5G专网技术解决方案和建设策略

 2020年6月25日第37卷第12期Telecom Power TechnologyＪｕｎ．　２５，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　１２　doi：10.19399/j.cnki.tpt.2020.12.065通信技术5G专网技术解决方案和建设策略郑镇礼（广东通信行业职业技能鉴定中心，广东 广州 510000）摘要：5G具有大带宽、低延时、高可靠、多连接的网络能力和边缘计算特点，高度满足了专用网的需求。针对专网市场对5G的应用，可完成智能制造、远程医疗、视频直播、无人驾驶以及海量物联网设备接入等相关行业的应用。因此，从5G专网建设的必要性、5G专网技术框架、5G园区专网建设策略3个方面，分析了5G核心网在产业/专网方向上的发展演变。结果表明，“5G+产业”跨界合作有望形成更大的5G+产业良性循环。关键词：5G；专网；网络切片Technical Solutions and Construction Strategies for 5G Private NetworkZHENG Zhen-li（Guangdong Vocational Skill Appraisal Center of Communication Industry，Guangzhou 510000，China）Abstract：With the characteristics of large bandwidth，low latency，high reliability，multi-connection network capacity and edge computing，5G highly meets the needs of private network. For the application of 5G in private network market，which can realize video broadcast，mass iot device access，remote medical treatment，unmanned，the application of the typical industry such as intelligent manufacturing，this article from the 5G private network construction，the necessity of private network technical framework，5G，5G park private network construction strategy three aspects analyzes the 5G core network/private network in the direction of development in the industry. “5G+industry” cross-border cooperation is expected to form a greater virtuous circle of 5G+industry.Key words：5G；private network；network section0 引 言与4G相比，5G网络面向更丰富的场景——eMBB、uRLLC、mLTC，功能更强大。基于SBA的模块化服务定义在5G网络中的应用，运营商具备充分的定制能力和选择空间，促进了柔性网络真正融合刚性网络，利用组合实现网络服务的灵活性，从而发挥定制和灵活组合的功能，真正完成升级的独立性和顺利演进。5G提供端到端的网络切片能力，以满足垂直行业的差异化服务以及对无线、传输和核心网络资源的灵活调度。基于以上优势，业界预计80%的5G将在工业互联网等领域应用[1]。丰富多样的5G应用场景如何发挥5G的最大价值，需挖掘“5G+产业”的优势，形成良好的跨界合作循环，把产业的整体发展推向一个新的高度，这需要整个行业在发展中加强网络建设。1 5G行业专网需求分析与独立建网的必要性1.1 需求分析为了满足组织管理、安全生产、指挥调度等方收稿日期：2020-04-02作者简介：郑镇礼（1982-），男，广东茂名人，本科，通信工程师，主要研究方向为5G应用。面的具体需要，以及自有频率和未经授权的频谱在行业中利用，为了有效控制业务数据，需建立自己的专用网络。专业的网络背景中，业务需求的典型性特征如表1所示。随着产业需求的推动和专用网技术的推进，专网通信已经不仅仅满足数字和模拟的形式，而是开始探索向物联网、移动、宽带等多种业务的融合发展，如LTE专用宽带网和Wi-Fi。然而，LTE专用网受限于带宽窄、低容量、高时延、超高的网络及终端成本；Wi-Fi网络性能则在诸多方面较差，如移动性、稳定性和可靠性等，难以满足表1中典型用网的业务需求。随着5G技术的飞速发展，5G高速、大带宽、低时延、高可靠性的特点，为不同领域的无线创造了新的路径。诸多优势集于一身，5G专网完全能实现表1中对可靠性、连接密度、QoS和定位精度的要求。5G专网的商业运作不仅可以满足传统客户的业务需求，而且可以满足不同领域对数据灵活性和安全性的需求，以及工程建设和不同支持运行的需求。（1）定制的灵活性。对可更换专有网络的定制，必须综合可靠性、QoS、通信能力以及隔离度等。共享一网，即园区人与物的智能网连接的综合服务通过一网进行解决。控制的自主性是指企业自主管控专业网络，并按照具体的需要实时调整网络和终端，完全·　１９５　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2020年6月25日第37卷第12期Telecom Power Technology表1 专网业务需求Ｊｕｎ．　２５，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　１２　专网典型业务采集监测类业务集群通信类业务业务控制类型视频监控、检测类业务移动类业务业务需求有许多网络终端，主要功能是检测环境和采集业务数据。分析运营现状和环境背景， 实现商业运营与智能园区管理的有机融合用于工业操作的调度指挥、推送多元媒体、广播、群呼优先级控制等多渠道通信功能以核心业务为主轴的专用网涉及的方面很多，对业务运行的安全性、 运行效率、隔离安全、高可靠性和时延确定提出了严格要求用于园区/厂区的安全检查和业务检测，对本地数据保留和网络上行带宽要求较高应用于工业内网移动终端，对网络时延、网络覆盖、交换和精确定位有较高的要求不受大网络的影响。隔离的安全性是指具备隔离公共网络的功能，数据只在区域内，确保用户信息安全和数据的独立。（2）集中数据管理的具体功能包括一点聚合专网数据、流量的透明性、分析内容便捷以及可以实时洞察网络状态。覆盖的范围要按照终端类型的深度、广度以及业务特征进行确定，智能优化极限宽带和无线波束。优质的服务水平必须具备相应的服务体系，与客户进行网络服务水平协议的有效签订，规范相关的故障处理、日常维护以及开通业务等服务标准。为了切实保证客户的网络服务体验，考虑根据用户要求进行专属运维、驻地化的7×24小时服务。在5G网络背景下，运营商的无限商机来源于行业客户的多样化需求。因此，运营商需懂得以智能化、数字化、无人化园区为切入点，介入5G专网市场，把5G专网的新产品提供给相关的垂直行业，从而使该专网模式真正实现灵活部署、按需隔离和公专融合的模式。1.2 专网建设的必要性5G技术本身可以提供2C或2B服务。目前，受人口红利和人口需求的影响，个人通信消费已经趋于饱和。在缓慢增速的2C市场中，传统的2C用户将被2B用户取代，变成5G的主要用户。倘若尝试将2C和2B网络共建，那么这个网络是公网而不是一个专用网络。由于两个网络在服务对象、业务内容等方面存在诸多差异，因此共建会带来诸多弊端。若单独建设5G 2B工业专用网，可以差异化服务满足需求，从而更深地拓展5G业务。先进的技术和丰富的经验是运营商在通信网络建设方面拥有的优势，可以满足传统业务和互联网用户的各种需求。如表2所示，企业、工业或专用网用户对性能和安全性的需求相当高，完全超越大众消费的行业，如公共安全、工业生产、交通等。因为2C网络对工业或企业专用网用户的多样化需求难以满足，尤其是基于企业业务的按需服务和灵活开放层次，距离2B网络的距离还很大。2B业务诸多层次上的差异性，给2B网络提出了分开建设的要求。2 5G专网建设策略2.1 5G专网总体架构设计5G行业专用网是基于5G标准的网络架构，包括边缘计算、网络切片、运行以及维护管理等功能。从应用场景、地理位置和服务范围来看，5G行业专用网可分为广域专网和局域专网两大类。对局域专网，一般适用于特定地理区域的园区。基于特定区域的5G网络可实现业务闭环，确保行业核心业务不出园区，主要应用场景包括制造业、石化、钢铁、港口、医疗以及教育等园区企业。广域专网不受地域限制，端到端的公共网络资源通常以运营商为基础，通过网络或物理切片的方式，实现不同行业不同业务的安全承载，主要应用场景包括交通、车联网、电力以及跨域经营的特大型企业。5G产业专网主要包括两种重要的支撑技术。一种是网络切片技术，即通过网络切片能力可以构建端到端的5G网络，实现跨区域专网，保证专网资源与公网的逻辑隔离甚至物理隔离。另一种是边缘计算，表2 2B和2C业务对比对比项业务类型用户用户规模网络状况标准状况与现网关系2B（行业专网及互联网）多样，包括eMBB、uRLLC、mMTC、V2X等多场景行业、企业、政府等较小，初期处于磨合培育期，未来有望有较大发展需求多，网络变化频繁标准继续（R16、R17），还待完善较小，相对独立，独立于现有的网络建设和发展2C（通信及互联网）单一，主要是eMBB，满足消费者语音和上网需要个人用户较大，依赖于现网用户数量网络相对稳定，业务统一标准成熟，已基本收敛较大，和现网需要进行业务继承和互操作·　１９６　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2020年6月25日第37卷第12期郑镇礼：5G专网技术解决方案和 建设策略Telecom Power TechnologyＪｕｎ．　２５，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　１２　即通过边缘计算能力在园区、工厂等区域构建一种独享或部分独享的网络资源。建立专网的两种技术也可企业以重叠，以更好地保护专网的资源和质量。5G专网整体网络架构如图1所示。5G核心网对外服务能力平台UPF对外服务能力平台园区行业平台/业务系统UPF边缘云MEC行业平台/业务系统5G基站UPF边缘云MEC5G基站5G基站终端/应用局域专网5G基站广域专网图1 5G专网整体网络架构对于局域专网，如图1工厂、园区、港区、矿区型的行业专网，由基站、UPF、边缘计算平台、企业业务平台以及5G专网自服务管理平台等部分组成。局域专网中的各类业务平台可部署于园区/厂区的边缘计算平台，也可以是企业自有的业务平台，以承载园区/厂区的各类行业平台或行业应用，如数据采集平台、协同研发平台和行业视觉平台等。对于园区/厂区型专网的运维，运营商可以借助能力开放、切片管理、综合网管等技术或系统构建5G行业专网自服务管理平台，以实现智能化管理，满足企业自主监测、[2]管理以及配置专网的需求。对于广域专网，如图1区域1和区域2的跨域专网，或企业总部和区域1或区域2的跨域专网，由运营商公共网络、企业云平台以及5G专网自服务管理平台等部分组成。广域专网的流量在运营商公网开通的专用切片资源内转发，可不受公众业务流量的影响和资源抢占。对于拥有跨区域的专网通道行业，如车联网类、游戏类以及现实（VR）类行业，可以通过切片专网和平台，在任何地点实现切片专网内的互访。广域专网的业务平台一般部署于集中云位置，也可以根据特定需要，在特定位置的网络边缘计算平台部署子系统[2]。2.2 面向园区的5G专网部署方案园区5G工业专网的部署根据下沉网络设备的不同，可分为UPF部署、UPF+MEP部署和5G轻量级核心网部署。各部署方案的适用条件和主要优缺点如表3所示。2.2.1 UPF部署UPF部署主要适用于中小企业，企业对流量不出园区和时延指标有要求，但终端状态和分流需求相对固定，没有网络能力调用和自我管理、自我维护的需求。对于传输困难、机房空间或供电紧张的情况，可采用UPF和基站共用机房的部署方式。2.2.2 UPF+MEP部署UPF+MEP部署主要适用于大中型企业，企业有网络能力调用、网络和平台自我管理和自我维护、业表3 3种部署模式的适用条件和主要优缺点部署模式流量本地出口网络能力调用行业自助运维管理部署复杂度部署造价企业需要具备的能力UPF部署业务不可提供不可提供最简单最低UPF+MEP部署业务可提供可提供较为简单相对较高5G轻量级核心网+MEP部署业务+控制信令可提供可提供涉及到核心网元的部署及管理，较复杂全套核心网、造价最高机房资源、与运营机房资源、与运营商网络对接；平台及网络的机房资源、与运营商网络对接；平台及网商网络对接简单自维护管理能力及人员络的复杂自维护管理能力及人员·　１９７　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2020年6月25日第37卷第12期Telecom Power TechnologyＪｕｎ．　２５，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　１２　务规则制定等需求，也可以在MEP中承载部分企业应用和企业系统，实现业务与网络的更好衔接，企业具有一定的网络和平台管理能力。对于传输改造困难场景、机房空间或供电受限场景，可采用PF+MEP与基站共用一个机房的部署方式。2.2.3 5G轻量级核心网部署5G轻量级核心网部署主要适用于大型企业，企业对核心业务的安全隔离要求最高，同时对网络能力调用、网络和平台自我管理和自我维护、业务规则制定等也有要求，具有一定的网络和平台管理能力[3]。以上3种模式关系是渐进式的，简单UPF的部署模式支持向UPF+MEP部署模式演进，UPF+MEP也支持向5G轻量级核心网模式演进，因此企业也可以根据需要采用分段方式进行部署。本地机房5GC本地数据公网数据MFC/UPFInternert大网宏站宏站远程控制IOT设备垂直、水平作业区港口园区人员无人机图2 宁波舟山港5G混合专网架构构3 5G行业专网典型案例宁波舟山港中国移动与宁波舟山港就5G智能港项目进行深入合作，提出港口5G专网解决方案，旨在深度整合5G与港口生产业务，提高港口自动化水平，实现降本增效。港口网络架构如图2所示。整个案例采用SA组网，在港区内设置大型网络宏站和专用宏站，为港口生产业务提供频率专用服务。该接入控制方案保证了其他用户不能接入专网区域，大大提高了业务性能（如时延、速度、可靠性）的保证效果，目前已完成多个堆场连续覆盖，以满足港口的速率、可靠性、时延以及安全隔离等要求[4]。核心网部署专用5G C核心网切片，将UPF下沉至港口区，确保港口敏感业务的数据安全隔离性。其余核心网络设备位于机房，物理设备与其他项目共享，通过切片进行虚拟隔离。港口机械PLC等港口设备通过CPE接入5G网络，港区人员和无人机通过5G基站直接接入。目前，宁波舟山港5G行业专网已进入批量运营阶段，有利于宁波港港口自动化发展。4 结 论综上所述，重点分析5G专网建设的需求，并深度研究5G专网建设的策略和方案，有针对性地探讨了5G专网的网络性能、网络结构、场景应用以及行业状况，同时客观指出了5G专网建设运营模式中存在的诸多问题，也提供了解决问题的有效建议。随着5G技术日新月异的发展，相关的网络标准和建议日趋成熟，未来服务垂直行业的质量会更高，运营商在专业网建设方面的优势还在增强，但机遇和挑战并存的格局也在形成。参考文献：[1] 邬贺铨.5G时代将是产业互联网时代，大批“独角兽”企业将崛起[J].智能城市，2017，（5）：22-24.[2] 李立平，张文超，赵文贤.5G业务解决方案及发展展望[C].广东通信青年论坛优秀论文专刊，2019.[3] 中信建投.5G应用之全球趋势前瞻：应用与流量齐飞[Z].2019.[4] 杨红梅，赵 勇.5G安全风险分析及标准进展[J].中兴通讯技术，2019，（4）：2-5.·　１９８　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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