聶衡，趙慧玲

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

5G技術(shù)的興起掀起了生產(chǎn)要素智能化轉(zhuǎn)型升級的熱潮。隨著“新基建”戰(zhàn)略的持續(xù)推進，各行各業(yè)對于利用5G 技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的需求愈發(fā)迫切。如果說前幾代移動通信主要是面向公眾用戶的業(yè)務(wù)場景進行設(shè)計，那么5G 則是為了移動通信網(wǎng)絡(luò)能夠支持萬物互聯(lián)和行業(yè)應(yīng)用而設(shè)計，從而進一步拓展移動通信網(wǎng)絡(luò)所能服務(wù)的市場。

負責(zé)移動通信標(biāo)準制定的國際組織3GPP 首先在R15 完成5G 的基本標(biāo)準，奠定了5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其覆蓋了5G 網(wǎng)絡(luò)的基本特性，可以滿足5G 三大基礎(chǔ)場景之一的eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強的移動寬帶）場景[1]。然后3GPP 在后續(xù)的R16 和R17 標(biāo)準制定中主要的內(nèi)容是圍繞垂直行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)的增強和拓展來設(shè)計，以實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計初衷。目前3GPP 已經(jīng)完成了R16 版本的標(biāo)準，支持很多垂直行業(yè)所需的網(wǎng)絡(luò)能力，包括URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，高可靠低時延通信）、5G LAN（5G Local Area Network，5G 局域網(wǎng)）、TSN（Time Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）、NPN（Non-Public Network，非公共網(wǎng)絡(luò)）、CIoT（Cellular Internet of Things，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)）等。但是3GPP 主要是從基本技術(shù)和標(biāo)準層面來研究如何支持行業(yè)應(yīng)用，并不會研究如何使用這些技術(shù)、如何部署各種網(wǎng)絡(luò)來滿足行業(yè)用戶的需求。

本文分析了5G 時代行業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)特點和業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求，對相關(guān)的核心網(wǎng)方案進行了分析，并且提出了應(yīng)用建議，可以為未來規(guī)模應(yīng)用基于5G 核心網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供參考。

1 行業(yè)應(yīng)用對5G網(wǎng)絡(luò)的需求

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的逐步建設(shè)，行業(yè)用戶、運營商、設(shè)備商也開始合作對各類行業(yè)應(yīng)用如何進行數(shù)字化升級、如何通過5G 網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)各種功能進行了探索。這些業(yè)務(wù)涉及到廣闊的行業(yè)，例如AR/VR、游戲、智慧園區(qū)、醫(yī)療、能源、工業(yè)制造、公共安全等?；谶@些行業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)的要求的比較，可以看到不同行業(yè)的信息化特征差異明顯，行業(yè)間的業(yè)務(wù)場景對信息化需求的程度各不相同。例如，對于業(yè)務(wù)端到端時延、業(yè)務(wù)的最大可用帶寬、業(yè)務(wù)的安全、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隔離度、業(yè)務(wù)要求的覆蓋范圍等，不同行業(yè)有著不同的需求。

由于這些行業(yè)客戶需求多樣、應(yīng)用場景復(fù)雜，而傳統(tǒng)的主要面向公眾用戶部署的單一的移動網(wǎng)絡(luò)無法很好滿足行業(yè)不同應(yīng)用場景的差異化需求和行業(yè)客戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的業(yè)務(wù)需求，客戶亟需可定制的5G 專用網(wǎng)絡(luò)，來滿足安全隔離等級、低時延、云網(wǎng)融合等不同層面的行業(yè)數(shù)字化所需的信息基礎(chǔ)設(shè)施需求場景[2]。5G 專網(wǎng)服務(wù)不僅僅是一張通信網(wǎng)絡(luò)，更是一種融合網(wǎng)絡(luò)、云計算、邊緣計算、應(yīng)用平臺全面定制的綜合解決方案。

5G 專網(wǎng)面向不同行業(yè)的場景需求可以提供定制化的解決方案，以滿足差異化的行業(yè)需求，如大帶寬需求、超低時延需求、高可靠性需求、網(wǎng)絡(luò)能力定制化需求、高安全需求、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隔離需求。針對不同行業(yè)可以引入不同的組網(wǎng)需求，例如低時延需求可以引入本地業(yè)務(wù)保障、業(yè)務(wù)加速、邊緣云組網(wǎng)需求；強隔離需求將引入數(shù)據(jù)不出園區(qū)、端到端切片的組網(wǎng)需求[3]。

目前業(yè)界對采用5G 專網(wǎng)來滿足行業(yè)的需求已經(jīng)有了基本共識。例如，2020 年3 月工信部通信〔2020〕49 號《關(guān)于推動5G 加快發(fā)展的通知》中建議加強5G 技術(shù)和標(biāo)準研發(fā)，組織開展5G 行業(yè)虛擬專網(wǎng)研究和試點，打通標(biāo)準、技術(shù)、應(yīng)用、部署等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。提出“內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造覆蓋10 個重點行業(yè)”、“打造一批5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造標(biāo)桿網(wǎng)絡(luò)、樣板工程，形成至少20 大典型工業(yè)應(yīng)用場景”。國內(nèi)的5G 應(yīng)用產(chǎn)業(yè)方陣也成立“5G 行業(yè)虛擬專網(wǎng)研究項目組”，全面推進5G 行業(yè)專網(wǎng)的技術(shù)研究、標(biāo)準制定、測試驗證及實際部署。

2 5G專網(wǎng)的不同類型

針對不同行業(yè)/ 企業(yè)客戶對5G 專網(wǎng)的專有程度的不同、與運營商的5G 大網(wǎng)之間的關(guān)系，5G 專網(wǎng)可以分為虛擬專網(wǎng)、UPF 專用、5GC 專用三種類型。

2.1 虛擬專網(wǎng)

虛擬專網(wǎng)是從運營商5G 物理大網(wǎng)資源中虛擬出來的行業(yè)專網(wǎng)。得益于云原生的5GC 虛擬化技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)端到端切片技術(shù)，虛擬專網(wǎng)可以基于運營商的5G 網(wǎng)絡(luò)資源，通過QoS、DNN 定制和切片等技術(shù)，為行業(yè)客戶提供端到端差異化保障的網(wǎng)絡(luò)連接、行業(yè)應(yīng)用等服務(wù)。虛擬專網(wǎng)的本質(zhì)是公網(wǎng)專用，基于運營商的公網(wǎng)來為行業(yè)用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。虛擬專網(wǎng)在成本、安全、服務(wù)開通等方面具有以下優(yōu)勢：

成本優(yōu)勢：虛擬專網(wǎng)可以復(fù)用公網(wǎng)成熟的5G 產(chǎn)業(yè)鏈，該產(chǎn)業(yè)鏈通過運營商在廣大的公眾市場的規(guī)模建網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片、終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的低成本化。在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，虛擬專網(wǎng)促使行業(yè)企業(yè)擺脫“一次性建網(wǎng)、一次性投入”的高成本模式場景[4]，通過租用運營商的大網(wǎng)中的物理資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的低成本化。在網(wǎng)絡(luò)運維方面，行業(yè)企業(yè)可同運營商協(xié)作，在獲得網(wǎng)絡(luò)運營及運維的自主權(quán)的前提下，擺脫復(fù)雜的5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運維，實現(xiàn)多樣化、簡單化、自主化的5G 網(wǎng)絡(luò)使用和運維模式，從而最終降低運維成本。

安全優(yōu)勢：虛擬專網(wǎng)可以在運營商5G 公網(wǎng)完備的安全基礎(chǔ)之上給企業(yè)提供定制化的安全保障。同時由于虛擬專網(wǎng)基于運營商5G 公網(wǎng)，可完全借鑒電信級大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)安全運營經(jīng)驗，讓行業(yè)/ 企業(yè)獲得來自運營商的電信級安全保障服務(wù)。

服務(wù)開通優(yōu)勢：虛擬專網(wǎng)是基于運營商已經(jīng)成熟的商用5G 網(wǎng)絡(luò)，針對行業(yè)/ 企業(yè)的需求進行對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置/ 功能定制，例如配置對應(yīng)的切片信息、DNN 數(shù)據(jù)、QoS 參數(shù)、業(yè)務(wù)路由數(shù)據(jù)等，因此服務(wù)響應(yīng)和業(yè)務(wù)開通速度會比較迅速。

根據(jù)不同行業(yè)/企業(yè)的業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)資源占用和對網(wǎng)絡(luò)隔離度的不同需求，企業(yè)的虛擬專網(wǎng)可以與運營商的5G 公網(wǎng)共用物理網(wǎng)元共用切片，這種情況下可以通過設(shè)置企業(yè)獨立的DNN 來區(qū)分企業(yè)的業(yè)務(wù)。企業(yè)的虛擬專網(wǎng)也可以與運營商公網(wǎng)用戶共用物理網(wǎng)元，但是采用獨立的邏輯切片實現(xiàn)一定程度上的隔離。企業(yè)的虛擬專網(wǎng)還可以采用與運營商公網(wǎng)用戶網(wǎng)元獨立的物理切片，實現(xiàn)更高層次的隔離。

隨著未來行業(yè)應(yīng)用向更深的層次發(fā)展，例如引入URLLC、5G LAN、TSN、NPN 等新的網(wǎng)絡(luò)特性，會要求5G 網(wǎng)絡(luò)持續(xù)升級演進。另外，從4G 網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗看，各行各業(yè)的應(yīng)用本身也有大量特殊的定制功能需要網(wǎng)絡(luò)頻繁升級。并且行業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的個性化配置也比公眾業(yè)務(wù)多得多、要求配置數(shù)據(jù)的生效開通更快。例如某運營商4G網(wǎng)絡(luò)上的承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的PGW（Packet Data Network Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)）配置了上千個APN 數(shù)據(jù)，幾萬條DPI 規(guī)則，而承載公眾業(yè)務(wù)的PGW 上只配置了幾個APN，一萬多條DPI 規(guī)則。鑒于行業(yè)專網(wǎng)與公眾網(wǎng)絡(luò)在上述的網(wǎng)絡(luò)升級演進、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配置、數(shù)據(jù)運維管理等方面的不同，隨著未來5G 行業(yè)應(yīng)用的規(guī)模增長，面向行業(yè)的虛擬專網(wǎng)最好能夠與面向公眾用戶的網(wǎng)絡(luò)在一定程度上區(qū)隔。

2.2 UPF專用

有些行業(yè)/ 企業(yè)用戶對用戶面承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的時延、安全/ 隔離有更嚴格的要求，但是對控制面沒有特別的要求。例如園區(qū)里的生產(chǎn)企業(yè)要求產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不能出園區(qū)；要求業(yè)務(wù)端到端時延小于某個數(shù)值才能實現(xiàn)正常的生產(chǎn)控制。這些行業(yè)/ 企業(yè)的需求是針對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元UPF（User Plane Function，用戶面功能），可以在前面所述的虛擬專網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用企業(yè)專用的UPF，實現(xiàn)控制面共用、用戶面UPF 專用。通過UPF 專用，并且可以根據(jù)時延需求、隔離需求下沉到企業(yè)園區(qū)，這樣就解決了企業(yè)本地數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保障了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全/隔離。專用的UPF 能夠提供企業(yè)定制化業(yè)務(wù)能力和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配置，能夠保障一定程度的端到端業(yè)務(wù)時延。

根據(jù)不同行業(yè)/ 企業(yè)的需求，專用UPF 的部署層面也不同，例如部署在運營商的省5G 核心網(wǎng)中、地市、企業(yè)園區(qū)。專用UPF 部署位置往下沉，會增加UPF 部署的困難。所以實際部署專用UPF 時需要運營商和行業(yè)/ 企業(yè)進行具體案例的分析和權(quán)衡，如圖1 所示：

圖1 專用UPF的部署層面

由于不同行業(yè)/ 企業(yè)的業(yè)務(wù)量不同、UPF 設(shè)置層面的不同，采用單一的UPF 設(shè)備無法解決所有的專用UPF應(yīng)用場景，因此這一類UPF 需要深度定制，在容量、配置、設(shè)備形態(tài)方面形成不同的規(guī)格，形成多樣化的生態(tài)。目前運營商省內(nèi)的5GC 網(wǎng)絡(luò)為了簡化網(wǎng)絡(luò)組織一般都是采用單一廠家的SMF，而今后專用UPF 的應(yīng)用場景必然會面臨多廠家的情況，因此SMF 與UPF 之間的N4 接口的打通也將是落實專用UPF 應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對于部署在企業(yè)園區(qū)的UPF，需要解決承載問題、與運營商5G 大網(wǎng)控制面互聯(lián)的安全問題，這必然增加了運營的成本和復(fù)雜性。例如，傳統(tǒng)上5G 公眾網(wǎng)絡(luò)中的無線網(wǎng)沒有設(shè)置到附近企業(yè)園區(qū)的直達承載，為了連接園區(qū)內(nèi)的UPF，需要專門考慮N3 接口如何承載的問題。對于無線網(wǎng)共建共享的情況，則更為復(fù)雜。因為無線網(wǎng)的建設(shè)方只是在省層面才設(shè)置了到共享方的UPF 的承載連接，并沒有設(shè)置到無線網(wǎng)附近企業(yè)園區(qū)的共享方UPF 的連接，為此需求需要雙方協(xié)商如何實現(xiàn)這一段N3 接口的打通。設(shè)置在企業(yè)園區(qū)內(nèi)的UPF 通過N4 接口連接到運營商5GC 大網(wǎng)，考慮到企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜和不可控，需要研究針對性的安全方案保障5GC 大網(wǎng)的安全。

2.3 5GC專用

對于某些行業(yè)和企業(yè)，由于對網(wǎng)絡(luò)安全、對網(wǎng)絡(luò)的自主掌控更加敏感，需要完全物理獨立的5G 物理網(wǎng)絡(luò)來承載自身的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，與5G 公眾網(wǎng)絡(luò)嚴格隔離互不影響。這些企業(yè)自主性強，要求網(wǎng)絡(luò)從控制面到用戶面都完全隔離，需要獨享物理5G 網(wǎng)絡(luò)。從市場來看，隨著5G 工業(yè)頻譜發(fā)放以及4G 專網(wǎng)慣性等因素，未來會有越來越多的企業(yè)傾向采用專用的獨立5G 網(wǎng)絡(luò)。例如，德國已經(jīng)發(fā)放了70 多張5G 工業(yè)專網(wǎng)許可，這里面很多企業(yè)都選擇了獨立建5G 網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)工信部也在積極研究5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)頻率試驗使用許可，推動工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在4G 時代，部分行業(yè)/企業(yè)已經(jīng)采用了獨立建設(shè)4G 網(wǎng)絡(luò)，例如像軌道交通、電力等自有專用頻率的行業(yè)；以及租用運營商頻率的行業(yè)，例如礦井、港口等。這些行業(yè)大概率在5G 時代會繼續(xù)采用獨立建5G 網(wǎng)絡(luò)。

如果采用基于公眾網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)5GC 產(chǎn)品來為行業(yè)用戶提供專用5GC 服務(wù)，會面臨如下諸多問題：

（1）建設(shè)成本高、周期長：傳統(tǒng)5GC 網(wǎng)元眾多、系統(tǒng)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時間長；

（2）業(yè)務(wù)部署/ 開通相對不靈活：傳統(tǒng)5GC 網(wǎng)元采用電信方式部署，網(wǎng)絡(luò)上線慢、流程長；

（3）定制化能力不高：針對企業(yè)需求的新網(wǎng)絡(luò)功能的開發(fā)、測試、驗證、上線時間長；

（4）運維復(fù)雜：傳統(tǒng)5GC 采用電信級運維，成本高；并且網(wǎng)元多、功能多，配置復(fù)雜；

（5）云網(wǎng)融合能力不足：傳統(tǒng)5GC 采用電信云，而企業(yè)內(nèi)部很多應(yīng)用卻逐漸向IT 云轉(zhuǎn)移。

考慮到上述問題，業(yè)界開始逐漸思考采用輕量化5GC 來應(yīng)對，一些傳統(tǒng)核心網(wǎng)設(shè)備廠家、行業(yè)應(yīng)用集成商、主流的云計算服務(wù)提供商、運營商都已經(jīng)開始研發(fā)輕量化5GC 產(chǎn)品。輕量化5GC 是一種核心網(wǎng)下沉到企業(yè)側(cè)的方案，目前產(chǎn)業(yè)界還沒有正式的定義。我們認為輕量化5GC 是針對標(biāo)準5G 核心網(wǎng)功能進行定制化裁剪的核心網(wǎng)，可基于云原生技術(shù)實現(xiàn)，支持按企業(yè)客戶需求對功能、性能、部署模式等進行定制開發(fā)、快速部署。設(shè)想的輕量化5GC 架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 輕量化5GC架構(gòu)

5GC 基于服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計，可以比較容易地進行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各種功能的定制和裁剪。如圖2 所示，AMF、SMF、UPF 是下沉到企業(yè)側(cè)的輕量化5GC 必備功能，負責(zé)移動性管理、會話管理、企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。UDM（包括AUSF）負責(zé)用戶數(shù)據(jù)的認證鑒權(quán)、開銷戶管理，是碼號管理的關(guān)鍵網(wǎng)元。根據(jù)具體的行業(yè)/企業(yè)案例需求，UDM 可以設(shè)置在輕量化5GC 內(nèi)部，由企業(yè)客戶自行管理用戶；也可以由設(shè)置在運營商網(wǎng)絡(luò)中，由運營商來統(tǒng)一進行用戶管理，企業(yè)側(cè)的輕量化5GC 與運營商大網(wǎng)進行N8、N10、N12 接口互通。對于PCF、CHF 這些網(wǎng)元，可以基于企業(yè)專網(wǎng)具體的業(yè)務(wù)需求進行設(shè)置，例如是否需要進行動態(tài)策略控制、是否需要進行流量計費等。除了上述網(wǎng)元級別的裁剪，輕量化5GC 還能進行更細顆粒度的裁剪，例如網(wǎng)元內(nèi)部的各種功能和微服務(wù)也可以按需裁剪；一些服務(wù)化接口成為內(nèi)部接口，不需要暴露出來，從而簡化軟件的處理。另一方面，輕量化5GC 支持輕量級的網(wǎng)絡(luò)運維，更適合企業(yè)對小型的5G網(wǎng)絡(luò)的維護需求，降低了企業(yè)的運營成本。

輕量化5GC 的在技術(shù)實現(xiàn)上可以提供多種的規(guī)格和形態(tài)，以精準匹配不同的客戶和應(yīng)用場景。例如，輕量化5GC 采用緊湊型的軟硬件一體機，大小可以按需做到1U/2U/4U，內(nèi)部集成5GC 關(guān)鍵功能。這種方案部署時靈活度很高，按照企業(yè)的需求提前預(yù)置相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)配置，運到企業(yè)現(xiàn)場后可以即插即用，一站交付。輕量化5GC 可以采用純軟件化云部署，各種軟件功能高度集成按需定制，網(wǎng)絡(luò)的容量可以靈活配置。這種方案適合企業(yè)有云網(wǎng)融合需求的場景，將網(wǎng)絡(luò)和各種業(yè)務(wù)應(yīng)用都通過上公有云來降低成本。因此輕量化5GC 支持公有云的部署也將是重要的能力。

輕量級5GC 是新形勢下適應(yīng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的新型網(wǎng)絡(luò)方案，目前還不太成熟，需要產(chǎn)業(yè)界積極推進技術(shù)、標(biāo)準化、產(chǎn)業(yè)化、合作模式等方面的研究，并且輕量化5GC 也會面臨安全、監(jiān)管、維護等方面的挑戰(zhàn)，建議從商業(yè)模式和目標(biāo)客戶，企業(yè)投資、運營商代建代維等多維度綜合評估。

3 結(jié)束語

未來5G 網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用目標(biāo)和新的網(wǎng)絡(luò)能力將向行業(yè)專網(wǎng)市場拓展，本文分析了虛擬專網(wǎng)、UPF 專用、5GC 專用（輕量化5GC）這幾種不同的5G 行業(yè)專網(wǎng)方案的技術(shù)特點和適用的應(yīng)用場景，研究了還存在的問題，提出了今后技術(shù)發(fā)展的建議，可為5G 行業(yè)專網(wǎng)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展和完善、部署和運營提供參考。