5G专网技术解决方案和建设策略

来源:用户上传      作者:

　　【摘  要】5G所具备的海量连接、高可靠、低时延等技术特性，高度契合专网的需求，可实现视频直播、海量物联网设备接入、无人驾驶、远程医疗、智能制造等典型行业或政企专网应用。针对5G应用于专网市场，从5G专网独立建设必要性、3GPP 5G NPN（Non-Public Network）技术最新进展和5G核心网2B（To Business）网络建设策略三个方面分析5G核心侧在行业/专网方向的发展与演进。以期5G在专网领域发挥更大的价值，促进“5G+行业”跨界合作形成良性循环。
　　【关键词】5G;专网;2B;垂直应用;网络切片
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.002        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0008-06
　　引用格式：李立平， 李振东， 方琰崴. 5G专网技术解决方案和建设策略[J]. 移动通信， 2020，44（3）： 8-13.
　　The Technical Solutions and Construction Strategies for 5G Private Networks
　　LI Liping， LI Zhendong， FANG Yanwei
　　（ZTE Corporation， Nanjing 210012， China）
　　[Abstract] The technical characteristics of 5G， such as massive connections， high reliability and low latency， are highly suitable for the requirements of private networks. Hence the typical private network applications can be realized for industries， government and enterprises， such as live broadcast， massive IoT device access， unmanned driving， telemedicine and intelligent manufacturing. For the application of 5G in the private network market， this paper analyzes the development and evolution of the 5G core side in the industry/private network directions from the three aspects of the independent construction necessity of 5G private networks， the latest developments in 3GPP 5G NPN （Non-Public Network） standard technologies and 5G core network 2B （To Business） network construction strategies. It is expected that 5G will play a greater value in the private network field and promote cross-border cooperation in "5G + industry" to form a virtuous circle.
　　[Key words]5G; private network; 2B; vertical application; network slice
　　0   引言
　　與2G/3G/4G不同，5G除了能够满足个人通信外，还能够满足多样化垂直行业的专网通信建设需要，为未来的工业化应用奠定基础，通信业内对于专网通信已经开展了深入和广泛的研究。
　　相对于运营商运营的公众通信网络，NPN专网（Non-Public Network）技术整体落后1到2代，目前主流专网仍然是相当于2G的技术，仅有部分领域例如政务网广泛引入基于4G的专网。专网的宽带化需求与4G技术相结合，最终导致基于3G的专网技术退服。PDT（PDT， Police Digital Trunking）+LTE的“2G+4G”组网模式，成为国内专网主要客户公安专网的主流。但不同于前几代移动通信技术，5G所具备的海量连接、高可靠、低时延等技术特性，高度契合专网的需求，可实现视频直播、海量物联网设备接入、无人驾驶、远程医疗、智能制造等典型行业或政企应用。业内预期，5G的80%，将应用在工业互联网等行业市场[1]。5G的应用场景丰富多样，如何发挥5G更大的价值，促进“ 5G+行业”跨界合作形成良性循环，最终促进整体产业发展都是业内重点关注的问题，需要在网络建设的同时进行分析、试验[2]。
　　针对5G应用于专网市场，本文将从5G专网独立建设必要性，3GPP 5G NPN技术最新进展和5G核心网2B（To Business）网络建设策略三个方面分析5G核心侧在行业/专网方向的发展与演进。
　　1   5G行业专网独立建设的必要性
　　5G技术本身可以提供2C（To Customer）或者2B（To Business）服务，随着个人通信消费能力饱和（受限于人口红利、需求等），2C市场增长放缓，2B企业用户将取代2C个人消费者，成为5G应用的主角[3]。如果2C和2B网络合一建设，则实际是公网而不是专网，因两者服务对象、业务内容等均有很多不同，合建会有很多不利之处，单独建设5G 2B行业专网，则能为行业用户提供差异化的服务，进一步拓展5G业务领域。 　　运营商在通信网络建设方面有着丰富的经验和技术优势，可以满足传统业务及互联网类用户的基础通信需求。如表1所示，行业或企业专网用户主要集中在比大众消费者对性能和安全要求比较高的行业[4]，例如工业生产、公共安全、交通运输等，2C网络不能满足行业或企业专网用户的多样需求，尤其是在企业业务的灵活开通、按需服务等方面与2B网络存在较大差距。
　　2B与2C业务对多个维度的差异性决定了2B网络最好单独建设，如图1所示：
　　2B/2C网络解耦分建，隔离了2B网络的功能的快速迭代对2C网络的影响，同时也简化网络规划，维护界面清晰，故障定位迅速。当然，分建对无线有要求，需要无线侧同时对接2B和2C两张核心网[5]。5G 2B网络技术实现规范化和标准化在3GPP中对应于NPN网络解决方案。
　　2   3GPP NPN解決方案架构
　　NPN，即非公共网络，是区别于电信运营商公网，为特定用户/组织提供服务的网络，在3GPP协议TS23.501的定义中，非公共网络有以下两种类型：
　　（1）独立组网的NPN网络SNPN（Stand-alone NPN，独立专网），该网络不依赖于公网（PLMN网络），由SNPN运营商运营（非运营商的网络，例如政府专网、企业专网）。
　　（2）非独立组网的NPN网络PNI-NPN（Public network integrated NPN，集成于公网的专网），该网络依赖于公网（比如5G网络），由传统运营商运营[6]。
　　对于PNI-NPN，如果只使用 R15中定义的网络切片[7]，则无法进行访问控制，需要启用CAG（Closed Access Group，受限访问组）去阻止未授权终端接入[8]。
　　不论是SNPN还是PNI-NPN，NPN都可以实现端到端的资源隔离，为垂直行业或特定群体用户提供专属接入，限制非授权终端接入专属基站或频段，保障客户通信资源独享，所以NPN可以和行业应用比如工业互联网进行很好的融合，并且可以为局域网（LAN，Local Area Network）业务提供支持，满足一些企业、学校等园区对于可靠且稳定的私有网络需求。
　　2.1  SNPN技术解决方案
　　（1）SNPN解决方案架构
　　SNPN是基于5G独立建设的专网，所以还是采用5G基本架构，但因SNPN网络不依赖PLMN公网，SNPN 5G核心网和PLMN公网的5G和核心网之间不能进行互操作，为了保证SNPN UE能够从SNPN接入PLMN，或者UE从PLMN 5G公网接入SNPN，SNPN重用了“Untrusted non-3GPP access”架构来保证专网UE可以通过SNPN的用户面访问PLMN 5G的业务，或者通过PLMN 5G的用户面访问SNPN的业务[9]，如图2和图3所示。
　　UE（User Equipment，用户终端）从NPN侧接入后直接在UE和NPN CN之间建立NPN PDU Sessions。UE上配置了公网N3IWF地址/域名，UE通过NPN PDU Sessions和公网N3IWF建立安全连接，UE在该连接内，向公网CN请求建立公网PDU session。UE和公网CN之间的PDN session的NAS信令和用户数据，都是封装在UE和通过NPN PDU Sessions和公网N3IWF建立安全连接。
　　UE从5G公网接入SNPN，访问SNPN业务的架构，和上面类似。UE接入公网后需要建立公网PDU session。UE上配置了SNPN N3IWF地址/域名，UE通过公网PDU Sessions和SNPN N3IWF建立安全连接。UE在该连接内，向SNPN CN请求建立NPN PDU session。UE和NPN CN之间的NPN PDN session的NAS信令和用户数据，都是封装在UE和通过公网 PDU Sessions和SNPN N3IWF建立安全连接中。
　　在有无线覆盖的前提下，选择哪种接入方式，取决于UE实现或配置。事实上，如果UE是dual radio的，这两种方式都可以采用。
　　（2）NPN方案关键技术
　　1）定义SNPN网络标识
　　在3GPP R16中，协议定义了PLMN ID+NID（Net-work Identifier）作为SNPN网络标识，这里的PLMN是5G网络，用于SNPN的PLMN ID不需要是唯一的，保留给专用网络使用的PLMN ID可以是通用值，比如（MCC）999。NID有2种分配模式：一种是自分配（Self-assignment），SNPN自己分配NID，但是有全球不唯一的风险;第二种方式是协同分配（Coordinated assignment），协同分配又包含两种选项，NID全球唯一，或者PLMN ID + NID全球唯一[10]。
　　2）SNPN网络标识的配置，广播及网络选择
　　一个签约了SNPN服务的UE需要支持SNPN Access
　　Mode，配置为SNPN Access Mode的UE只能通过SNPN接入网络，而未配置为SNPN Access Mode的UE则可以执行PLMN公网比如5G网络选择流程。其中SNPN Access Mode的配置方式（激活、去激活等）是由UE来实现的。UE配置相应的一个或多个由PLMN ID+NID组合标识的SNPN的签约者标识符SUPI（Subscriber Identifier）和凭证，同时此签约需要对应存储在网络签约中。
　　在初始接入和小区重选过程中，NG-RAN通过SIB（System Information Block）消息为UE广播小区驻留、重传、链路建立等所需的若干参数，对SNPN网络还需要广播自身支持的所有的PLMN ID和每个PLMN ID相关联的NID列表，配置了SNPN Access Mode的UE可以根据自己的配置PLMN ID+NID信息选择可接入的SNPN小区，核心网根据UE的签约信息对UE的身份进行鉴权。 　　当一个UE同时有多个SNPN可以选择时，由UE来选择接入哪个SNPN网络，选择策略标准目前没有限定，取决于UE配置。
　　另外，由于SNPN不依赖于公网网络，所以不支持SNPN和公网之间的互操作，即SNPN和PLMN的5G核心网之间没有控制面接口。
　　3）UE SNPN访问控制和小区重选
　　当UE对SNPN执行初始注册时，UE应将选定NID和相应PLMN ID通知到 NG-RAN。NG-RAN传递该UE所选PLMN ID和NID给AMF。如果UE在执行注册或服务请求过程中UE没有签约，AMF将拒绝该UE接入其选择的SNPN。为了防止授权UE在网络拥塞或过负荷的情况下访问SNPN，每个SNPN网络需要配置统一的访问控制策略。
　　2.2  PNI-NPN技术解决方案
　　PNI-NPN是通过公网来提供NPN服务，例如通过为NPN分配一个或多个5G网络切片来实现NPN功能。由于5G网络不会在空中接口上过广播S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information），因此切片无法限制UE在其未授权的网络切片覆盖区域中尝试接入网络，因此需要采用CAG（Cell Access Group）用于接入控制。同一个UE可以有多个CAG。如果多个UE有相同的CAG值，则表示这些UE可以接入同一个CAG小区。
　　（1）PNI-NPN解决方案架构
　　PNI-NPN采用的是标准5G网络架构，但对接入用户进行限制其签约NPN，并通过切片选择提供对应NPN的切片服务，如图4所示：
　　（2）PNI-NPN方案关键技术
　　CAG由5G网络PLMN ID和CAG ID共同确定，启用了CAG的小区只允许签约UE接入。CAG ID在相关联的PLMN ID内唯一，一个CAG小区向每个PLMN广播一个或多个CAG ID（最多12个），此外，CAG小区还可以按每个CAG ID广播可读网络名。
　　UE在配置CAG时会在配置数据中配置两个信息，一个是该UE可以接入的CAG列表（Allowed CAG list），该列表存储当前UE所能接入的全部CAG小区的ID，另一个是该UE是否只能通过CAG小区接入网络的标识（CAG-only indication），配置该标识的UE只能通过CAG小区接入网络。5G核心网侧可以发起UE配置更新过程来更新UE上的配置。
　　在初始接入和小区重选过程中，NG-RAN需要广播其支持的CAG ID和相应的PLMN ID，未配置CAG-only indication的CAG UE可以根据自己的Allowed CAG list选择可接入的CAG小区，也可以选择签约的公共PLMN小区，选择策略目前标准还没明确，可以提前在UE进行配置。配置了CAG-only indication的CAG UE只能根据本身配置的Allowed CAG list选择可接入的CAG小区。核心网AMF可以根据用户的签约对UE的身份进行鉴权，鉴权通过后同步对该UE的允许接入CAG List到NG-RAN。
　　由于PNI-NPN采用的是标准5G网络架构，因此对于未配置CAG-only indication的UE支持PNI-NPN和公网间的切换。其中从CAG小区到PLMN小区的切换需要基站或者核心网AMF确认UE是否配置了CAG-only indication。从PLMN小区到CAG小区的切换需要基站或者核心网AMF判断目标基站的CAG ID在UE的Allowed CAG list中。
　　3    5G行业专网建设策略
　　3.1  5G行业专网的典型组网模式
　　结合5G行业专网的两种方案SNPN和PNI-NPN，为了匹配行业应用多场景需求[11]，5G提供的2B行业专网有4种推荐组网模式，如图5所示。
　　其中模式4是典型的SNPN组网，模式1、2、3则主要是PNI-NPN组网。无论是SNPN还是PNI-NPN都需要多网络切片[12]。在SNPN组网中，多网络切片限定了应用场景和用户范围，比如联网自动驾驶这种业务需要多网络切片（如为高清地图导航提供的eMBB切片，为自动驾驶提供的uRLLC切片和为车载物联网应用提供的mMTC切片等）的配合。
　　而在PNI-NPN组网中，则就是通过给NPN分配一个或多个5G网络切片并通过切片间安全隔离[13]来实现NPN。
　　3.2  5G行业专网建设步骤
　　5G 2B行业专网可以从业务发展阶段和业务规模选择建设步骤，采用分阶段、分步骤调整方式比较符合整体行业市场需要，在部署初期，只將媒体面下沉到企业、园区或者行业数据中心，切片服务可以共享（非独占），如模式一，以降低运营成本。随着业务发展部署中期选择进一步下沉或独占切片的方式，如模式二或三，进一步提高专用部分的比例。最终，部署后期采用全下沉和独占网络的方式，如模式四，形成专网专用。当然，也可以根据业务规模和预算直接采用模式二、三或者四。
　　3.3  专网对产业链带来的需求和影响
　　专网本身运营与公网消费者运营有非常大的不同，这对5G产业链带来与以往通信模式不同的建设需求。最突出的是面向公众消费者提供的切片商城[14]需要增加专网需求，增加针对专网的组织及权限设置、费率、套餐、业务范围等，或者与公众消费者切片商城独立开来，提供单独的5G 2B专网切片商城，这种方式更有利于提供专网业务服务。
　　5G 2B专网还需要加强对第三方业务能力开放[15]，最基本的是完成与企业、行业等内部现有IT系统的集成，比如通信录、组织权限、内部通讯工具等;然后可以引入第三方进行特色业务需求开发。第三方主要来自于IT、CT业务开发企业，也可以来自于运营商、企业内部开发者，目的是从专网客户的角度，提供ICT深度融合，甚至于与生产系统调度系统等打通数据链，未来逐步加强大数据分析和AI预测能力，为行业业务发展提供有效的支撑。 　　4   结束语
　　通过对公专网2C、2B多方面的比较，5G 2B行业专网很有必要区分2C公网进行独立建设，以支撑需求丰富的5G行业应用场景。5G 2B行业专网已经基本具备提供SNPN或PNI-NPN两种专网建设方案的能力。
　　5G 2B行业专网切片B2B模式比垂直行业/企业专网更具有技术优势，并且切片的一网多用共享特性使得切片的成本更优，5G 2B行业专网将逐步融合传统专网，基于切片形成5G 2B行业专网与传统专网的互补，充分结合双方的优势，共同为行业用户提供特定的高可靠和高安全性的定制化服务。
　　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. 广州： 移动通信， 2019： 15-26.
　　[3]    中信建投. 5G应用之全球趋势前瞻：应用与流量齐飞[R]. 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.
　　[5]    3GPP. 3GPP TS38.300： Technical Specification Group Radio Access Network; NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2， （Release 15）[S]. 2019.
　　[6]     3GPP.  3GPP TS23.501： 5G; System Architecture for the 5G System， （16.3.0）[S]. 2019.
　　[7]    3GPP. 3GPP TS38.300： Technical Specification Group Radio Access Network; NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2， （Release 15）[S]. 2019.
　　[8]    3GPP. 3GPP TS29.503： 5G; 5G System; Unified Data Management Services; Stage 3 （Release 15）[S]. 2019.
　　[9]    3GPP. 3GPP TS29.275： Technical Specification Group Core Network and Terminals; Proxy Mobile IPv6 （PMIPv6） based Mobility and Tunneling protocols; Stage 3 （Release 15）[S]. 2018.
　　[10]   3GPP. 3GPP TS23.112： NAS Functions related to MS in Idle mode， （Release 10）[S]. 2016.
　　[11]    李立平，王卫斌，方琰崴. 面向业务体验的5G核心网演进分析及建设方案[C]//5G网络创新研讨会（2019）论文集. 广州： 移动通信， 2019： 294-301.
　　[12]   魏垚，谢沛荣. 网络切片标准分析与进展现状[J]. 移动通信， 2019，43（4）： 25-30.
　　[13]  方琰崴. 5G核心网安全解决方案[J]. 移动通信， 2019，43（10）： 19-25.
　　[14]   中兴通讯. 首个5G网络切片商城[J]. 智能城市， 2019（21）： 18.
　　[15]   陳淑平，刘海舟，常培. 互联网+时代构建面向业务创新的能力开放生态体系研究[J]. 邮电设计技术， 2019（1）： 58-62. ★
　　作者简介
　　李立平（orcid.org/0000-0002-9236-5466）：工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院计算机应用与技术专业，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总监，发表论文及媒体专访十多篇，获专利十多项，研究方向为电信云及核心网组网方案和关键技术。
　　李振东：工程师，博士毕业于南京大学计算机系计算机软件与理论专业，现任中兴通讯股份有限公司无线经营部标准团队高级标准预研工程师，获专利三十多项，向3GPP国际标准提交提案超过200篇，研究方向为3GPP 5G标准制定。
　　方琰崴：高级工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院数字通信专业，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总工、产品市场总监，发表论文四十余篇，获多项专利，研究方向为电信云与核心网的组网和关键技术。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15153103.htm