网通信所面临的重要问题。随着行业需求的驱动和专网技术的演进，专网通信逐渐从原来的模拟化、数字化、业务单一，不断向宽带化、移动化、多业务融合的方向发展，从传统的窄带集群通信向宽带集群转变。

2 5G专网的优势和部署分析

3G、4G 时代无线通信网已经开始在行业领域部署使用，但需要为行业用户专门建设一套无线覆盖系统，一套EPC 核心网，通过网口连接公网，使整个专网直接与外界进行通信。

由于3G、4G 网络的核心网控制面和用户面并未完全分离，导致3G、4G 时代的专网必须是无线和核心网都部署在园区，虽然安全和可靠性有保障，但是建设和维护成本较高，只能用在有特殊需求的行业，例如公安、铁路等。由于3G、4G 网络架构是由大量接口和与这些接口相连的网络功能单元组成，这种网络结构相对固定，缺乏灵活性，无法有效支持大量差异化的垂直行业需求，所以3G、4G 时代的专网未能发展普及。

随着5G 时代的到来，5G 作为新基建的重要组成部分，“5G+场景应用”的推广将带动信息消费快速增长。预计到2030 年，5G 带动的直接产出和间接产出，将达到6.3万亿和10.6万亿。由于5G网络自身的低时延、大带宽和高可靠性，未来，工厂、园区、医院、油田、电网、港口等各行各业都可能拥有专有网络，利用5G实现数字化转型，提升生产效率。

5G 时代的到来为各行业引入无线移动应用打开了新的出口。对于垂直行业应用有两大特点：一方面应用场景极其丰富，另一方面，业务需求与公网存在较大差异，例如覆盖区域、性能指标、安全隔离，有的需要高速率上行带宽，有的需要“5 个9”的超低时延，有的需要物理网络硬隔离等。这些需求对网络性能要求很高，并具备差异化特征。

3 网络切片+MEC构建专网

随着5G 技术的快速发展，5G 高速率、大带宽、低时延、高可靠性能够更好地满足各垂直行业对可靠性、连接密度、QoS 和定位等方面高性能的要求。专网和公网将出现更加深度的融合，例如电信运营商可以基于5G技术切入专网，提供具有成本优势的行业应用解决方案，为专网的技术提升创造条件。

5G 和垂直行业的融合主要体现在产业数字化、智慧化生活、数字化治理三大方向。一是智慧化生活方面，5G 支持4K/8K 超高清视频、VR/AR、云游戏等文体娱乐业务，提供“不卡不顿不转圈”的观影体验和“身临其境”的沉浸式体验；二是在数字化治理方面，5G给城市管理、照明、抄表、公共安全与应急处置等行业带来新型智慧应用，提升社会治理能力和效率；三是在产业数字化方面，5G 与工业、医疗、交通、金融等行业融合发展，融入到研发、生产、管理、服务等环节，可满足人、物、机器等各要素之间全连接，实现泛在深度互联和个性化定制，使行业变得更加数字化、网络化、智能化。

3GPP 在R15 版本中已经对网络切片的基本功能和基本流程进行了定义，为早期的专网部署奠定了基础。R15 阶段的5G 专网有2 种部署方式：一是运营商通过切片技术，通过UPF 分流，将用户的数据直接传送到用户的内网；二是使用国家提供的专用5G 频段，行业客户自行建设5G专网。

为了降低5G 网络时延而引入的边缘计算，就是将5G网络许多控制权限下放到网络边缘，网络结构类似一个局域网络，这其实就是一种典型的专网设计。5G 的网络切片技术，则主要针对不同的业务应用，进行网络资源的切片化处理，在网络结构上也完全类似于一张张独立的专网。对于需要数据速率保障的企业，他们将能够通过公共网络上的网络切片来执行此操作。

图1 给出了基于MEC 和网络切片实现逻辑专网的示意。

3GPP虽然在R15中已经确定了切片功能，从某种程度上来看，能够部分达到非公共网络（NPN——Non-Public Network）所实现的效果。但遗憾的是，限于某些原因，切片只能在核心网侧，这样真正切片的意义和价值会下降。接入网完全是共享的，在很多特殊的环境下无法提供很好的服务。

图1 基于MEC和网络切片实现逻辑专网

4 NPN专网

5G 系统的R15 版本主要为公共用途而设计，但私有用途的5G网络的部署引起了业界极大兴趣，所以非公共网络（NPN）的研究被纳入3GPP R16版本。

如图2 所示，在3GPP R16 标准研究中，NPN 被分为2类。

图2 SNPN和PNI-NPN实现架构图

a）独立的非公共网络（SNPN——Stand-alone NPN），SNPN 不依赖网络运营商的公共网络提供的功能。一个SNPN 可以是一个隔离的不与PLMN 之间交互的NPN 网络，NPN 和PLMN 可部署在不同的网络基础设施上。

b）非独立的非公共网络（PNI-NPN——Public Network Integrated Non-Public Network），又称公共网络集成的非公共网络，即在PLMN 支持下部署的NPN。PNI-NPN 可以完全或部分托管在PLMN 基础设施上，依赖于一些网络运营商的网络功能。

4.1 SNPN的部署方式

SNPN 是基于5G 系统架构的专用网络，与公共网络PLMN 完全分离。SNPN，即由NPN 运营商部署运营，不依赖PLMN 提供的网络功能，使用PLMN ID +NID 唯一标识一个具体的独立部署NPN 网络，其中NID（Network identifier）可以本地分配，也可以全局分配。SNPN 网络通过非可信的N3WIF 接入PLMN 网络。

SNPN 的部署不依赖公网，行业用户自己部署专网设备或者邀请运营商为其部署专网，行业用户拥有专网所有权。具有专有频谱的行业用户或租用运营商频谱的用户可以使用此种部署方式，适合规模大的行业用户。

SNPN部署具有如下优点。

a）企业有独立的5G网络，企业独立运营或管理。

b）企业专网和公网物理隔离，企业数据不出园区，提供完整的数据安全。

c）超低时延：由于基站、5GC 和UPF 在园区部署，网络延迟在ms级。

SNPN部署具有如下缺点。

a）部署成本：需要部署全套的5G 网络设备，成本较高。

b）运维成本：需要专业的网络运维团队进行维护。

c）互通性差：不支持和4G 网络的互操作，不支持终端漫游。

4.2 PNI-NPN的部署方式

PNI-NPN 是通过PLMN 运营商提供的NPN 专用网络，例如通过专用的DNNs 或通过为NPN 分配的1个（或多个）网络切片实例，结合CAG（Closed Access Group）来实现。

PNI-NPN专网有4种建网模式。

a）运营商帮助行业客户建立专网（包括无线网和核心网），使用运营商授权频率。

b）行业客户在园区只部署5G 核心网设备（5GC、UPF和MEC），专网和公网共享5G基站（公网和专网终端需配置2个PLMN）。

c）行业客户在园区只部署核心网用户面设备，专网和公网共享无线基站（公网和专网终端需配置2 个PLMN）及核心网控制面设备。

d）无线网和核心网完全共享（端到端网络切片、公网和专网使用2个不同的切片）。

PNI-NPN网络部署具有如下优点。

a）部署成本：通过网络切片为企业提供5G 网络服务，部署成本低。

b）运维成本：由运营商统一运维，降低企业的运维成本和对人员的能力要求。

PNI-NPN网络部署具有如下缺点。

a）数据安全：由于企业的业务数据通过公网PLMN来进行传输，数据安全存在一定的风险。

b）业务时延：对于用户面设备UPF 不下沉的部署场景，行业客户的数据通过公网的UPF 到企业内部，网络时延较长。

c）业务隔离性：对于通过网络切片实现逻辑上隔离的部署方式，公网的拥塞或者故障仍然有可能影响企业专网的运行。

网络切片为基于公共网络的专网服务提供了可能，为中小企业开辟了新的网络选择。对于某些更注重数据安全的企业来说，他们不希望数据离开园区，希望拥有专用网络而不是公共网络上的切片，即使该切片是专用而不是共享的。对于不关心其服务是通过切片还是专用网络提供的企业，网络切片可以提供企业所需的不同级别的隔离和资源需求。

对于数据需要驻留在园区的企业，需要部署一个专用网络，在此网络中，他们可以通过网络切片部署不同的实例，因此切片也可以用作企业专网的一种工具。