政务行业5G无线专网部署方案的研究

龚戈勇

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210009）

0 引 言

随着智慧城市等信息化项目的建设，政府正从管理型政府向服务型政府转型，政府部门在信息化建设应用方面不断进行了各类探索，通过政务专网的网络平台来支撑办公、监管、服务以及决策等业务的智能化，有效提升了政务办公和管理的信息化服务水平。5G系统非公众网络（Non-public Networks，NPN）架构使得核心网单元的控制面可提供异构接入技术统一的接入、安全及签约管理服务框架，可支持专网用户业务数据流按策略进行分流，实现边缘、数据中心以及节点间的互联互通，具备海量连接、高可靠、低时延等技术特性，高度契合政务信息化发展中不断提升的移动办公数据需求，可实现端到端超低时延、大容量视频监控以及海量物联网终端接入等典型政务行业应用，解决现有政务无线专网的痛点，赋能城市治理、产业、民生等多个政务领域[1]。

1 政务无线专网组网技术对比

1.1 5G技术和WiFi6技术的对比

5G无线专网和WiFi6技术采用的协议不同，不同场景的网络覆盖性能存在着较大差异。5G无线专网具有更可靠的重传和保护机制、更大的覆盖范围以及更低的业务时延[2]。二者性能对比如表1所示。

表1 5G无线专网与WiFi6性能对比

1.2 5G专网和4G专网的对比

相比4G网络，5G技术架构上进行了很大的优化和调整，各项性能和指标均有较大的提升。5G专网具备边缘计算、超级上行、灵活的网络控制和组网方案等特点，满足多业务支持能力，可面向多样化的应用场景，网络部署更加灵活[3]。二者的性能进行对比如表2所示。

表2 5G专网与4G专网性能对比

2 政务行业5G专网组网方案

2.1 频率规划

2.1.1 政务行业授权频段

授权许可频谱是无线通信服务的基石。2015年工信部颁布的《关于1447-1467兆赫兹（MHz）频段宽带数字集群专网系统频率使用事宜的通知》（工信部无〔2015〕59号）提出1 447～1 467 MHz中20 MHz规划用于政务网、公共安全以及应急通信等政府专网。当前1.4G宽带专网规划的频段主要用于相关LTE专网的建设，在5G政务行业暂无相关的授权许可频段，经相关部门的登记许可情况下也可考虑在此频段上进行政务行业5G无线专网的布置。

2.1.2 运营商授权许可频段

目前，国内三大运营商都经营着2G、3G、4G以及5G的无线移动网络，加上2019年新加入的中国广电，四家运营商频段都在5 GHz频率以下具有较为充足的无线频谱资源。因此，政务行业5G专网也可通过与运营商合作，租用运营商现有授权频段进行无线专网的部署。

2.1.3 非授权频段

授权频段的短缺日益明显，5G通信系统上下游产业链也开始考虑在非授权频段（包括2.4 GHz、3.5 GHz、5 GHz等）进行相关设备部署的尝试，即使用NR协议在非授权频段提供5G无线网络接入服务，以缓解当前5G系统授权频段的压力。例如，5.8 GHz频段是一个比2.4 GHz频率更高，更开放的ISM频段，目前也开始进入5G系统相关无线产品研发领域，通过提高容量和改善数据连通性，在补充许可频谱方面发挥着重要作用。

2.2 组网方案

政务行业5G专网是针对公检法机构、城市安防以及交通管控等场景，为政府部门用户提供以5G为核心技术的综合型专网。该专网融合了网络切片和MEC等技术，网络指标要求比公网更高，具有定制化的资源和服务质量保障、业务隔离的精品安全网络，主要有以下3种组网方式.

2.2.1 虚拟型5G政务专网

虚拟型5G政务专网基于运营商5G SA网络框架，依照“一张物理网，两张逻辑网”的思路，采用2B/2C统筹规划的部署建设思路，构建政务行业5G定制专网。虚拟型5G政务专网在运营商公共网络完全部署，政务部门内部仅部署带边缘计算的5G路由，政务5G专网与公网业务利用网络切片技术，采用软隔离的方式进行隔离[4]。其专网网络架构如图1所示。

图1 虚拟型5G政务专网架构

虚拟型5G政务专网通过配置灵活的网络切片资源，为不同的政府客户提供不同等级的带宽、时延保障等网络服务能力。虚拟型5G政务专网的特点如下。一是网络建设和运营成本更低，周期更短。网络由运营商与公网一起建设，无需采购定制化的专网设备，客户也无需承担无线网络建设及维护成本。二是网络服务范围宽广。运营商公众网络有业务覆盖的地方均可提供专网的相关网络服务。同时，因虚拟型5G政务专网全部采用了运营商的网络设备，其系统也存在着安全性较差和网络延迟大的缺点。

虚拟型5G政务专网适用于政务行业的广域专网业务，包括智慧城市、智慧景区、新媒体、智能交通以及环境监测等场景，如无人机巡逻和环境水质监控传感器等。

2.2.2 混合型5G政务专网

混合型5G政务专网是指以5G数据分流技术为基础，通过灵活定制无线接入和控制网元为政府用户构建一张增强带宽、低时延的基础连接网络。混合型5G政务专网的核心网用户面UPF网元为政府用户私有化部署，无线基站和核心网控制面网元根据用户需求灵活部署，为用户提供部分物理独享的5G专用网络，满足政府用户大带宽和低时延等不同的应用需求，网络架构如图2所示。

图2 混合型5G政务专网架构

混合型5G政务专网可根据用户场景及业务特点，实现覆盖、速率、容量以及上下行配比的灵活配置。混合型5G政务专网特点如下。一是业务安全隔离性较好。通过在政府部门内部部署专用政务UPF设备，可实现信息数据本地灵活卸载，不出园区。二是端到端时延较低。通过核心网UPF单位本地部署可有效降低网络端到端的时延，部分场景时延可低于10 ms。

混合型5G政务专网产品适用于政务局域开放园区，包括城市管理和城市安防等。

2.2.3 专用型5G政务专网

专用型5G政务专网是指政府部门采用专有独立的无线设备和核心网设备，构建一张增强带宽、低时延以及物理封闭的基础连接网络，实现专网用户数据与运营商公众网络数据完全隔离，且不受运营商公众网络影响。在该模式下可以采用行业授权频段、运营商频段或者非授权频段进行组网，相关部门在对应的园区、办公场所部署全套5G（gNB、UPF、5GC CP、UDM、MEC）。其专网网络架构如图3所示。

图3 专用型5G政务专网架构

专用型5G政务专网的设备组网方案可以基于传统公网模式或定制化的专网设备组网方案。

（1）传统公网模式。5G无线专网设备组网架构类似于5G公网组网架构，网络设备主要包括核心网单元、BBU单元、AAU单元以及CPE终端。

（2）定制化专网方案采用的5G无线专网设备通过裁剪了部分与行业应用无关的功能，采用专有无线+核心网一体化设备，组网架构更加简单。由集中控制单元、分布式拉远单元以及客户前置设备3部分组成。其中，集中控制单元可采用云化的部署方式，使部署更便捷、成本更低，光纤拉远的分布式拉远单元采用智能基带与射频单元，使网络覆盖更优，尤其适合应用在环境复杂和覆盖面积广的环境中，客户前置设备终端部署在应用设备附近，通过5G无线传输连接到分布式拉远单元。

专用型5G政务专网的特点如下。一是提供超低的端到端时延。通过核心网本地部署+空口预调度技术，有效降低网络的端到端时延，部分场景下的时延可做到低于10 ms。二是硬隔离，安全性高。政务部门专网与运营商公众网络端到端完全隔离，用户独立部署核心网等网络全套相关设备，保障专网行业用户业务数据及用户行为信息不出政务部门园区，为政务用户提供刚性安全保障。三是灵活的网络配置和自服务。上下行带宽灵活调整，可独立增强，提供超级上行能力，通过增强上行覆盖、优化基站上下行资源配比、TDD+FDD的方式合力提升上行吞吐率。同时，政务用户权限具有独立的灵活配置的自服务能力。由于采用独立组网，相关的网络建设和运营都需要自己负责，其组网也存在部署成本高，因此需要组建自有的网络运营团队等。

专用型5G政务专网适用于专属程度高、安全要求高、数据隔离要求高、业务连续性要求极高以及对业务自主性要求高的局域封闭区域，如看守所和监狱等。

2.3 容量规划

2.3.1 容量需求估算

政务行业5G专网的容量需求估算主要为其UPF设备的指标配置，包括吞吐量和会话数，可依据业务承载的相关原则计算出UPF承载的业务吞吐量和会话数要求[5]。其中，政务5G专网带宽需求=业务类型的平均每终端带宽×对应业务类型的用户终端数；政务5G专网会话需求=业务类型的平均每终端会话数×对应业务类型的用户终端数。

政务行业5G专网5G容量规划方法可以结合4G业务发展情况作为参考，将上表小区峰值代入容量估算方法中。政务行业5G专网规划的下行小区数量=区域专网总用户数×连接态用户比例×忙时下行激活比×下行用户平均速率/单小区下行容量；政务行业5G专网规划的上行小区数量=区域专网总用户数×连接态用户比例×忙时上行激活比×上行用户平均速率/单小区上行容量。

2.3.2 系统带宽测算

政务行业5G专网系统的承载能力与Massive MIMO配置、帧结构配置、带宽等系统参数以及用户分布等有关。下面以运营商4.9G授权频段和5.8G非授权频段进行5G专网基站带宽的测算。4.9G频段效用测算如表3所示，5.8G频段效用测算如表4所示。

表3 4.9G频段效用测算

表4 5.8G频段效用测算

3 结 论

当前，城市管理和社会建设面临着许多新的挑战，迫切需要运用新技术来提升政府各部门城市管理与公共服务效率，5G无线政务专网正好可以满足这种需求。5G政务专网将固定应用和移动应用结合起来，利用融合视频、数据以及语音的5G通信技术来支撑政务行业的信息化工作的快速发展。