5G 公网与专网融合场景的关键技术研究

赵婧博 ，张学智 ，邹礼宁

(1.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209；2.北京邮电大学，北京 100876)

0 引言

随着数字化转型成为各行各业的战略发展共识，行业对于利用5G 等新技术助力数字化转型的需求愈发迫切。而不同行业的业务特征迥异，业务网联化和安全性等需求程度各不相同，一张5G 公共网络(以下简称5G 公网)无法在满足公众业务的同时提供性价比更高的的差异化能力，5G 专网应运而生。3GPP 在R16标准中提出了NPN 技术，结合5G 技术的多维度组合和演进，能够使5G 专网成为千行千面的数字化信息基础设施底座[1-3]。同时，为了能够更好地利用5G 公网的广覆盖和低成本特性，提高5G 专网的性价比和普及速度，公网与专网融合(以下简称公专融合)部署将逐渐成为关注的重点。本文针对5G 专网的NPN 技术的对比，针对当前企业更关注的SNPN 方案，分析其在两种公专融合部署场景中面临的挑战，并提出相应的技术方案。

1 5G 专网技术发展现状

3GPP 在R16 标准中提出的NPN 技术是利用5G 技术构建的独立于服务大众的PLMN 网络的5G 专网，用于企业业务(例如：企业生产控制等)。NPN 包括两种技术方案：独立的非公共网络(Stand-alone NPN，SNPN)和公共网络集成的非公共网络(Public Network Integrated NPN，PNI-NPN)[4-7]。

利用SNPN 技术可以部署一张完全独立的5G 专网，不依赖于PLMN 提供的网络功能。SNPN 可以通过3GPP定义的技术手段与PLMN 互通。在SNPN 网络注册的UE(User Equipment)可以通过SNPN 网络以非受信任的非3GPP 方式接入PLMN 网络，使用PLMN 提供的服务；在PLMN 注册的UE 可以以非受信任的非3GPP 方式通过PLMN 接入SNPN 网络，使用SNPN 提供的服务[2-3]。SNPN由PLMN ID 和网络标识符(Network Identifier，NID)的组合来标识。提供对SNPN 的访问权限的下一代无线接入网节点(Next Generation Radio Access Network node，NG-RAN)广播一个或多个PLMN ID 以及每个PLMN ID的NID 列表，用于标识NG-RAN 提供的非公共网络访问。NG-RAN 节点也可以广播用于无线资源控制的信息等其他信息，以防止不支持SNPN 的用户访问小区。用户被设置为以SNPN 接入模式运行时，用户从NG-RAN广播系统信息中读取可用的PLMN ID 和可用的NID 列表，用于网络选择。

而PNI-NPN 技术是通过PLMN(例如：通过专用DNN)或通过为NPN 分配的一个(或多个)PLMN 网络切片实例来提供的NPN。此时UE 签约为PLMN 用户。在该类型网络下，用户具有对PLMN 网络的订阅能力。由于网络切片不能限制终端在其未授权的网络切片区域中尝试接入网络，因此可以选择闭合接入组(Cell Access Group，CAG)用于接入控制。CAG 用于PNI-NPN 网络，以防止UE 通过自动选择接入关联的小区，进而接入NPN。

由于PNI-NPN 必须基于运营商PLMN 的网络来部署，且运营商的5G 公网部署策略和进度与企业专网需求之间存在较大差异。在当前阶段，很多企业客户已使用PDT (Professional Digital Trunking)、B -TrunC (Broadband Trunking Communication)、Wi-Fi 等传统无线专网技术构建企业专网，且由于业务特殊性和安全等方面的原因，大多采用独立部署的模式[8-15]。因此，曾经有过专网部署和运营运维经验的企业客户更加关注SNPN 技术，并且更加关注5G 专网相对传统无线专网技术所不具备的公专融合优势。以下将重点关注基于SNPN 技术的5G 专网与5G 公网融合场景下的挑战和技术方案。

2 5G 公专融合部署模式及挑战

从企业客户需求角度来看，5G 专网相对传统专网，希望能满足5 大升级需求：(1)以更高性价比承载多类业务，尤其是对带宽要求更高、时延要求更低的移动性业务和普通通信业务的差异化承载；(2)可提供差异化的数据安全隔离与保护；(3)可动态提供差异化独享的网络资源，且成本足够低；(4)可以部分自主进行网络运维；(5)借助5G 公网扩大5G 专网业务的应用范围，帮助企业突破地理区域经营的瓶颈，为不同区域提供差异化业务能力。借助5G 公专融合的天然差异化特性，可以更高性价比地满足这5 大升级需求，因此5G 公专融合场景将成为5G 专网技术研究的热点领域。相比组网架构固定的4G 网络，5G 支持面向服务的SBA 网络架构，能够更加灵活地定制，有利于5G 赋能众多行业差异化需求，且由于公网和专网采用相同的3GPP 标准架构，能够更加容易地实现业务的漫游和切换。

以智能化社会缩影的园区为例，园区是工作与生活的载体，但园区内企业的专网和运营商公网各自独立建设和运营维护，且传统企业的数字化和网联化建设往往会形成多个孤立的子系统建设，数据不互通、业务难融合，长期面临着运营效率低和管理成本高等痛点。引入5G 公专融合部署有助于把运营商的基础网络服务和企业定制业务深度融合，打造定制化园区专网，满足园区内企业多样化通信需求。基于5G 的园区公专融合方案一般呈现为如图1 所示的两种部署模式：一种是园区非核心区域部署公网，园区内核心区域部署专网的连续模式；另一种是公网覆盖整个园区，同时园区内仍部署专网的重叠模式。这两种模式对应着运营商5G 公网部署策略和企业5G 专网部署的协同机制。

图1 基于5G 的园区公网与专网融合部署的两种模式

5G 公网和5G 专网的之间的协同将是5G 公专融合部署的长期挑战，随着专网客户对移动性专网业务范围的逐渐扩大，终端(UE)由固定式向移动式转换，相应对UE 的移动性要求是速度更快且范围更大。而往往限于企业投资规模和成本原因，企业使用SNPN 技术独立部署的5G 专网所能覆盖的范围都比较小，这就导致UE的业务需要在5G 公网与5G 专网之间进行切换，因此保证切换前后业务的连续性就尤为关键。另外，随着UE向通用化和智能化发展，智能手机公私合用的场景越来越多，企业为员工定制的智能手机往往既需要通过5G公网保持私人业务连接，也需要通过5G 专网执行企业的高机密高安全性的业务，同时还要保证两个业务之间的高隔离度。因此，需要UE 能够并发连接公网与专网也将成为公专融合网络部署的关键。

以下将重点讨论5G 公专融合场景下当前最紧迫的两个挑战：随着移动终端所处位置的变化，既需要支持同一业务在两种网络间切换时保证更高质量的业务连续性，又需要支持5G 公网和5G 专网上的两种业务并发。

3 业务连续

在连续模式和重叠模式下，在公网和专网交界的边缘地带UE 会出现频繁移动的场景。例如物流企业的货车在运输过程中连接5G 公网，将行车监测视频通过5G公网发送到统一的监控系统，而进入园区或仓库内则需要使用5G 专网传输实时的监测数据，从而降低流量费用并提高监测数据的安全保密性。如果公专网的覆盖区域是连续不重叠的，就会极易导致网络连接中断一段时间才能传输监测视频数据，或者引入更高的切换时延，影响了车辆调度控制指令的及时下发，导致货车入园前后调度效率的降低。因此需要在UE 移动到公网和专网覆盖的边缘区域时提供更优的业务连续性方案，以实现业务体验的流畅。

目前5G 公网部署使用的业务连续性解决方案是基于移动期间锚点保持不变的原则。但是当UE 移动至5G公网覆盖区域之外时，维持这一原则会带来额外的时延。例如，当UE 从PLMN 移动到SNPN，为了保持业务连续性，UE 需要断开现有的PLMN 连接并注册到SNPN 上，在SNPN 中建立PDU 会话，随后UE 需要再重新注册到原来的PLMN 连接中，通过SNPN 与PLMN 建立PDU 会话(经过UE 和PLMN 非3GPP 互通功能(N3IWF)之间的IPSEC 隧道)保持业务的连续性，这个重复注册的过程会带来额外的时延。

因此，3GPP 在R17 中提出允许锚点的变化的技术方案：当UE 从PLMN 移动到SNPN 时，为了保证其业务连续性，首先在UE 离开PLMN 覆盖之前，UE 在PLMN 上注册到SNPN(通过UE 和SNPN N3IWF 之间的IPSEC 隧道实现非3GPP 接入)，并在SNPN 中建立PDU 会话。此步骤不会导致额外的时延，因为用户仍然保持连接到PLMN 并接收业务。然后当UE 移出PLMN 覆盖范围时，UE 注册到SNPN 上(通过SNPN 3GPP 接入)，将之前建立的PDU 会话转移到3GPP 访问上。以上过程中，UE 首先基于应用层中的业务连续性机制将业务从PLMN 中的PDU 会话移动到SNPN 中的新PDU 会话，并在之后通过非3GPP 接入和3GPP 接入之间的切换过程恢复业务连接[1]。

假设UE 从PLMN 移动到SNPN 的具体切换过程如图2 所示，当UE 从SNPN 移动到PLMN 或其他SNPN 时，切换机制类似。

(1)步骤1 是PLMN 基于网络中UE 位置、网络部署、服务等级协议(Service-Level Agreement，SLA)、来自应用功能(AF)的请求等可用信息发送激活信号指示UE 通过PLMN 激活非3GPP 访问SNPN，激活信号中指示了连接到SNPN 的UE 行为信息(例如注册、PDU 会话建立和相应参数(参数包括目标网络标识符、访问类型、SSC 模式、UE 行为的适用区域等))。

(2)步骤2 到步骤3 是UE 基于在步骤1 中接收到的激活信号和其他本地信息，在UE 移出PLMN 覆盖到NPN之前，通过SNPN N3IWF 对SNPN 执行注册。并通过SNPN N3IWF 在SNPN 中建立PDU 会话。

(3)当PLMN NG-RAN 覆盖仍然可用，但信号强度减弱时，UE 可以通过应用层机制将业务从PLMN 网络中的PDU 会话(即图2 中步骤0 中的PDU 会话)移动到SNPN 网络中的PDU 会话(即图2 中步骤3 中的PDU 会话)，作为向SNPN 切换的准备。

图2 保持业务连续性的切换过程[1]

(4)当UE 检测到PLMN NG-RAN 的覆盖丢失且进入SNPN NG-RAN 的覆盖时，它通过SNPN NG-RAN 注册到SNPN。UE 使用SNPN 3GPP 访问建立一个新的PDU 会话并把步骤3 中建立的现有PDU 会话切换到SNPN 3GPP访问。从步骤3 到步骤5，通过3GPP 访问和非3GPP 访问之间的切换过程来确保UE 业务的连续性。

4 业务并发

在重叠模式的中心地带，UE 有支持5G 公网与5G专网上两种业务并发连接的需求。例如，企业为员工定制的智能手机，在企业园区内对生产和生活方面的联网需求是同时存在的，既需要在生产作业时能够安全地通过5G 专网接入企业内网系统，也希望通过5G 公网保持生活类业务的畅通。但由于生产和生活业务使用都可能会非常频繁，如果采用根据不同业务需求在5G 公网和5G 专网之间切换的技术方案，势必会给业务带来更大的时延，因此需要重点考虑UE 能够并发连接到两个网络来同时收发数据的技术。由于一般重叠模式下PLMN的范围较SNPN 更大，且SNPN 资源更加有限和宝贵，需要并发连接的专网业务很可能非企业核心业务，因此本文仅探讨基于UE 初始注册在PLMN 的NG-RAN 上，且5G 公网业务不占用5G 专网资源的情况。

3GPP 的R16 和R17 中根据当前UE 收发天线常见的配置1Tx/1Rx、2Tx/2Rx、2Tx/1Rx 分别提出了技术方案[1]。在可以预见的未来可能会出现更多的天线配置，此技术方案将随之持续演进。

(1)UE 的天线配置只有1Tx/1Rx，可以用R16 中给出的“未信任的非3GPP 访问”的解决方案，如图3 所示，UE 在驻留在PLMN 上时，同时通过N3IWF 使用IPSec 隧道发送或接收来自SNPN 网络的数据。

图3 1Tx/1Rx UE 同时连接到SNPN 和PLMN 的结构

(2)UE 的天线配置是2Tx/2Rx，UE 可以用其2Tx 和2Rx 信道同时对两个网络发送和接收数据，实现机制与1Tx/1Rx 类似。UE 需要具备将业务路由到不同的路径的能力，如图4 所示。

图4 2Tx/2Rx UE 同时连接到SNPN 和PLMN 的结构

(3)UE 的天线配置是2Tx/1Rx，R17 中提出UE 的1Tx 可为两个网络(SNPN 和PLMN)共享UL 流量，并将2Rx 拆分接收每个网络的DL 用户平面流量，如图5 所示。

图5 2Rx/1Tx UE 同时连接到SNPN 和PLMN 的结构

在UE 的Tx 连接到PLMN 的情况下，UE 通过PLMN将SNPN 的UL 流量发送到SNPN 的N3IWF，而UE 使用1Rx 直接从SNPN NG-RAN 接收SNPN DL 用户面流量。同时还允许UE 在需要时通过SNPN 的N3IWF 从PLMN的NG-RAN 接收SNPN DL 用户面流量。另外，UE 可以使用另一个Rx 以及共享Tx 来接收和发送PLMN 的用户流量。UE 需要具备基于终端的能力和PLMN/SNPN 运营商的策略来实现流量分割的能力。

5 结论

5G 专网的部署需要根据网络和终端能力、产业发展情况、客户惯性等因素综合选择技术方案，当前应聚焦在当前企业客户更加关注的SNPN 技术演进上，尤其需要关注5G 公专融合部署的两种模式下的技术方案。除了本文介绍的的业务连续性和并发连接技术方案之外，还需加强研究漫游注册、鉴权认证、Qos 协同、资源协调等一系列技术方案。从5G 专网的发展中深刻地意识到场景刺激技术、技术支撑场景，公专融合的场景优势将会成为5G 专网的差异化核心竞争力，因此需要加快推进其在3GPP 标准的演进和完善，并尽快推动终端和网络设备商的能力实现。