5G專網(wǎng)架構(gòu)及建設(shè)策略思考

彭雄根，彭 艷，李 新，王浩宇（.中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 009；.綠地集團(tuán)江蘇事業(yè)部，江蘇南京 00）

1 5G專網(wǎng)概述

1.1 無線專網(wǎng)進(jìn)入5G時代

無線專網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)模擬集群、數(shù)字集群、寬帶集群等階段，縱觀無線專網(wǎng)幾十年的發(fā)展歷程，模擬集群時代誕生了北美APCO16 和歐洲MPT1327，窄帶數(shù)字集群時代的APCO25、iDEN、TETRA、DMR、GoTa 和GT800 多家爭雄，寬帶集群時代MCPTT 和BTrunC 爭分天下。3GPP 在2020 年發(fā)布R16 版本，無線專網(wǎng)技術(shù)正式進(jìn)入5G專網(wǎng)時代（見圖1）。

圖1 無線專網(wǎng)技術(shù)體制的發(fā)展

5G 專網(wǎng)提供eMBB、uRLLC 和mMTC 等更豐富的場景，端到端網(wǎng)絡(luò)切片支持垂直行業(yè)差異化服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)靈活編排的業(yè)務(wù)定制能力，結(jié)合邊緣計(jì)算、5G LAN、TSN 等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)筑連接（Connection）、控制（Control）、融合（Convergence）的智慧社會基礎(chǔ)。

1.2 5G規(guī)模部署構(gòu)筑5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力

2020 年，全球多國搶占5G 制高點(diǎn)，加速推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國在5G 建設(shè)方面已經(jīng)走在了世界前列。工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國5G 基站以每周1萬多個的數(shù)量在增長，2020 年底，我國已建成全球最大的5G 網(wǎng)絡(luò)，5G 基站數(shù)量達(dá)71.8萬個，占全球比重超過七成，獨(dú)立組網(wǎng)模式的5G 網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國所有地（市），5G終端連接數(shù)超過2億。

我國5G基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善和5G網(wǎng)絡(luò)能力快速提升，再加上各行各業(yè)都在深度挖掘5G 紅利，推進(jìn)5G行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新方案的落地，為5G專網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，加快各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

1.3 行業(yè)應(yīng)用需求助推5G專網(wǎng)發(fā)展

垂直行業(yè)是5G 的主戰(zhàn)場，從目前情況來看，我國垂直行業(yè)的5G應(yīng)用已經(jīng)開始快速起跑。隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不斷完善，5G 行業(yè)應(yīng)用將會呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。雖然目前5G行業(yè)應(yīng)用多為示范項(xiàng)目，但應(yīng)用場景正在不斷豐富，特別是新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，遠(yuǎn)程辦公、智慧醫(yī)療、智慧教育、4K直播等應(yīng)用火線上陣，既為防疫抗疫、復(fù)工復(fù)產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)，也讓5G 在垂直行業(yè)中的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。5G應(yīng)用在醫(yī)療、防控、應(yīng)急、物流等領(lǐng)域的重要性被充分驗(yàn)證，也為相關(guān)應(yīng)用大規(guī)模普及拉開了序幕。

行業(yè)應(yīng)用不同于個人應(yīng)用，具有多樣性和差異化特性，不同行業(yè)不同應(yīng)用的業(yè)務(wù)模型、可靠性及安全性要求等往往差異巨大，運(yùn)營商需要有真正適合行業(yè)需求的5G 專網(wǎng)為各行各業(yè)提供服務(wù)，才能實(shí)現(xiàn)5G 賦能行業(yè)變革的使命。

2 5G專網(wǎng)技術(shù)及架構(gòu)

2.1 5G專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化

5G 的標(biāo)準(zhǔn)化是從3GPP R15 開始的，R15 版本主要是為公網(wǎng)而定義的，在R16 階段，3GPP 重點(diǎn)開始了對垂直行業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化研究。在5G 系統(tǒng)架構(gòu)上，3GPP TS 23.501 等系列規(guī)范及研究報(bào)告首次定義了5G 專網(wǎng)（Non-Public Network，NPN）架構(gòu)，系統(tǒng)分析了垂直行業(yè)的通信業(yè)務(wù)需求、安全增強(qiáng)等關(guān)鍵問題。

5G NPN 通過獨(dú)立NPN（Stand-alone Non-Public Network，SNPN）和公網(wǎng)集成NPN（Public Network Integrated Non-Public Network，PNI-NPN）2 種部署模式為垂直行業(yè)提供與公網(wǎng)PLMN 隔離的5G 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，并通過與PLMN 的互相訪問，構(gòu)建了在一張專網(wǎng)上滿足多種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)需求的基礎(chǔ)。SNPN 不依賴于5G 公網(wǎng)，與5G 公網(wǎng)相互獨(dú)立部署，由運(yùn)營商、企業(yè)或相關(guān)組織等運(yùn)營，PNI-NPN 是在5G 公網(wǎng)支持下部署的專網(wǎng)，由運(yùn)營商運(yùn)營和維護(hù)。

目前，3GPP對5G專網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化還處于初期階段，對5G 專網(wǎng)的安全增強(qiáng)、信道建模、SNPN 與PLMN 互通等部分內(nèi)容還有待在后續(xù)版本中進(jìn)一步規(guī)范。

2.2 5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2.1 SNPN

SNPN 模式采用5GS 系統(tǒng)架構(gòu)（見圖2），在該模式下，獨(dú)立部署從無線網(wǎng)、核心網(wǎng)到云平臺的整個5G 專用網(wǎng)絡(luò)。SNPN 由PLMN ID 和NID 唯一確定，簽約了某一SNPN 業(yè)務(wù)的用戶會配置相應(yīng)信息，存儲在終端和核心網(wǎng)側(cè)。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，基站廣播網(wǎng)絡(luò)支持的NID 和相應(yīng)的PLMN ID 信息，核心網(wǎng)根據(jù)用戶的簽約信息對用戶的身份進(jìn)行認(rèn)證；在終端側(cè)，簽約用戶需要配置SNPN 接入模式，根據(jù)自己的簽約信息選擇可接入的SNPN 小區(qū)，未配置為SNPN 接入模式的用戶只能接入5G公網(wǎng)。

圖2 SNPN采用5GS體系架構(gòu)

SNPN 不支持與EPS 互通，不支持SNPN 之間的漫游以及SNPN 之間、SNPN 與公網(wǎng)或PNI NPN 之間的切換。用戶可以基于non-3GPP 互操作功能N3IWF 的方式通過SNPN 接入5G 公網(wǎng)業(yè)務(wù)或通過5G 公網(wǎng)接入NPN業(yè)務(wù)。

SNPN 組網(wǎng)與5G 公網(wǎng)相互物理隔離，工廠或園區(qū)內(nèi)的設(shè)備信息、控制面信令流量、用戶面數(shù)據(jù)流量等都不會出園區(qū)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)格的數(shù)據(jù)安全、低時延和高可靠需求。當(dāng)然，對于園區(qū)內(nèi)的語音、上網(wǎng)等非生產(chǎn)型業(yè)務(wù)，也可以通過防火墻與5G公網(wǎng)互聯(lián)。

2.2.2 PNI-NPN

PNI-NPN 集成在5G 公網(wǎng)中，由5G 公網(wǎng)為垂直行業(yè)提供專網(wǎng)功能，并由5G 公網(wǎng)運(yùn)營商進(jìn)行控制和維護(hù)。在PNI-NPN 網(wǎng)絡(luò)下，UE 同樣簽約PLMN 網(wǎng)絡(luò)，由于網(wǎng)絡(luò)切片不能限制終端在其未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)切片區(qū)域中嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，需開啟CAG 用于接入控制，其中，CAG 代表一組可以接入1 個或多個CAG 小區(qū)的簽約用戶組。由于PNI-NPN 依賴于PLMN 的網(wǎng)絡(luò)功能，對于未配置只允許接入PNI-NPN 的CAG 相關(guān)信息的用戶，支持PNI-NPN和PLMN網(wǎng)絡(luò)間的切換。

為適應(yīng)行業(yè)應(yīng)用場景的多樣化需求，根據(jù)PNINPN 與5G 公網(wǎng)的共享關(guān)系，可將PNI-NPN 主要分為3類共享方案：端到端共享方案、共享無線網(wǎng)和控制面方案、共享無線網(wǎng)方案，如圖3所示。

圖3 PNI-NPN的3種典型方案架構(gòu)

因與5G 公網(wǎng)共享深度或?qū)哟蔚牟煌琍NI-NPN的3 類共享方案在安全性、端到端時延、工程實(shí)施、適用場景上有一定的差異，如表1 所示。各垂直行業(yè)用戶可以根據(jù)本行業(yè)通信業(yè)務(wù)的需求，靈活定制相適應(yīng)的5G專網(wǎng)方案。

表1 運(yùn)營商5G專網(wǎng)部署模式對比

2.3 運(yùn)營商5G專網(wǎng)部署模式

近期，各運(yùn)營商相繼發(fā)布了各自的5G行業(yè)專網(wǎng)白皮書，中國電信采用致遠(yuǎn)、比鄰、如翼3種模式，中國移動采用優(yōu)享、專享、尊享3 種模式，中國聯(lián)通采用虛擬專網(wǎng)、混合專網(wǎng)、獨(dú)立專網(wǎng)3 種模式。綜合來看，各運(yùn)營商的5G專網(wǎng)部署模式組合大致保持一致，都采用了5G 專網(wǎng)典型方案中的3 類：端到端共享、共享無線網(wǎng)和控制面和獨(dú)立專網(wǎng)SNPN，主要差異就在于核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元部署的專用化節(jié)奏上略有不同（見表2）。

表2 運(yùn)營商5G專網(wǎng)部署模式對比

3 5G專網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)策略思考

3.1 無線網(wǎng)

5G 專網(wǎng)無線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)主要聚焦于不同部署模式下的無線頻率、基站站型、無線參數(shù)配置等方面，如表3所示。

表3 5G專網(wǎng)無線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)要點(diǎn)

行業(yè)應(yīng)用有很多特殊的場景，5G 專網(wǎng)覆蓋方式在不同的行業(yè)差異很大，如智慧礦山的井下覆蓋、智能電網(wǎng)的線路覆蓋、近海湖泊等水域覆蓋等，因此，5G專網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)的粒度比公網(wǎng)更細(xì)，要做到一行業(yè)一規(guī)劃，一場景一規(guī)劃。

3.1.1 無線頻率

頻率策略是5G 專網(wǎng)規(guī)劃首要考慮的因素，5G 頻率規(guī)劃需要考慮產(chǎn)業(yè)成熟度、組網(wǎng)性能、已用頻段的重耕難度等因素。運(yùn)營商現(xiàn)有5G 頻率主要有4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz、2.1 GHz 和700 MHz，5G 專網(wǎng)頻率規(guī)劃綜合考慮公網(wǎng)的頻率規(guī)劃和定位、行業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)特征、覆蓋的范圍等，選擇相適應(yīng)的頻率及使用方式。5G 專網(wǎng)共享公網(wǎng)頻率資源或預(yù)留頻率資源時，需重點(diǎn)分析行業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)模型、公網(wǎng)和專網(wǎng)業(yè)務(wù)間的容量協(xié)同策略等；5G 專網(wǎng)在某些特定區(qū)域使用專用頻率時，需重點(diǎn)考慮與公網(wǎng)之間的干擾隔離等問題。對于中遠(yuǎn)期的5G 頻率規(guī)劃，高頻mmWave 頻段（包括非授權(quán)頻段）也是5G專網(wǎng)頻率的一個重要方向。

a）PNI-NPN（端到端共享）：遵循5G 公網(wǎng)頻率的規(guī)劃和定位原則，專網(wǎng)共享5G公網(wǎng)頻率。

b）PNI-NPN（共享無線網(wǎng)和控制面）：遵循5G 公網(wǎng)頻率的規(guī)劃和定位原則，專網(wǎng)共享5G 公網(wǎng)頻率，但應(yīng)對5G專網(wǎng)需求進(jìn)行頻率資源預(yù)留，對高流量類業(yè)務(wù)可啟動載波聚合或多頻網(wǎng)絡(luò)；在頻率資源具備可用性時，也可以在重點(diǎn)區(qū)域使用專用頻率，提高專網(wǎng)專用化程度。

c）SNPN：在國家未正式發(fā)放專網(wǎng)頻率許可前，運(yùn)營商結(jié)合5G 公網(wǎng)頻率的規(guī)劃和定位，確定用于5G 專網(wǎng)的專用頻率。比如中國移動優(yōu)選4.9 GHz 作為專用頻率，中國電信和中國聯(lián)通優(yōu)選3.4～3.6 GHz中空閑的100 MHz 帶寬以及3.3～3.4 GHz 頻段作為專網(wǎng)頻率，其中，3.3～3.4 GHz 用于室內(nèi)覆蓋。專用頻率的選擇要求盡量與同覆蓋區(qū)及周邊公網(wǎng)選用不同頻率并利用工程手段保證有效隔離。

3.1.2 基站站型

基站站型不同，網(wǎng)絡(luò)能力和工程實(shí)施條件也不同。以業(yè)務(wù)容量需求為主，工程實(shí)施條件為輔選擇站型，是5G專網(wǎng)基站站型選擇的主要原則。

在PNI-NPN 模式下，將專網(wǎng)的覆蓋、容量和質(zhì)量需求納入公網(wǎng)綜合考慮，參考5G 公網(wǎng)建設(shè)原則，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的差異化需求，合理選擇室外覆蓋和室內(nèi)覆蓋基站站型。對于室外覆蓋規(guī)劃，高容量場景主要選擇高配置站型，如64TR/32TR，覆蓋區(qū)域特殊時適當(dāng)引入宏微協(xié)同覆蓋，中低容量選擇中低配置站型；對于室內(nèi)覆蓋規(guī)劃，高容量需求場景以數(shù)字室分為主，中低容量場景以無源室分為主，對工程實(shí)施困難且流量較低場景，可考慮室外基站兼顧室內(nèi)淺層覆蓋方式。

在SNPN 模式下，將專網(wǎng)的覆蓋、容量和質(zhì)量需求單獨(dú)考慮，無線網(wǎng)和公網(wǎng)物理隔離，基站站型的選擇不受5G公網(wǎng)約束。室外覆蓋根據(jù)流量需求的大小，按需選擇64TR/32TR/8TR/4TR 等站型，室內(nèi)覆蓋優(yōu)選數(shù)字室分系統(tǒng)，中低流量場景可選無源室分系統(tǒng)。

3.1.3 參數(shù)配置

基于行業(yè)業(yè)務(wù)模型、專網(wǎng)部署模式，合理確定QoS、時隙配比參數(shù)。如有必要選用不同于5G 公網(wǎng)的時隙配比參數(shù)，必須在5G 公專網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃中，考慮二者之間的有效隔離。

3.2 核心網(wǎng)

根據(jù)運(yùn)營商的5G 專網(wǎng)部署模式，5G 專網(wǎng)核心網(wǎng)主要分為虛擬核心網(wǎng)、專網(wǎng)UPF和專用5GC 3種形態(tài)。

3.2.1 虛擬核心網(wǎng)

從5GC 公網(wǎng)中虛擬出相應(yīng)的資源組成企業(yè)專網(wǎng)，5G 專網(wǎng)共享公網(wǎng)全部網(wǎng)元，面向有廣域覆蓋、通用需求的場景。5G 專網(wǎng)核心網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)側(cè)重于制定不同的網(wǎng)絡(luò)切片策略，根據(jù)業(yè)務(wù)需求采取合適的切片方式，如共用切片、獨(dú)立的邏輯切片、獨(dú)立的物理切片等。公專共享的UPF 按照公網(wǎng)的原則和要求建設(shè)，一般不考慮下沉。

3.2.2 專網(wǎng)UPF

為企業(yè)專網(wǎng)建設(shè)物理獨(dú)立的專網(wǎng)UPF，加上從公網(wǎng)中虛擬出的其他5GC 資源組成企業(yè)專網(wǎng)，面向有低時延和數(shù)據(jù)不出園需求的場景。5G 專網(wǎng)核心網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)側(cè)重于制定專用網(wǎng)元包括UPF 的建設(shè)策略，包括網(wǎng)元的部署位置、設(shè)備選型、關(guān)鍵指標(biāo)的評估等。

專網(wǎng)UPF 按業(yè)務(wù)需求下沉（見圖4），分為邊緣機(jī)房專網(wǎng)UPF 和園區(qū)級專網(wǎng)UPF 2 類。邊緣機(jī)房專網(wǎng)UPF一般對應(yīng)到各地（市），通常為多個行業(yè)用戶共享，部署在城域核心，可參照5G公網(wǎng)UPF組網(wǎng)方案。園區(qū)級UPF 采用輕量級設(shè)備，通常為行業(yè)用戶專享。以STN為例，為了降低時延，園區(qū)級UPF建議優(yōu)選接入盡量靠近用戶STN B 設(shè)備。若在園區(qū)新建1 對STN A 設(shè)備，園區(qū)級UPF雙掛該對STN A設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

圖4 專網(wǎng)UPF接入方案

3.2.3 專用5GC

為企業(yè)建設(shè)物理獨(dú)立的5GC 專用網(wǎng)絡(luò)，面向有獨(dú)立建網(wǎng)需求的場景。5G 專網(wǎng)核心網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)側(cè)重于制定輕量化5GC 核心網(wǎng)的建設(shè)策略，包括網(wǎng)元的部署模式、設(shè)備選型、關(guān)鍵指標(biāo)的評估、碼號分配及用戶數(shù)據(jù)管理等。

3.3 業(yè)務(wù)網(wǎng)

從垂直行業(yè)應(yīng)用的需求來看，不同的垂直行業(yè)應(yīng)用對5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)管控要求不同，可分為數(shù)據(jù)不出園區(qū)和數(shù)據(jù)出園區(qū)兩大類；從單終端訪問需求來看，又可分為僅訪問內(nèi)網(wǎng)、僅訪問公網(wǎng)和同時訪問公網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)三大類。以此維度分類，各場景下業(yè)務(wù)的典型具體數(shù)據(jù)路由方案如表4所示。

表4 各場景下業(yè)務(wù)的典型數(shù)據(jù)路由方案

4 結(jié)束語

我國的5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)走在了世界前列，各行各業(yè)都在借著5G的東風(fēng)，深度挖掘5G技術(shù)紅利，積極探索數(shù)字化轉(zhuǎn)型道路。目前正處于5G 專網(wǎng)發(fā)展初期，從標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備、終端到業(yè)務(wù)的整個5G專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈正在快速發(fā)展但尚未成熟，建議運(yùn)營商做好5G專網(wǎng)的中長期規(guī)劃，根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展情況，適時引入新技術(shù)，逐步部署相適應(yīng)的專網(wǎng)模式，分階段提供行業(yè)應(yīng)用服務(wù)能力。在垂直行業(yè)領(lǐng)域上，5G專網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用從試點(diǎn)到規(guī)?；茝V仍然有很長的路要走，現(xiàn)階段亟需要國家政策的引導(dǎo)和支持，加快業(yè)務(wù)培育，構(gòu)建5G 應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)。