楊文聰，楊文強，唐雄燕，王友祥

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

5G 肩負改變社會的使命，為滿足垂直行業(yè)的差異化需求，孕育出eMBB、URLLC 和mMTC 三大場景，促使5G核心網(wǎng)（5GC）系統(tǒng)進行顛覆性變革，網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)的點到點通信演進為服務(wù)化架構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施從傳統(tǒng)煙囪式一體機演進為基于云化的統(tǒng)一資源池，5G 應(yīng)用從消費領(lǐng)域向行業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對象從傳統(tǒng)的個人用戶到兼顧更多行業(yè)用戶需求。同時，電信傳統(tǒng)業(yè)務(wù)增收乏力，需積極拓展新的業(yè)務(wù)方向，行業(yè)市場將成為5G 盈利增長的關(guān)鍵領(lǐng)域，主流運營商都將戰(zhàn)略重點轉(zhuǎn)向垂直行業(yè)領(lǐng)域。分析垂直行業(yè)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能要求，探索5G 網(wǎng)絡(luò)在行業(yè)市場的應(yīng)用模式，研究5G 專網(wǎng)部署方案是電信領(lǐng)域面臨的重大課題。

1 5G專網(wǎng)需求和應(yīng)用情況

以5G 為代表的“新基建”將助推經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，重點發(fā)展的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等新興產(chǎn)業(yè)都需要5G 網(wǎng)絡(luò)的支撐。5G 將與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深度融合，極大地拓寬通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，成為各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石。深入行業(yè)市場、滿足行業(yè)需求已經(jīng)成為通信產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵動能和目標。

行業(yè)市場呈現(xiàn)需求多樣化特點，垂直行業(yè)領(lǐng)域眾多，制造、交通、電力、安防、金融等行業(yè)，對無線覆蓋、網(wǎng)絡(luò)安全性、數(shù)據(jù)保密性、設(shè)備移動性、網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)等的要求均不同于公網(wǎng)，基于公網(wǎng)的5G 網(wǎng)絡(luò)方案難以完全滿足行業(yè)需求，需提供定制化的專用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

據(jù)GSMA 預(yù)測，2030 年5G 賦能全球行業(yè)市場規(guī)模將達到7 000 億美元[2]，國內(nèi)外的運營商加速布局5G 行業(yè)專網(wǎng)。福特與Vodafone 合作建設(shè)5G 行業(yè)專網(wǎng)，西班牙電信和亞馬遜合作建設(shè)基于公有云的5G 行業(yè)專網(wǎng)，國內(nèi)運營商利用5G 的領(lǐng)先優(yōu)勢，在專網(wǎng)技術(shù)標準、部署方案以及運營模式等方面進行了深入的研究，并在港口、礦山、園區(qū)、工廠等重點領(lǐng)域部署試點，持續(xù)推進5G 行業(yè)專網(wǎng)與垂直行業(yè)的深度融合，加速5G 賦能千行百業(yè)的步伐。

2 5G核心網(wǎng)架構(gòu)特征及專網(wǎng)使能技術(shù)

5GC 的演進聚焦賦能垂直行業(yè)，基于服務(wù)化架構(gòu)和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）/NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）框架，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、5G 非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）、5G局域網(wǎng)（LAN）等新特性，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開放化、網(wǎng)元虛擬化、資源靈活調(diào)度以及定制化場景應(yīng)用，極大發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力，適應(yīng)垂直行業(yè)的多樣化需求，拓寬了5G的應(yīng)用場景和應(yīng)用范圍。

2.1 5G架構(gòu)特征

5GC 進行了重構(gòu)，如圖1 所示，與4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，用戶面的服務(wù)和接口不變，控制面借鑒IT 思想采用服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能拆解為模塊化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，接口采用服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活定制。

圖1 核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)[1]

2.2 服務(wù)化架構(gòu)

服務(wù)化架構(gòu)打破傳統(tǒng)點到點的通信模式，把網(wǎng)絡(luò)功能拆解為若干個網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)間解耦，每個網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)獨立部署、獨立升級、獨立運維且可重復(fù)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可以根據(jù)需求靈活組合，形成不同的網(wǎng)元功能模塊。針對更多更小顆粒多的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，服務(wù)化架構(gòu)實現(xiàn)了自動化管理，包括網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)自動化注冊、自動化發(fā)現(xiàn)和選擇以及自動化認證和授權(quán)等。基于服務(wù)化架構(gòu)，5G 網(wǎng)絡(luò)資源更加開放，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力靈活可定制，能夠最大限度發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)的潛能，適應(yīng)創(chuàng)新業(yè)務(wù)發(fā)展。

NFV 設(shè)計：5GC 基于SDN/NFV 技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化。利用NFV 分層解耦的特性，實現(xiàn)網(wǎng)元軟件與硬件的解耦，屏蔽硬件的多樣性，共享虛擬資源池，降低業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度，實現(xiàn)多樣化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)快速靈活部署。利用NFV動態(tài)彈縮的特性，資源與業(yè)務(wù)容量動態(tài)匹配，提高了資源利用率，加快了網(wǎng)絡(luò)部署和調(diào)整的速度。

2.3 行業(yè)專網(wǎng)使能技術(shù)

（1）網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G 網(wǎng)絡(luò)的核心特征和能力。5G 網(wǎng)絡(luò)包含高速率、大連接和低時延等不同場景，傳統(tǒng)一張網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所有用戶的業(yè)務(wù)模式不再適用，5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以基于SLA 服務(wù)要求，為不同客戶、不同業(yè)務(wù)提供相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。與傳統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）、接入點名稱（APN）/ 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（DNN）提供的差異化服務(wù)能力不同，網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯專用網(wǎng)絡(luò)，一個5G 切片實例包括無線網(wǎng)、傳輸承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)功能，可服務(wù)于特定的業(yè)務(wù)場景。

（2）邊緣計算

邊緣計算節(jié)點整合了網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲等資源，可在用戶、數(shù)據(jù)側(cè)就近部署各類時延敏感、服務(wù)本地用戶的應(yīng)用，提供一站式計算服務(wù)和敏捷交付能力。5G 行業(yè)應(yīng)用場景下，網(wǎng)絡(luò)可以通過邊緣計算減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負荷，降低業(yè)務(wù)的響應(yīng)延時，滿足垂直行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)大流量、低時延、安全等訴求。同時邊緣節(jié)點需要與核心網(wǎng)對接，實現(xiàn)中心與邊緣節(jié)點的高效協(xié)同。

（3）5G NPN

非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）是區(qū)別于電信運營商公有網(wǎng)絡(luò)，為特定群體用戶/行業(yè)用戶服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)3GPP 標準組織在TS23.501 R16 的定義[1]，非公共網(wǎng)絡(luò)主要包括兩種類型：獨立組網(wǎng)的NPN 網(wǎng)絡(luò)（SNPN），不依賴于5G 公有網(wǎng)絡(luò)，可與5G 公網(wǎng)隔離獨立建設(shè)，該方案適用于行業(yè)大客戶提供全封閉的獨立網(wǎng)絡(luò)；非獨立組網(wǎng)的NPN 網(wǎng)絡(luò)（PNI-NPN），基于公網(wǎng)提供的NPN，比如，通過5G 公網(wǎng)的一個或多個網(wǎng)絡(luò)切片實例提供NPN。5G 定義的兩種NPN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都可以實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)資源保障，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)隔離能力，滿足不同場景下的專屬接入要求。

3 5G專網(wǎng)核心網(wǎng)的部署方案

5GC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)化、網(wǎng)元功能虛擬化以及眾多專網(wǎng)使能技術(shù)的快速發(fā)展，為5G 專網(wǎng)服務(wù)能力的定制化、智能化打下堅實基礎(chǔ)。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，5G 專網(wǎng)核心網(wǎng)有多種低成本定制化的方案。

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片虛擬專網(wǎng)部署方案

網(wǎng)絡(luò)切片虛擬專網(wǎng)部署方案中，虛擬專網(wǎng)基于公網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)資源，通過網(wǎng)絡(luò)切片隔離出多個端到端的邏輯子網(wǎng)，如圖2 所示，在不增加物理資源的情況下，為用戶提供端到端的按需隔離服務(wù)。該方案基于5G 公網(wǎng)部署，公網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)均可提供虛擬專網(wǎng)服務(wù)，服務(wù)范圍廣，而且不需要物理建設(shè)，只需要相關(guān)數(shù)據(jù)配置，提高了運營效率，降低運營成本。但基于切片的虛擬專網(wǎng)的SLA受限公網(wǎng)資源配置，只能有限定制。網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量受公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響大，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量只能有限保障。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片虛擬專網(wǎng)方案

網(wǎng)絡(luò)切片虛擬專網(wǎng)使用運營商公網(wǎng)資源，不受地理區(qū)域限制，一般使用于具備廣域特征的行業(yè)，如：智慧交通、智慧城市、電力、車聯(lián)網(wǎng)、物流及跨域經(jīng)營的特大型企業(yè)。

3.2 邊緣UPF混合專網(wǎng)部署方案

對于用戶面數(shù)據(jù)流進行安全保障的行業(yè)客戶，希望業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，建議采用邊緣UPF 混合專網(wǎng)部署方案。組網(wǎng)方案如圖3 所示，該方案控制面共用公網(wǎng)資源，UPF 作為5G 與垂直行業(yè)連接點，下沉到行業(yè)用戶本地，通過數(shù)據(jù)分流技術(shù)使得端到端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都在本地完成交互，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，大大降低傳輸時延。由于UPF 下沉到本地，端到端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地化處理，不需要繞行到運營商的接入環(huán)和匯聚環(huán)，端到端的時延降低，數(shù)據(jù)的安全隔離度高。根據(jù)用戶的需求，可靈活定制邊緣UPF 的功能模塊、硬件設(shè)備、性能容量等，滿足不同行業(yè)的個性化需求。但是由于控制面共用公網(wǎng)5GC，業(yè)務(wù)的SLA 以及切片管理等方面只能有限調(diào)整。

圖3 邊緣UPF混合專網(wǎng)方案

邊緣UPF與邊緣平臺共部署在行業(yè)用戶本地，行業(yè)應(yīng)用通過邊緣平臺承載在5G網(wǎng)絡(luò)上，通常有3種技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地分流，包括基于單PDU會話的上行分流器ULCL方案、基于單PDU會話的IPv6 Multi-homing多歸屬方案以及基于多PDU會話的本地數(shù)據(jù)網(wǎng)LADN方案。該方案與公網(wǎng)5GC相比，只是UPF部署位置下沉到行業(yè)用戶側(cè)，卡號管理、公專網(wǎng)聯(lián)動等技術(shù)方案實現(xiàn)簡單。能夠滿足局部開放場景業(yè)務(wù)，如工業(yè)制造、交通物流、工業(yè)園區(qū)、港口碼頭、城市安防等。

3.3 智能定制專網(wǎng)部署方案

智能定制專網(wǎng)方案是指與公網(wǎng)部署相對獨立的5G專網(wǎng)方案，其核心網(wǎng)采用可定制裁剪的輕量化架構(gòu)實現(xiàn)。此類專網(wǎng)方案適用于對安全隔離性、可靠穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)保密性以及網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)等要求較高的大中型企業(yè)，如航空、礦井、油田、碼頭、核電等場景。專網(wǎng)要求較高的場景下，不但要求用戶數(shù)據(jù)不出園區(qū)，也要求網(wǎng)絡(luò)控制信令也不出園區(qū)，基于公網(wǎng)實現(xiàn)的專網(wǎng)方案，信令數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)功能等仍依賴公有網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量受公網(wǎng)實時狀況影響，現(xiàn)有基于公網(wǎng)的專網(wǎng)方案不能完全滿足其需求，此類行業(yè)應(yīng)用更傾向于將5GC網(wǎng)元按需整體下沉到園區(qū)，使用網(wǎng)元按需組合的定制專網(wǎng)。智能定制專網(wǎng)組網(wǎng)方案如圖4所示：

圖4 智能定制專網(wǎng)方案

智能定制專網(wǎng)部署方案針對特定的行業(yè)用戶場景，核心網(wǎng)在功能需求、用戶規(guī)模、設(shè)備維護等方面與公網(wǎng)存在明顯差別，同時還需考慮設(shè)備性能和成本要求。公網(wǎng)5GC 產(chǎn)品，網(wǎng)元眾多且功能復(fù)雜，用戶規(guī)模大成本高，部署及維護復(fù)雜，難以向垂直行業(yè)用戶推廣。因此核心網(wǎng)可基于服務(wù)化架構(gòu)和云化部署能力，采用硬件設(shè)施精簡、功能裁剪定制、部署運維簡單的輕量化5G 核心網(wǎng)產(chǎn)品，打造一張資源獨享、安全可靠、成本可控的5G 專網(wǎng)為企業(yè)應(yīng)用提供有力支撐。

3.4 5G專網(wǎng)核心網(wǎng)公有云部署方案

在電信行業(yè)，核心網(wǎng)作為核心生產(chǎn)系統(tǒng)，一般都部署在運營商機房，設(shè)備云化后部署于自建的電信級私有云上。隨著公有云的發(fā)展和成熟，部分運營商出于對業(yè)務(wù)創(chuàng)新或者商業(yè)價值的探索，考慮采用混合云方式把部分核心網(wǎng)業(yè)務(wù)部署在公有云上。特別是針對垂直行業(yè)的5G 2B 市場，嘗試采用合作模式引入大型云服務(wù)商，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，搶占市場高地。

5GC 控制面一般采用集中方式部署，用戶面UPF 按需下沉到地市或者邊緣。公有云部署方案下，專網(wǎng)5GC控制面部署于公有云中心機房，用戶面UPF 下沉到邊緣節(jié)點，基于UPF 邊緣節(jié)點的建設(shè)方式，考慮以下兩種模式，如圖5 所示：

圖5 5G專網(wǎng)核心網(wǎng)公有云部署方案

模式一：完全邊緣模式。UPF 邊緣節(jié)點由運營商提供，運營商利用自身機房條件，建設(shè)包括硬件資源池、虛擬化層在內(nèi)的邊緣云節(jié)點，UPF 由運營商邊緣節(jié)點承載。

模式二：合作伙伴邊緣模式。UPF 邊緣節(jié)點由運營商與云服務(wù)商合作提供，運營商提供風(fēng)火水電等機房環(huán)境，云服務(wù)商提供邊緣節(jié)點硬件資源池、虛擬化層及UPF。

運營商需要基于自身的邊緣節(jié)點策略，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源、邊緣環(huán)境等優(yōu)勢，選擇合適的建設(shè)模式和合作伙伴，與公有云的云服務(wù)優(yōu)勢形成合力。同時在技術(shù)層面，需要關(guān)注公有云和電信云在架構(gòu)和業(yè)務(wù)上的差異，在公有云部署環(huán)境下，從方案和產(chǎn)品層面，完善5GC 可靠性、運維、監(jiān)管等方面的要求。

4 5G專網(wǎng)核心網(wǎng)部署面臨的問題與挑戰(zhàn)

（1）商用周期長

邊緣UPF 混合專網(wǎng)和定制專網(wǎng)服務(wù)對象是行業(yè)客戶，各行各業(yè)的需求千差萬別，對專網(wǎng)產(chǎn)品方案的需求差異化明顯，很難用統(tǒng)一的標準去衡量，專網(wǎng)產(chǎn)品方案的標準化難度較大。專網(wǎng)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議流程遵從3GPP標準[1]，但在部署形態(tài)、網(wǎng)元功能、接口等方面沒有統(tǒng)一的規(guī)范，需要運營商制定企標標準，規(guī)范設(shè)備廠家的產(chǎn)品，目前專網(wǎng)產(chǎn)品達到規(guī)模商用的程度還需要一定的周期。

智能定制專網(wǎng)方案中，運營商管控公專網(wǎng)的UDM，通過分級UDM 部署將放號權(quán)上收，行業(yè)專網(wǎng)不包含UDM，或者下沉到本地的UDM 僅僅用于備份，分級UDM 管理方案復(fù)雜，技術(shù)方案還在研究論證中。定制化專網(wǎng)物理上與公網(wǎng)隔開，公網(wǎng)與專網(wǎng)漫游互通的聯(lián)動方案沒有標準化規(guī)范，技術(shù)方案沒有統(tǒng)一。不同行業(yè)對于容災(zāi)場景及可靠性要求不一樣，無法采用一刀切的容災(zāi)方案，容災(zāi)技術(shù)方案還需完善。

（2）運營管理挑戰(zhàn)大

邊緣專網(wǎng)產(chǎn)品是多個設(shè)備廠家提供，各廠家的運營體系不兼容，統(tǒng)一運營難度大。行業(yè)專網(wǎng)分散在千百個園區(qū)，專網(wǎng)故障定位涉及5G 基站、傳輸、核心網(wǎng)配合，需要專業(yè)的本地運維團隊，或提供集中化遠程運維管理系統(tǒng)，運維成本高。

運營商通過分權(quán)分域?qū)崿F(xiàn)專網(wǎng)用戶和公眾用戶管理上的差異，主要原則是對專網(wǎng)用戶開所管網(wǎng)元的拓撲、告警監(jiān)控、性能統(tǒng)計等查詢功能，涉及到全網(wǎng)的配置功能不對專網(wǎng)用戶開放，由運營商統(tǒng)一維護。分權(quán)分域后，用戶在網(wǎng)管界面上只能看到該用戶所管的網(wǎng)元和授權(quán)的操作。從行業(yè)用戶的角度來看，不希望運營商對自建的網(wǎng)絡(luò)進行過多的干預(yù)和控制。兩者的運維控制界面存在一定的分歧。

5 結(jié)束語

根據(jù)行業(yè)用戶的不同需求，5G 專網(wǎng)提供按需的高定制化的網(wǎng)絡(luò)能力，促進5G 網(wǎng)絡(luò)與垂直行業(yè)的深度融合，助力行業(yè)客戶實現(xiàn)5G 智能化轉(zhuǎn)型。在5G 行業(yè)專網(wǎng)發(fā)展的初期，部署方案、運營運維模式等方面均面臨諸多挑戰(zhàn)。運營商以客戶為中心，將繼續(xù)在新型技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)以及商業(yè)模式等方面進行積極探索，補齊并完善5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力和服務(wù)能力，打造面向垂直行業(yè)的5G 專網(wǎng)端到端運營和服務(wù)體系，共同創(chuàng)造5G 產(chǎn)業(yè)美好的未來。