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5G专网架构及建设策略思考

5G专网提供eMBB、uRLLC和mMTC等多样化应用场景,支持垂直行业差异化服务和灵活的服务定制能力,通过SNPN和PNI-NPN部署模式为垂直行业提供与公网相互隔离的5G基础网络。首先介绍了5G专网的关键技术和组网架构,然后对比分析了三大运营商关于5G专网的总体规划情况,最后从工程实施的角度阐述了5G专网规划建设的主要思路和策略。

一、5G专网概述

1.1 无线专网进入5G时代

无线专网技术的发展历经模拟集群、数字集群、宽带集群等阶段,纵观无线专网几十年的发展历程,模拟集群时代诞生了北美APCO16和欧洲MPT1327,窄带数字集群时代的APCO25、iDEN、TETRA、DMR 、GoTa和GT800多家争雄,宽带集群时代MCPTT和B-TrunC争分天下。3GPP在2020年发布R16版本以来,无线专网技术正式进入5G专网时代(见图1)。

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图1 无线专网技术体制的发展

5G专网提供eMBB、uRLLC和mMTC等更丰富的场景,端到端网络切片支持垂直行业差异化服务,可实现灵活编排的业务定制能力,结合边缘计算、5G LAN、TSN等先进技术构筑连接(Connection)、控制(Control)、融合(Convergence)的智慧社会基础。

1.2 5G规模部署构筑5G专网网络能力

2020年,全球多国抢占5G制高点,加速推进基础设施建设,我国在5G建设方面已经走在了世界前列。工业和信息化部统计数据显示,我国5G基站以每周1万多个的数量在增长,2020年底,我国已建成全球最大的5G网络,5G基站数量达71.8万个,占全球比重超过七成,独立组网模式的5G网络已覆盖全国所有地(市),5G终端连接数超过2亿。

我国5G基础设施的逐步完善和5G网络能力快速提升,再加上各行各业都在深度挖掘5G红利,推进5G行业应用创新方案的落地,为5G专网的建设和发展奠定了基础,加快各行各业数字化转型进程。

1.3 行业应用需求助推5G专网发展

垂直行业是5G的主战场,从目前情况来看,我国垂直行业的5G应用已经开始快速起跑。随着5G网络覆盖的不断完善,相信在2021年及之后,5G行业应用将会呈现爆发式增长。虽然目前5G行业应用多为示范项目,但应用场景正在不断丰富,特别是新冠肺炎疫情暴发以来,远程办公、智慧医疗、智慧教育、4K直播等应用火线上阵,既为防疫抗疫、复工复产做出了贡献,也让5G在垂直行业中的应用积累了宝贵经验。5G应用在医疗、防控、应急、物流等领域的重要性被充分验证,也为相关应用大规模普及拉开了序幕。

行业应用不同于个人应用,具有多样性和差异化特性,不同行业不同应用的业务模型、可靠性及安全性要求等往往差异巨大,运营商需要有真正适合行业需求的5G专网为各行各业提供服务,才能实现5G赋能行业变革的使命。

二、5G专网技术及架构

2.1 5G专网标准化

5G的标准化是从3GPP R15开始的,R15版本主要是为公网而定义的,在R16阶段,3GPP重点开始了对垂直行业应用的标准化研究。在5G系统架构上,3GPP TS 23.501等系列规范及研究报告首次定义了5G专网(Non-Public Network,NPN)架构,系统分析了垂直行业的通信业务需求、安全增强等关键问题。

5G NPN通过独立NPN(Stand-alone Non-Public Network,SNPN)和公网集成NPN(Public Network Integrated Non-Public Network,PNI-NPN)2种部署模式为垂直行业提供与公网PLMN隔离的5G基础网络,并通过与PLMN的互相访问,构建了在一张专网上满足多种应用网络需求的基础。SNPN不依赖于5G公网,与5G公网相互独立部署,由运营商、企业或相关组织等运营,PNI-NPN是在5G公网支持下部署的专网,由运营商运营和维护。

目前,3GPP对5G专网的标准化还处于初期阶段,对5G专网的安全增强、信道建模、SNPN与PLMN互通等部分内容还有待在后续版本中进一步规范。

2.2 5G专网网络架构

2.2.1 SNPN

SNPN模式采用5GS系统架构(见图2),在该模式下,独立部署从无线网、核心网到云平台的整个5G专用网络。SNPN由PLMN ID和NID唯一确定,签约了某一SNPN业务的用户会配置相应信息,存储在终端和核心网侧。在网络侧,基站广播网络支持的NID和相应的PLMN ID信息,核心网根据用户的签约信息对用户的身份进行认证;在终端侧,签约用户需要配置SNPN接入模式,根据自己的签约信息选择可接入的SNPN小区,未配置为SNPN接入模式的用户只能接入5G公网。

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图2 SNPN采用5GS体系架构

SNPN不支持与EPS互通,不支持SNPN之间的漫游以及SNPN之间、SNPN与公网或PNI NPN之间的切换。用户可以基于non-3GPP互操作功能N3IWF的方式通过SNPN接入5G公网业务或通过5G公网接入NPN业务。

SNPN组网与5G公网相互物理隔离,工厂或园区内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等都不会出园区,可满足工业领域严格的数据安全、低时延和高可靠需求。当然,对于园区内的语音、上网等非生产型业务,也可以通过防火墙与5G公网互联。

2.2.2 PNI-NPN

PNI-NPN集成在5G公网中,由5G公网为垂直行业提供专网功能,并由5G公网运营商进行控制和维护。在PNI-NPN网络下,UE同样签约PLMN网络,由于网络切片不能限制终端在其未授权的网络切片区域中尝试接入网络,需开启CAG用于接入控制,其中,CAG代表一组可以接入1个或多个CAG小区的签约用户组。由于PNI-NPN依赖于PLMN的网络功能,对于未配置只允许接入PNI-NPN的CAG相关信息的用户,支持PNI-NPN和PLMN网络间的切换。

为适应行业应用场景的多样化需求,根据PNI-NPN与5G公网的共享关系,可将PNI-NPN主要分为3类共享方案:端到端共享方案、共享无线网和控制面方案、共享无线网方案,如图3所示。

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图3 PNI-NPN的3种典型方案架构

因与5G公网共享深度或层次的不同,PNI-NPN的3类共享方案在安全性、端到端时延、工程实施、适用场景上有一定的差异。各垂直行业用户可以根据本行业通信业务的需求,灵活定制相适应的5G专网方案。

2.3 运营商5G专网部署模式

近期,各运营商相继发布了各自的5G行业专网白皮书,中国电信采用致远、比邻、如翼3种模式,中国移动采用优享、专享、尊享3种模式,中国联通采用虚拟专网、混合专网、独立专网3种模式。综合来看,各运营商的5G专网部署模式组合大致保持一致,都采用了5G专网典型方案中的3类:端到端共享、共享无线网和控制面和独立专网SNPN,主要的差异就在于核心网控制面网元部署的专用化节奏上略有不同。

三、5G专网规划及建设策略思考

3.1 无线网

5G专网无线网规划和建设主要聚焦于不同部署模式下的无线频率、基站站型、无线参数配置等方面。

行业应用有很多特殊的场景,5G专网覆盖方式在不同的行业差异很大,如智慧矿山的井下覆盖、智能电网的线路覆盖、近海湖泊等水域覆盖等,因此,5G专网规划和建设的粒度比公网更细,要做到一行业一规划,一场景一规划。

3.1.1 无线频率

频率策略是5G专网规划首要考虑的因素,5G频率规划需要考虑产业成熟度、组网性能、已用频段的重耕难度等因素。运营商现有5G频率主要有4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz、2.1 GHz和700 MHz,5G专网频率规划综合考虑公网的频率规划和定位、行业应用的业务特征、覆盖的范围等,选择相适应的频率及使用方式。5G专网共享公网频率资源或预留频率资源时,需重点分析行业应用的业务模型、公网和专网业务间的容量协同策略等;5G专网在某些特定区域使用专用频率时,需重点考虑与公网之间的干扰隔离等问题。对于中远期的5G频率规划,高频mmWave频段(包括非授权频段)也是5G专网频率的一个重要方向。

a)PNI-NPN(端到端共享):遵循5G公网频率的规划和定位原则,专网共享5G公网频率。

b)PNI-NPN(共享无线网和控制面):遵循5G公网频率的规划和定位原则,专网共享5G公网频率,但应对5G专网需求进行频率资源预留,对高流量类业务可启动载波聚合或多频网络;在频率资源具备可用性时,也可以在重点区域使用专用频率,提高专网专用化程度。

c)SNPN:在国家未正式发放专网频率许可前,运营商结合5G公网频率的规划和定位,确定用于5G专网的专用频率。比如中国移动优选4.9 GHz作为专用频率,中国电信和中国联通优选3.4~3.6 GHz中空闲的100 MHz带宽以及3.3~3.4 GHz频段作为专网频率,其中,3.3~3.4 GHz用于室内覆盖。专用频率的选择要求尽量与同覆盖区及周边公网选用不同频率并利用工程手段保证有效隔离。

3.1.2 基站站型

基站站型不同,网络能力和工程实施条件也不同。以业务容量需求为主,工程实施条件为辅选择站型,是5G专网基站站型选择的主要原则。

在PNI-NPN模式下,将专网的覆盖、容量和质量需求纳入公网综合考虑,参考5G公网建设原则,结合行业应用的差异化需求,合理选择室外覆盖和室内覆盖的基站站型。对于室外覆盖规划,高容量场景主要选择高配置站型,如64TR/32TR,覆盖区域特殊时适当引入宏微协同覆盖,中低容量选择中低配置站型;对于室内覆盖规划,高容量需求场景以数字室分为主,中低容量场景以无源室分为主,对工程实施困难且流量较低场景,也可考虑室外基站兼顾室内浅层覆盖方式。

在SNPN模式下,将专网的覆盖、容量和质量需求单独考虑,无线网和公网物理隔离,基站站型的选择不受5G公网约束。室外覆盖根据流量需求的大小,按需选择64TR/32TR/8TR/4TR等站型,室内覆盖优选数字室分系统,中低流量场景可选无源室分系统。

3.1.3 参数配置

基于行业业务模型、专网部署模式,合理确定QoS、时隙配比参数。如有必要选用不同于5G公网的时隙配比参数,必须在5G公专网协同规划中,考虑二者之间的有效隔离。

3.2 核心网

根据运营商的5G专网部署模式,5G专网核心网主要分为虚拟核心网、专网UPF和专用5GC 3种形态。

3.2.1 虚拟核心网

从5GC公网中虚拟出相应的资源组成企业专网,5G专网共享公网全部网元,面向有广域覆盖、通用需求的场景。5G专网核心网规划应侧重于制定不同的网络切片策略,根据业务需求采取合适的切片方式,如共用切片、独立的逻辑切片、独立的物理切片等。公专共享的UPF按照公网的原则和要求建设,一般不考虑下沉。

3.2.2 专网UPF

为企业专网建设物理独立的专网UPF,加上从公网中虚拟出的其他5GC资源组成企业专网,面向有低时延和数据不出园需求的场景。5G专网核心网规划应侧重于制定专用网元包括UPF的建设策略,包括网元的部署位置、设备选型、关键指标的评估等。

专网UPF按业务需求下沉(见图4),分为边缘机房专网UPF和园区级专网UPF 2类。边缘机房专网UPF一般对应到各地(市),通常为多个行业用户共享,部署在城域核心,可参照5G公网UPF组网方案。园区级UPF采用轻量级设备,通常为行业用户专享。以STN为例,为了降低时延,园区级UPF建议优选接入尽量靠近用户STN B设备。若在园区新建一对STN A设备,园区级UPF双挂该对STN A设备,能够实现数据不出园区。

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图4 专网UPF接入方案

3.2.3 专用5GC

为企业建设物理独立的5GC专用网络,面向有独立建网需求的场景。5G专网核心网规划应侧重于制定轻量化5GC核心网的建设策略,包括网元的部署模式、设备选型、关键指标的评估、码号分配及用户数据管理等。

3.3 业务网

从垂直行业应用的需求来看,不同的垂直行业应用对5G专网业务的数据管控要求不同,可分为数据不出园区和数据出园区两大类;从单终端访问需求来看,又可分为仅访问内网、仅访问公网和同时访问公网和内网三大类

我国的5G网络基础设施建设走在了世界前列,各行各业都在借着5G的东风,深度挖掘5G技术红利,积极探索数字化转型道路。目前正处于5G专网发展初期,从标准、设备、终端到业务的整个5G专网产业链正在快速发展但尚未成熟,建议运营商做好5G专网的中长期规划,根据产业链的发展情况,适时引入新技术,逐步部署相适应的专网模式,分阶段提供行业应用服务能力。在垂直行业领域上,5G专网行业应用从试点到规模化推广仍然有很长的路要走,现阶段亟需要国家政策的引导和支持,加快业务培育,构建5G应用生态系统。

来源:中通服咨询设计研究院有限公司 彭雄根 绿地集团 彭艳

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题图来自Unsplash,基于CC0协议

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