5G专网的部署探讨

史庭祥 李立平 刘庆华

1 中兴通讯股份有限公司 南京 210012

2 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室 深圳 518055

引言

5G 应用的三大场景中，除eMBB主要面向个人消费者市场外，mMTC和uRLLC属于物联网和工业互联网等行业应用范畴。前者即5G网络加持物联网技术，助力开启万物互联时代，从智慧城市、农业生产到智能家居、新零售；后者是5G网络特有的超低时延、高可靠性技术和垂直行业的应用相结合，使得5G真正满足从智能制造、实时控制到无人机、自动驾驶、智能电网等[1-3]行业需求。

通常，这些应用来自专网市场的客户，即政企客户，其典型应用如V2X车联网、机场、工业园区等。所谓5G专网，即5G专用网络(5G Private Network)，是一种局域网，它将使用5G技术创建具有统一连接性、优化服务和特定区域内安全通信方式的专用网络。5G助力专网市场，提供5G服务使能和基础连接使能。预计到2022年，5G专网业务收入将实现实质性贡献，运营商复合增长率将进一步提升，2026年在5G推动下，面向2B的专网市场的收入有望和消费者市场(2C)持平。机构曾预测2020~2027年间的复合年增长率预计达到37.8%，而北美以31.2%的份额处于该市场的主导地位[4]。

传统园区网络承载整个园区的信息化系统，而可靠的局域网系统则可保障信息化系统的稳定运行。专网市场面向的园区场景，如图1所示。图中，园区作为智能化社会的缩影，引入5G技术有利于将运营商的基础网络服务和园区定制业务深度融合，打造定制化园区专网，满足园区多样化通信需求。

图1 5G专网的部署场景举例

相比组网架构固定的4 G 网络，5G支持面向服务的SBA网络架构，有利于5G使能众多行业需求，如大带宽、低时延业务、百万海量连接数等。基于5G的园区专网方案一般呈现为园区内的私网和园区外的公网两个物理或逻辑网络。园区移动企业终端用户，园区范围内可接入企业专网，在园区外接入运营商公共网络。如果不是园区移动企业终端用户，如拜访者，一般在园区内可允许或限制接入运营商公共网络，实现园区专网专用[5-7]。

1 基于5G专网标准的5G专网方案

针对5G专网需求，5G LAN工作组在3GPP R16版本TR 23.734协议中定义了对非公共网络(Non-Public Network，NPN)的支持，目前处于协议标准制定过程中。相应影响的网元有NG-RAN、AMF、SMF、UPF、UDM/UDR、NEF，相关描述见TR23.501、23.502、23.503。

5G专网根据3GPP R16的定义，就是NPN网络，即5G专网的另一种说法是“非公共网络”，目的是把5G业务部署在“非公共区域”，有以下两种部署方式。

1)独立专网(Standalone Non-Public Network，SNPN)

如机场、园区、政府和企业等非公共区域，由NPN的运营者管理网络，而且不依赖运营商提供网络功能。

2)集成专网功能的公共网络(Public Network Integrated NPN)

运营商网络通过覆盖非公共区域并满足该区域特殊的网络功能需求，实现集成化的专网功能部署。集成专网功能，使得运营商网络相对复杂，一般有两种方案进行构建。

一种是部署3GPP R15定义的网络切片功能。该方案无法实现对用户的主动接入控制：即使网络定义某些终端用户不能接入专网，也不能阻止这些用户主动尝试接入，只能在用户接入时，由核心网拒绝业务请求，无法避免降低无线资源利用率。

另一种是部署CAG(Closed Access Group)功能。该方案阻止未认证的终端用户接入集成NPN的公共网络。对于独立专网建设方式，协议定义专网终端用户如何接入公共网络或专网。当终端用户落在专网区域时，将通过NAS的U面通道，即非信任的非3GPP接入方式，接入公共网络的UPF(User Plane Function)；当终端用户在公共网络漫游时，也通过NAS的U面通道接入专网。

2 基于通用5G SA网络的5G专网方案——网络共享方案和极简5GC方案

从以上描述可知，依据3GPP定义的NPN网络规范和网络切片规范，是实现5G专网的一类方案。此外，从项目实践出发，参考不同的协议规范，建设5G专网还可以从以下两个角度考虑设计方案。

1)网络共享方案，即公共网络为园区配置一个逻辑网络或共享公共网络的一部分给园区使用。

分开一个逻辑网络给园区使用，在5G网络定义为网络切片[8]，本文不作讨论；共享公共网络的一部分给园区使用，即网络共享[9]。参考网络共享概念，把园区网络理解成运营商A，园区外的公共网络属于运营商B。

从运营商B 角度，可以共享一部分网络给运营商A，比如共享RAN和部分核心网。后者除协议定义的MOCN(Multi-Operator Core Network)和GWCN(Gateway Core Network)两种方式外，近年颇受业界重视的是，在网络边缘建设MEC(Multi-access Edge Computing)网络[10]，即核心网的媒体面和专属的应用下沉到园区，该方案实际上是实现对中心网络(Central DC)资源的共享，形成多DC组网[11]。

2)极简5GC方案。出于行业客户对园区网络的特殊需求，希望引入“私网”，即不采用5G专网标准以规避定制终端、不依赖5G公网的独立5G专网。可见，网络共享方案无法满足该需求，为此，需要提供可以不依赖5G公网的独立5G专网方案。

一般而言，通用5G SA网络无法满足这样的需求，即相关方案要经过适当或按需裁剪才可用，为此，把裁剪后的方案称为“极简5GC方案”。而行业客户对园区网络的特殊需求一般包括如下几点。

①园区的5G专网一般要求低成本，如单局点容量小，单设备成本低；

②自主运维，远程维护；

③数据不出园区，专属的服务质量控制，如工业控制要求低时延；

④安全隔离要求高，如电网，安全部门要求完全的物理隔离；

⑤网络稳定性、可靠性要求高，如中断零容忍。

可见，兼顾业务部署的灵活性和良好的成本控制[12]，建设和公共网络物理分离的5G专网，有很强的行业应用前景。我们把相应的5G网络，特别是5G核心网，定义为“极简5GC”[13]，而海外客户一般使用Local 5GC表述。

2.1 网络共享

从5G专网和5G公网的共享程度，网络共享方案可分为三类：一是无线共享；二是MOCN，即核心网共享；三是MEC园区方案，即一种媒体面下沉和接入园区本地应用的实现方式——边缘云部署，表现为5G专网共享5G公网核心网的一部分。

2.1.1 无线共享和MOCN

无线共享从无线侧角度，有共享载波和专有载波两种方式。其中，共享载波方式是指共享无线的一部分载波资源给园区终端用户使用，即园区终端只能使用某些载波，如LTE2100MHz，而公网终端可以自由选择合适的载波接入，如LTE900MHz、LTE1800MHz、LTE2100MHz等。而专用载波方式，意味着给园区终端分配独享的载波资源，公网终端无法使用。

共享载波覆盖区域，园区终端既可以访问园区网络，也可以访问公网。为此，园区网络和公网一般设置不同的PLMN，园区终端和公网终端的移动性管理就是PLMN之间的漫游。对于公网终端而言，在PLMN之间边缘或漫游区域，执行到公网PLMN网络的频率内切换；而园区终端用户在漫游区域的边缘，执行PLMN重选和UE附着，或漫游到公网或从公网返回园区网络。

无线共享从核心网角度，对核心网提出更多的要求，以 MOCN为例：为实现园区网络和公网的PLMN之间的漫游，需要核心网提供Multiple PLMNs功能。公网运营商即MNO(Mobile Network Operator)角色，园区网络运营商即MVNO(Mobile Virtual Network Operator)角色。当园区终端用户离开园区网络后会接入到公网，此时若PLMN保持不变，公网的核心网要相应支持Multiple PLMNs功能。

依靠园区网络运营商和公网运营商的服务协议，园区终端用户一般优先使用所属园区网络的无线服务，并可以在不同PLMN之间漫游，并相应使用不同的服务，而公网终端一般只使用一种PLMN的接入服务，因此，公网运营商不仅支持公网本身的PLMN-ID，还要支持给园区运营商分配的PLMN-ID，如图2所示，MNO/Public Network框图上部右侧显示的多个 PLMN-ID，如282-00是公网本身的PLMN-ID，282-01和282-xx是分配给不同园区运营商的PLMN-ID，分别对应图右侧的MVNO-1到MVNO-n所示的各个园区网络。为服务园区终端用户，公网的核心网要支持如下功能。

图2 MOCN网络的Multiple PLMNs Support功能

1)2/3G核心网(SGSN/GGSN)： 支持属于公网PLMN的终端接入公网的核心网；支持对非公网PLMN的终端用户，重定向到相应的园区核心网；无线侧对公网PLMN或是园区PLMN都分发到公网核心网。

2)4/5G核心网(MME/SAE-GW/GW-C/GW-U/UPF)：支持所有PLMN的终端接入各自归属的核心网，无线侧对园区PLMN的终端用户直接分发到园区核心网，对公网PLMN的终端用户分发到公网核心网。

2.1.2 基于MEC的园区方案

与无线共享方式下无线和核心网建设方案不同，针对园区场景，还可以为无线和核心网叠加分布式部署能力。可将部分功能下沉到园区，如将媒体面下沉，进行无线独立建设，支持接入园区的本地应用，并为这些应用开放无线和核心网的能力，这些可以称之为“基于边缘云的MEC方案”。该方案按区域部署5G无线设备，可以设置专属频段，也可以和公网共享频段，采用不同PLMN为不同用户服务。而对于核心网部分，方案将园区网络不独立于公网，将控制面和管理面的功能由公网的核心网承担，媒体面下沉到各自的园区进行业务处理，将无线侧和UPF通过N2和N4接口和控制面实现互通，如图3所示。

图3 园区部署MEC(非独立部署方式)

该架构便于在园区本地化接入园区特有的应用，满足行业用户已有应用的部署特点和业务特性，对于公网应用仍然需要将业务流导到公网，满足园区用户对一些通用应用的需求。同时，在园区部署小容量5GC以便当园区和公网的链路中断时作公网的备用，关键业务持续不中断。

工作区和作业区分开的园区应用，比如电网和矿山等行业，比上述“非独立部署”方式复杂。为此，一般在园区设置独立核心网，而且分为作业区和工作区两部分。如图4所示，在工作区部分，设置核心网的控制面和管理面，并部署一些服务质量要求不高的应用，如数据分析、控制台的后端应用、系统监控和日志处理、远程运维等。

图4 园区部署MEC(独立部署方式)

此方式在作业区设置核心网的媒体面和作业区特有的园区应用，以便满足高带宽、低时延和高可靠性等服务质量的要求。以远程机械控制操作的应用为例，该应用满足危险区域的挖掘机和吊车操作的需求，并在边缘端提供视频编解码和工业控制转换服务能力，满足低时延要求。考虑作业条件和环境对设备的影响，园区的作业区一般对通信设备要求较高，比如高标准的基站和服务器，满足防爆和极度温度条件等环境要求。

园区用户离开园区后的业务需求由公网设备满足，公网一般按照独立标准的运营商级的无线和核心网进行建设。此处的5G无线设备和园区无线设备的不同点在于：可以通过5G基站接入核心网，满足园区用户对公网的低成本接入服务的需求。

2.2 极简5GC

上述通用5G网络架构的建设方案未必完全满足2B客户需求，比如独享性不足，为此，相关客户希望自建5G专网。该方案在频段使用上有两种方式：本地5G频段和运营商5G频段。前者即专网频谱，是为2B客户开放的私有5G频谱，一般受区域限制；后者是政府授权运营商的频谱，一般具备广域性，这和政府的频谱授权政策有关。一般而言，本地频段方式的隐私和安全性更高，独立可控性更强。和运营商频段方式相比，其缺点在于建网部署成本较高和缺乏专业化的5G网络运维人员。运营商频段方式的优势在于便于利用运营商的5G网络部署方案和建网经验，有利于快速推出专网服务以及更好地满足后期运维保障服务。

如何将运营商的通用5G核心网的设计方案改造成适合专网方式的核心网方案，是自建5G专网的关键点。我们把改造后的核心网称为“极简5GC”，下面从部署形态和产品设计两个维度描述其特点。

2.2.1 部署形态

5G专网一般位于公网的边缘区域，按照媒体面UPF下沉的不同目标区域，相对公网由近及远的分布，5G专网所在区域有如下几类。

1)省中心：采用专线UPF，一般交给运营商的公网统一建设，几乎与2C网络的UPF部署方式没有差别。

2)地市：此处是边缘区域，由省分公司组织建设，按不同容量有多种吞吐量模型，支撑差异化的媒体面容量需求。

3)边缘：类似MEC定义的边缘区域，一般在无线侧机房，仅靠无线侧设备，实现最大程度的本地分流。不仅部署UPF，而且还部署MEP(MEC Platform)，实现就近接入本地化应用，满足服务质量要求和用户体验需求。

4)园区：在园区建设独立5G专网，不仅包括UPF和MEP功能，还需要包括5G核心网的全部功能。

从行业客户的私网建设需求的角度，省中心和地市是运营商的5G公网资源，无论设备性能还是数量，以及维护人员的数量和水平都是较为丰富的区域，因此，尽管这两类区域可以引入5G专网，但没有必要引入“独立的5G专网”，即这两个区域不是极简5GC的部署区域。同时，若行业客户有功能定制和逻辑网络隔离的需求，可以通过“行业软切片方案”实现。

可见，面向2B专网市场的“极简5GC”的部署位置主要是“边缘”和“园区”。相应地，极简5GC的需求、目标和驱动力描述如下：

从需求角度，极简5GC要满足园区等专网市场的网络专用化、设备轻量化、部署灵活化等个性化需求，以便实现极简5GC的部署目标，即解决包括UPF的通用5GC网络的容量起步大、设备功能复杂、部署和维护难度高等难题。相应的驱动力在于：极简5GC下沉到边缘或园区，将有利于提升空间利用度和成本竞争力，满足行业客户的多样化的设备运行环境和多种部署诉求。

2.2.2 产品设计

基于业界已公开的高层设计[13]，下面从网元设计角度，补充具体设计方案。从通用5GC产品到满足边缘或园区部署要求的小容量、高效部署和远程运维等特点的极简5GC产品，涉及如何高效裁剪相关网元或组件，除删除冗余资源外，简化的方向有：融合同类网元、内置部分独立网络实体的功能、简化内部通信机制和满足最小化5GC部署等。如图5所示，从融合网元的角度，依据极简原则，进行5GC的产品设计。产品特点如下。

图5 以融合网元实现极简5GC

1)标准5GC的UDM、UDR和AUSF从单独设置修改为融合设置。AUSF和UDR整合到UDM中，相应的用户认证过程将在内部快速处理，减少跨网元的消息交互。

2)标准5GC的NRF和NSSF考虑和AMF合一。取消独立设置的NSSF，其提供的切片配置功能，简化为：直接在AMF本地获取切片信息，完成切片选择，如此可以减少通过服务化接口和NSSF的交互过程；NRF网络实体也不再单独设置，其本地寻址功能由网元的本地配置实现，代替原服务发现方式，再次简化流程。

3)标准5GC的SMF、PCF、CGF合设为SMF。策略控制功能由SMF配置本地策略数据实现，计费功能由SMF的本地话单功能实现或根据客户需求进行相应的接口适配。

4)标准5GC的UPF配置不同的媒体面容量模型，适合100G和以下多种吞吐量需求，相应虚拟机或容器有不同的规格。

此外，鉴于边缘或园区的设备运行环境和保障条件，极简5GC一般采用具备以下特点的紧凑型硬件。

1)低功耗设计，剪除不必要的硬件组件，如没有话单存储要求，可以删除Raid配置；

2)占地小，机房适应性提升；

3)环境适应性强，如更高的温度和湿度要求，更好的抗震和防尘要求等；

4)快速部署，如预置系统和业务配置，实现一站式交付；

5)支持统一管控，满足远程运维和极简运维的需求。

3 多种专网方案的优缺点分析

为实现5G专网需求，按照5G专网和运营商公共网络的关系，概括为如下几种可选方案。

1)独立非公共网络(SNPN)

3GPP R16标准在制定中。无线和核心网以独立网络实现专网功能，定义SNPN ID，提供接入控制、网络和小区选择等功能，但需要SNPN商用终端。

2)非切片方式的集成专网功能的公共网络(NPN Integration)

3GPP R16标准在制定中，无线和核心网要升级支持CAG功能，而且需要支持CAG功能的商用终端。

3)切片方式的集成专网功能的公共网络(Network Slicing)

3GPP R15定义了网络切片功能，并在R16有更新。网络切片不提供接入控制功能，对网络侧性能有影响。

4)网络共享(MOCN)

从运营商角度，一般希望把专网纳入公共网络，实现对行业网络的控制，以及建网和未来运营利益最大化，网络共享方式是适宜的选择。具体表述为：

5G网络共享与4G标准不同的是，3GPP R15标准只定义MOCN一种方式，R16标准的Release版本在2020年Q2冻结，没有GWCN方式，也未见制定其他方式的计划。就5G MOCN而言，集成4G全部的网络共享功能，差别在于：5G R15版本只支持MOCN，而且无线侧有专有载波和共享载波两种方式；

5G R15版本支持PLMN的最大数12，而4G是6；

5G R15版本，每个NR基站可配置TAC和Cell-ID。

5)极简5GC(Local 5GC)

独立建设5G专网，包括无线和核心网。不受到NPN标准进展的影响，也不受网络共享在资源协作和业务分发的影响，可以采用定制化的无线和核心网，特别“极简5GC”将极大改善面向多种专网环境的适应能力。

5G专网各种方案的特点如表1所示。从表1可见，没有一种方案完美满足各种需求，需要行业客户根据自身要求，如预算、建网经验和运维团队现状等方面，判断哪种方案更适合采用。

综合而论，NPN协议制定没有完成，且商用终端可用有待时日，因此“SNPN”和“NPN Integration”两种方案不是近期建设5G专网的可行方案，长期可予关注。“Network Slicing”，即切片方案对性能有影响，除非无线独立建设或频段独立于公网，否则也不建议作为近期方案的首选。“Local 5GC”是针对专网市场最灵活的方案，而且一般的5G SA终端即可满足要求，比较适合中小企业快速建网，但前期需求调研周期长，独立建网投资较高。

因此，若选择集成方式部署5G专网，最合适的选择是MOCN方案。该方案部署快速，技术成熟，无终端依赖性。当需要独立部署无线和下沉核心网，用于覆盖专有区域，并且设备环境适合通用核心网产品部署时，切片方案或是最佳选择。

表1 5G专网的多种方案比较分析

4 结束语

3GPP 5G规范定义了NPN，即5G 专网规范，但是行业市场早在2G时代就存在大量的专网需求，并建设相应的通信网络。这些网络涉及大量的行业应用和各式各样的通信终端，以及各种差异化性能。如果依据5G专网新标准对其进行翻天覆地的改造，恐难以满足各行业的实际情况，因此，需要从通用的5G SA网络出发，考虑如何构建适合行业市场现状的多种5G专网方案。

从通用的5G SA网络角度出发，有两种方案满足2B客户的各式各样的建网需求，即网络共享方案和极简5GC方案。网络共享无疑是解决5G专网和运营商公共网络关系的出发点，同时引入MEC方案将无线和核心网网络打开，实现分布式部署，发挥5G网络面向多场景的独特优势，进一步增强MOCN方案的灵活部署能力。而之所以将“极简5GC”引入5G专网方案，原因在于：如果把5G专网看作下沉在园区的网络，切片方案应该是行之有效的选项，但是切片网络和公网耦合性极高，关联密切，内在安全性或成为行业客户的顾虑，本文提出独立建网的极简5GC方案正希望为此增加选项。

着眼未来，一般认为2C市场，客户要的不是网络，而是服务，但行业客户所需的服务有特殊性，网络有专属性，这是2B市场呈现纷繁复杂、千差万别的根源。如何基于5G通用网络构建本地化的专网，实现建网投资的低成本与灵活定制的高成本之间的均衡，或是5G网络大发展的真正挑战。