5G 2B专网解决方案和关键技术

方琰崴 李立平 陈亚权

【摘  要】

垂直行业应用已成为5G快速发展的重要驱动力，为满足垂直行业多样化的2B应用需求，电信运营商要在5G网络中部署切片技术，按需分配网络资源快速创建2B专网，与面向公众的2C网络协同。介绍了5G 2B专网的解决方案，分析了5G核心网功能部署的策略，阐述了切片协同设计和管理部署、能力开放、网络管理维护等关键技术，提出了5G 2B专网的四种建设方案，展望了5G专网的未来发展。

【关键词】5G;2B;专网;网络切片

[Abstract]

Vertical industry applications have become an important driving force for the rapid development of 5G. To meet the diversified requirements of 2B （To Business） applications in vertical industries， telecom operators need to deploy slicing technologies in 5G networks， allocate network resources on demand and quickly create 2B private network to collaborate with 2C （To Customer） public networks. This paper introduces the solution of 5G 2B private networks， analyzes strategy of 5G core network function deployment， expounds key technologies such as slicing collaborative design and management deployment， capability opening， network management and maintenance， proposes four construction solutions for 5G 2B private networks， and prospects future development of 5G private networks.

[Key words]5G; To Business; private network; network slice

0   引言

2020年，5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度将大大加快。5G既面向公众用户提供传统意义上的电信网络服务，称为2C（To Customer），同时还面向垂直行业，面向政企提供切片，如工业应用、智能电网、车联网、智慧医疗、银行、各种APP应用等，这也称为2B（To Business）。2B垂直行业发展已经成为重中之重，如何建设2B网络，构建完整的技术体系推动产业成熟，增强网络能力，助力5G服务垂直行业用户，和已有2C网络共存和协同演进，这已成为业界关注的重点问题。

1   5G 2B专网解决方案

5G 2B专网和2C网络可以分离建设或合一建设。如图1所示的5G 2B和2C网络分设方案，可减少耦合，利于快速建网、简化规划和运维，建设周期短，扩容快。

在标准方面，当前2C标准成熟，3GPP R15已满足2C网络eMBB（增强移动宽带）场景商用要求，而2B超越标准，3GPP R16才能满足2B网络URLLC（低时延高可靠）及相关垂直行业商用要求。分设方案既能够利用既有成果快速建网，又可满足业务快速创新，适应垂直行业发展。在切片安全隔离方面，分离建设能统一管理切片，快速开通，并针对切片能力差异化处理，而合一建设能够应对普通的行业应用，但对于安全或隔离要求高的垂直行业则存在不足。在与外部平台对接方面，分设方案中，2B平台（计费、开通、管理）针对独立建设的5G控制面/用户面可以快速实现5G连接管理能力，而合设方案中，平台对接对组网要求高，难度大，周期长。在业务开展方面，分设方案可有效隔离两张网络，灵活部署，快速建设和扩容，而合设方案中，由于2B和2C网络共享资源，任何需求都需兼顾2C网络的安全可靠性，复杂程度高。在业务开通方面，分设方案能够做到2C/2B业务独立互不影响，专网业务一点开通，全国各个省份都可以使用，而合设方案中，2B业务开通或更改可能需要在跨2B节点的多个切片上操作，操作点多，易出错。在运维方面，分设方案可采取和4G相同的运维模式，集中运维，一点故障处理，响应快速，而合一建设则与物联网节点或省份网络/网元关系紧密，运维涉及多个部门，故障处理流程长，响应慢。从安全可靠角度看，分设方案更优，网络规划简单，配置简单，维护界面清晰，故障定位迅速。

在建网和运维成本上，分设方案所需投入高于合設方案，无线需要对接两张核心网，核心网网元总数有所增加。综合考虑，一般推荐采用分设方案。

2   5G 2B专网关键技术

2.1  5G核心网功能的部署

如表1所示，在2B和2C网络建设中，可以针对5G核心网各网络功能的特点采取不同的部署模式。

由于终端携带切片标识且2C终端渠道复杂，无线根据终端切片标识直接路由到2C AMF，2C网络的AMF兼做默认AMF，将未携带或加密切片标识的2B用户重定向到2B网络AMF，再进行处理。在整个流程中，必须将2B和2C网络的NSSF、NRF共享，确保用户接入正确的网络，并保存和访问2C/2B切片信息。

2.2  切片协同设计和管理部署

（1）多切片的划分和协同

在5G切片划分上，需要针对2C和2B网络的不同进行处理。在5G 2C网络中，电信运营商提供面向公众用户的大网切片，按省份建设，每个省份一个切片实例。在5G 2B网络中，电信运营商面向政企提供切片，如工业控制、智能电网、车联网、智慧医疗、银行、各种APP应用等，同样也是按省份建设，但需要考虑行业要求、SLA（服务等级）需求、成本、资源等多种因素进行切片实例部署，数量不限。

用户可能兼有2C用户和2B用户属性，因此两个网络的协同部署非常重要。在单用户多切片场景下，AMF、UDM/UDR、PCF共享部署，用戶可以同时接入多个切片，如运营商2C切片和行业2B切片，用户可同时享受多个切片业务，如玩网络游戏的同时，打5G VoNR电话、浏览网页并能够通过签约信息变更，在多切片中动态迁移。在这种场景下，共享PCF也便于设置NSSP（网络切片选择）策略，实现APP在切片之间动态迁移。在单实例多类型场景下，多个切片类型共享同一个切片实例，进行切片实例汇聚，这适用于低隔离、低成本的行业应用，如多家视频网站都有高清视频业务，SLA也类似，采用切片实例汇聚并用S-NSSAI（单网络切片选择辅助信息）区分统计数据，兼顾企业运营灵活性与网络切片划分的简单性，降低资源消耗，节约运营成本。而对于特定的2B行业应用或企业特定的切片需求，则需要部署专用的切片实例，采用单实例单类型模式。

（2）2B典型业务切片部署

5G 2B的典型业务可以分为eMBB、mMTC、URLLC等三类，这三类2B业务的切片部署有比较大的区别。

2B eMBB切片面向政企提供大带宽，如视频监控、医疗影像、机器视觉、AR/VR等。在面向人的2B切片场景下，AMF/UDM/PCF控制面网元等与2C切片共享，并可与2C切片同时接入，采用Group B或C部署方式。在面向物的2B切片场景下，AMF/UDM/PCF等与2C切片分离。根据行业对安全性要求的不同，切片部署也不同：对于通用行业的2B eMBB切片，可共享AMF/UDM/PCF，UPF根据行业或SLA需求叠加新的切片，不同行业可以共享或者独立部署切片;对于安全性要求比较高的行业，2B eMBB切片独立部署AMF/UDM/PCF等。

2B mMTC切片面向低隔离度要求、低成本要求的业务，提供类似4G的大众化普通物联网服务，如穿戴设备、家庭监控、智能表计类、烟感、门禁类。在这种场景下，一个切片实例可承载多种物联网业务。可集中管理物联网卡数据、策略数据。如图2所示，eMTC/NB-IoT/mMTC类业务可按大区/省份部署实例，AMF/SMF/UPF可以在大区集中部署，大区内省份间共享UDM/UDR/AUSF/PCF。

2B URLLC切片面向超低时延的业务，时延通常要求1 ms～10 ms，如工业自动化、智能制造、远程控制、电网差动保护等。组网可共享AMF/PCF/UDM，把UPF部署在边缘数据中心，位置在市、县甚至工业园区等。但对于时延要求严格同时还对安全性有高要求的2B业务，如飞机制造、差动保护等，可独立部署AMF/PCF/UDM等网元。

某些特殊业务比如远程驾驶、远程手术等，同时需要低时延和高带宽，在需要低时延切片进行控制的同时，也需要高带宽的切片协同回传视频。这种场景往往要求一个切片实例同时支持eMBB和URLLC。在组网上，可以构建两个全独立的切片，部署双UE、双核心网，也可以同一个UE同时接入多个切片，核心网共享AMF/UDM等，这对UE和基站要求较高，且需支持多切片同时接入。

2B网络可根据切片SLA参数组合设计和部署不同的网络切片，满足各行业的需求，这些参数包括切片类型、覆盖区域、安全隔离、数据接入方式、E2E时延、可用性、切片共享方式等。在网络切片管理方面，建议2C和2B网络合一建设NSMF，统一规划切片标识，避免冲突。核心网和无线的NSSMF分别提供核心网、无线子切片的设计、部署、指标监控。相同业务/切片模板集中设计，节省人力，便于统一切片管理。共享切片管理系统，按需下载业务/切片模板。提升业务部署速度，加速业务创新和推广，也使得运营商的不同区域公司能够共享创新成果。在建设初期，电信运营商可不建设NSMF，暂用设备厂商的切片管理系统，利于快速开展业务，后续逐步完善运营商企业标准，建设集中切片管理系统。

2.3  能力开放和网络管理维护

5G 2B专网需要考虑全网集中建设面向行业的中心API网关，以提供开放能力。一方面，API网关面向千变万化的2B行业用户，定制化需求多，集中建设API网关能够快速满足2B APP的需求。另一方面，API网关通过NEF汇聚5GC的网络能力，NEF通过Nnef接口得到各个NF的能力，NEF提供的网络能力标准化程度高，能够与多个NF对接，适合与NF同厂家部署，快速支持业务。如果在不同区域，由不同厂家提供5GC设备，那么建议选择5GC与NEF同厂家部署，通过API GW统一对外提供网络能力。

集中建设运维管理系统，分开管理2C、2B两张网络。不但可以节约投资、避免管理系统重复建设，有效降低成本，还可以资源聚焦，有助于专注于建设强大智能化运维平台，提升全网运维自动化水平。集中运维还有助于集中化网络监控、节省人力，优化运维策略、安全策略，快速复制到全网，集中管控版本，安全、快速上线新版本，大大提升运维效率。

3   5G 2B专网建设方案

图3是5G 2B专网的四种典型建设方案，这四种建设方案在3GPP中都定义为NPN（Non-Public Network，非公用网络）。方案一、二、三，属于非独立组网的NPN网络PNI-NPN（Public Network Integrated NPN，公众网络集成NPN），与5G网络以及其他PLMN网络耦合，通常由电信运营商进行运营。方案四属于SNPN（Standalone NPN，独立NPN），通常由政府、企业独立运营。

3.1  非独立组网的PNI-NPN方案

（1）三种组网方案

在方案一中，核心数据中心部署UDM/AUSF/PCF/SMF/AMF/NRF/NSSF，仅UPF下沉到边缘数据中心，边缘数据中心可不需要虚拟化改造。控制面集中维护，用户面分散到各个地市维护，也不需要特殊号段，在和4G网络的互通上，UPF即融合节点，没有特殊要求。用户根据切片信息选择对应UPF。

在方案二中，核心数据中心部署AMF/UDM/AUSF/PCF/NRF/NSSF，而SMF與UPF一起下沉到虚拟化改造后的边缘数据中心，SMF需部署安全和容灾方案。核心数据中心的网元集中维护，而SMF/UPF在地市维护，不需要特殊号段。在和4G网络的互通上，增加S5接口。用户移动跨边缘DC时，需开启N16a接口进行不同边缘数据中心的SMF之间互通。此时，UE可以访问2C网络。2C网络和2B网络之间如无互操作，则需额外对接N7、N10、N11、Nnrf、N40接口，如两网有互操作，则还需要增加SMF/I-SMF间接口。

在方案三中，UDM/AUSF/PCF/NRF/NSSF部署在核心数据中心，AMF/SMF/UPF下沉到虚拟化改造后的边缘数据中心，AMF/SMF需部署安全和容灾方案。核心数据中心的网元集中维护，而AMF/SMF/UPF在地市维护，同样不需要特殊号段。在和4G网络的互通上，增加N26、S5接口。用户移动跨边缘数据中心时，也需开启N16a接口。此时，UE不需要访问2C网络。2C网络和2B网络之间如有互操作，还需要增加AMF和AMF之间、SMF/I-SMF间的接口。

在计费方面，方案一中N4接口拉远对UPF上报用量给SMF有一定影响，方案二、方案三中，CHF和SMF之间的N40接口拉远，但由于计费上报频率不高，时延是毫秒级别，对这三种方案在计费上的影响，都可以忽略。

（2）N4接口的解耦

SMF与UPF之间的N4接口，3GPP对其标准化尚在制定阶段，异厂家不能互通。方案一中，SMF与UPF拉远，只能选择同厂家的SMF和UPF。方案二、三中，核心数据中心与边缘数据中心可以实现异厂家部署，但SMF与UPF通常推荐融合部署，类似4G的SAE-GW。

对于N4接口的解耦，业界在不断努力。中国移动在2020年初启动了Open UPF面向行业的5G UPF及N4接口开放合作伙伴计划，并在3月份发布了《面向垂直行业的N4解耦UPF设备规范》和《面向垂直行业的N4接口规范》两项规范，同时发布《5G Open UPF白皮书》。规范以R15版本为基础，同时引入R16个别重要信元，制定功能分级分类，要求UPF必须支持14类最小功能集，保证基本业务正常进行，推荐支持UL/CL分流等12类功能，满足不同垂直行业的定制化需求，并可根据需求不断迭代增加。这能够满足边缘数据中心用户侧UPF轻量化、低成本和灵活的部署需求。

3.2  独立组网的SNPN方案

方案四是典型的SNPN组网，IMS部署在核心数据中心，5G核心网下沉到边缘数据中心，边缘数据中心进行虚拟化改造，5G核心网要跨数据中心实现容灾，需特定号段和2C网络互通。服务化接口封装于N32接口（SEPP之间）互通，控制面实现安全隔离。下沉5GC的独立维护和4G的物联网类似。在和4G网络的互通上，增加N26、S5接口。在计费方面，可以连接本地计费系统。这种全封闭场景适合行业大客户场景。

需要整网统筹用户的号段分配、设计和管理切片，需要考虑在2C网络和2B网络同覆盖场景下，UE选择网络的问题，并确保UE离开该边缘数据中心的覆盖区域时的业务连续性，确保UE离开该边缘数据中心覆盖区域时，仍然可以顺利访问2C网络。

对于工业园区内2B网络的移动企业终端用户，园区内企业专网用户号段必须是运营商公共网络的号段的子集。在园区范围内可接入企业专网，在企业园区外可接入运营商公共网络。非园区移动企业终端用户，在园区内可允许或限制接入运营商公共网络。

由于5G 2B专网无法提供全业务，如语音和短信，而2C网络和2B网络统一设计切片后，用户可根据切片ID选择不同切片所属网络。IMS部署在核心数据中心，数据业务在边缘数据中心终结，提供基于5GC Home Routed方式的语音业务，或在工业园区内提供基于Wi-Fi的语音业务。

2B网络可采用4.9G无线频率，通过无线区分选择不同网络，不允许UE跨区域移动，并在其他边缘数据中心中，部署该切片的实例，和UE归属的切片实例实现互通。基于该切片业务连续性需求，可选择合适的SSC Mode（Session and Service Continuity Mode，会话和服务连续模式），如采用SSC Mode1，由归属地UPF提供数据出口。

4   结束语

运营商需要根据业务发展模式，合理选择5G 2B专网的建设方案，一般采取分步部署的方式。在建设初期，可以采取方案一，仅UPF下沉到企业、工业园或者行业的边缘数据中心，此时可以部署专用U面和智能网卡，有效降低成本。随着业务的开展，可以按照方案二、方案三逐步下沉SMF、AMF，提高专用NF占比。在2B专网业务成熟期，可以采用方案四，5G核心网整体下沉到边缘数据中心，做到专网的专用。不过，也可以根据业务发展规模、成熟度和投资情况，直接从方案二、方案三开始建设，甚至直接采用方案四建设。

切片的灵活调度、一网多用等特性使得网络建设和运营的成本得到降低。和传统企业专网相比，5G 2B专网模式更具有技术优势和成本优势。5G 2B专网将与传统模式的其他专网在一段时期内共存，并逐步融合。运营商可以充分结合二者的特点，取长补短，为垂直行业用户提供服务。

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