基于安全隔離度的5G專網(wǎng)部署模式

王鑫　韓振東　嚴斌峰

【摘? 要】運營商在5G時代需要提供差異化的定制網(wǎng)絡來滿足行業(yè)用戶多元化的業(yè)務場景，首先對5G無線專網(wǎng)市場需求進行分析，隨后介紹了5G無線專網(wǎng)頻譜資源的三種分配方式，并分析了5G無線專網(wǎng)的部署應考慮到業(yè)務場景對安全隔離度的需求，最后總結(jié)得出，不同安全隔離度的專網(wǎng)部署模式以及網(wǎng)絡架構(gòu)都各有優(yōu)缺點，也沒有一種網(wǎng)絡架構(gòu)完全適合所有的情況，因此需要運營商根據(jù)行業(yè)用戶對網(wǎng)絡Qos的差異化需求以及業(yè)務特性進行精細化定制。

【關鍵詞】5G;無線專網(wǎng);頻譜分配;安全隔離度;核心網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.008? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）01-0044-04

引用格式：王鑫，韓振東，嚴斌峰. 基于安全隔離度的5G專網(wǎng)部署模式[J]. 移動通信， 2020，44（1）： 44-47.

0? ?引言

在5G萬物智聯(lián)的時代，垂直行業(yè)用戶智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級將持續(xù)加速，行業(yè)用戶對運營商網(wǎng)絡服務的需求也與3G、4G時代有所不同：行業(yè)用戶的生產(chǎn)園區(qū)或業(yè)務場景對無線網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量、時延、上行容量、數(shù)據(jù)保密性、網(wǎng)絡控制權的要求均高于公共大網(wǎng)，不同的應用場景需要定制綜合型、靈活便捷的移動蜂窩網(wǎng)絡（無線專網(wǎng)）。因此，運營商在5G時代需要提供差異化的定制網(wǎng)絡來滿足行業(yè)用戶多元化的業(yè)務場景。

1? ? 5G無線專網(wǎng)市場需求分析

1.1? 無線專網(wǎng)的分類

傳統(tǒng)無線專網(wǎng)的實現(xiàn)方式可分為窄帶物聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi網(wǎng)絡和專有頻段LTE局域網(wǎng)。而5G無線專網(wǎng)的實現(xiàn)方式分為三類：一是提供專屬網(wǎng)絡設備的物理專網(wǎng);二是劃分邏輯資源的虛擬專網(wǎng);三是前兩類的混合組網(wǎng)。

5G物理專網(wǎng)指的是：行業(yè)業(yè)務需求與公網(wǎng)提供的能力差異大，需提供專有物理網(wǎng)絡資源，如新建基站（特殊頻段/特殊時隙配比）、單獨優(yōu)化空口和核心網(wǎng)元UPF下沉至園區(qū)。主要對標行業(yè)自由頻率專網(wǎng)，適用于對安全隔離性、網(wǎng)絡性能有極高需求的高價值客戶，例如能源、工業(yè)制造等領域[1]。

5G虛擬專網(wǎng)指的是：行業(yè)業(yè)務的需求與公網(wǎng)業(yè)務差異小，核心網(wǎng)側(cè)可以通過網(wǎng)絡切片、MEC等方式按需靈活部署;公網(wǎng)接入網(wǎng)的基站可同時服務于公網(wǎng)用戶和行業(yè)客戶或僅需少量無線優(yōu)化。此類虛擬專網(wǎng)主要對標Wi-Fi網(wǎng)絡，適用于對網(wǎng)絡性能要求不高、成本敏感的客戶，如行業(yè)用戶園區(qū)等。

5G混合專網(wǎng)的部署就是整合了虛擬專網(wǎng)以及物理專網(wǎng)。

1.2? 行業(yè)用戶對定制化專網(wǎng)的需求分析

行業(yè)用戶對無線專網(wǎng)的需求呈現(xiàn)部署局域化以及網(wǎng)絡能力定制化的特點[2]。例如在以下幾類場景下，需要對網(wǎng)絡能力、數(shù)據(jù)隔離、頻譜資源以及部署成本等多個維度進行定制化設計。典型的專網(wǎng)業(yè)務對網(wǎng)絡能力的需求總結(jié)如表1所示，每類專網(wǎng)場景對物理專網(wǎng)、虛擬專網(wǎng)以及混合專網(wǎng)都有一定的需求。

此外，金融、醫(yī)療、應急通信等其他行業(yè)用戶對無線專網(wǎng)的需求也越來越旺盛，而5G無線網(wǎng)絡具有大帶寬、多連接、低時延、高安全性的技術特點，并且5G無線專網(wǎng)在技術演進、產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)?；c其他網(wǎng)絡兼容性等方面較傳統(tǒng)無線專網(wǎng)具有一定的優(yōu)勢，因此未來5G無線專網(wǎng)的市場前景將非常廣闊。

1.3? 未來5G專網(wǎng)市場前景

預測預計未來3～5年內(nèi)，進行無線專網(wǎng)部署的行業(yè)用戶、園區(qū)數(shù)量將繼續(xù)攀升，根據(jù)麥肯錫的調(diào)研報告，未來行業(yè)用戶專網(wǎng)基站的需求量將是公網(wǎng)基站的2倍[3]。OVUM對RAN側(cè)設備收入進行了預測判斷：從2020年開始RAN側(cè)設備市場份額將止跌回升，其中一部分重要因素是行業(yè)用戶專網(wǎng)RAN設備需求急劇提升[4]，到2025年無線專網(wǎng)業(yè)務規(guī)?？蛇_163億美元，年均增長約45%[5]，如圖1所示。

2? ?5G無線專網(wǎng)頻譜分配方案

當前頻譜資源愈發(fā)緊張，如何分配無線頻譜資源是部署5G專網(wǎng)首要解決的問題。為了避免5G無線專網(wǎng)特定業(yè)務場景與公共大網(wǎng)的信號干擾，對于5G無線專網(wǎng)頻譜資源的分配方式可以分為以下幾類：

第一類是由電信運營商對頻譜資源進行統(tǒng)一調(diào)配。行業(yè)用戶5G專網(wǎng)可以與運營商公網(wǎng)共享頻譜資源，或者運營商將公網(wǎng)頻譜資源中的一部分單獨劃分給行業(yè)專網(wǎng)用戶。此類頻譜方案優(yōu)勢是運營商可以按需靈活調(diào)配資源，提高了頻譜的利用率，同時也利于電信運營商帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈快速成熟。對于行業(yè)用戶，由于該方案可以實現(xiàn)對空口資源最大化的復用，因此也將極大地節(jié)約了5G專網(wǎng)的建設及運維成本。

第二類是為行業(yè)用戶頒發(fā)特定地頻段用于特定場景的5G專網(wǎng)建設，行業(yè)用戶在獲得頻譜使用許可后可以自主建網(wǎng)，無需與公共網(wǎng)絡協(xié)調(diào)頻譜資源。但是此類頻譜方案的缺點較多：獨立頻譜需要定制專有的端網(wǎng)設備且后期網(wǎng)絡運維成本較高;當專網(wǎng)業(yè)務處于閑置狀態(tài)時那么頻譜利用率比較低;如果對空口資源的規(guī)劃欠佳可能會造成專網(wǎng)信號與公網(wǎng)信號之間的頻率干擾。

最后一類是5G無線專網(wǎng)頻譜采用非授權頻段，這樣可以避免與公網(wǎng)信號的干擾，表2列舉了各國非授權頻譜資源的情況。但此種頻譜分配方式的缺點是產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度較低，專網(wǎng)用戶需要針對此類頻譜定制芯片、模組或終端，并進行單獨的網(wǎng)絡運維、終端優(yōu)化，不利于5G專網(wǎng)的快速部署。

3? ?5G無線專網(wǎng)部署方案

未來5G網(wǎng)絡能力的趨勢是向網(wǎng)元虛擬化、架構(gòu)開放化、編排智能化方向發(fā)展，這為5G無線專網(wǎng)服務能力的靈活化、定制化提供了有力的技術保障。5G專網(wǎng)的部署方案需要考慮網(wǎng)絡時延、安全隔離度、網(wǎng)絡可靠性、網(wǎng)絡帶寬、上下行配比、峰值速率等重點因素?？梢愿鶕?jù)安全隔離度的需求將專網(wǎng)部署方案分為以下3類。

3.1? 高安全隔離的專網(wǎng)部署方案

安全隔離要求高的專網(wǎng)需要保證工業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，典型的應用場景是工業(yè)園區(qū)自動化管控場景，在不考慮成本的情況下，核心網(wǎng)的部署方案可以采取網(wǎng)元完全獨立全封閉的模式，即在工業(yè)園區(qū)內(nèi)可部署整個5G核心網(wǎng)，包含AMF、SMF、UPF、UDM等網(wǎng)元。由于工業(yè)園區(qū)自動化控制需要保證時延，因部署園區(qū)專網(wǎng)部署方案可以省去AUSF等網(wǎng)元。

對于接入網(wǎng)，工業(yè)園區(qū)的不同設備可以根據(jù)不同的業(yè)務需求，通過園區(qū)5G專屬基站或者公網(wǎng)基站分別接入到封閉的園區(qū)專網(wǎng)以及公共大網(wǎng)。工業(yè)自動化控制場景下的園區(qū)專網(wǎng)部署方案如圖2所示。由于工業(yè)自動化控制的應用場景對于上行速率也有一定的要求，因此可以對園區(qū)專屬的接入RAN側(cè)設備進行幀結(jié)構(gòu)的靈活配置，這樣可以進一步提升網(wǎng)絡的Qos保障性能，保證上下行速率配比，例如采用1：3（DSUUU）的幀結(jié)構(gòu)可保證上行理論峰值達到570 Mbit.·s-1，此速率相當于公網(wǎng)傳輸能力的3倍。

3.2? 中等安全隔離的專網(wǎng)部署方案

對于安全隔離要求相對較低且需兼顧考慮網(wǎng)絡建設、運維成本的場景，核心網(wǎng)的部署方案可以采取接入網(wǎng)元及會話網(wǎng)元與公共大網(wǎng)共享，UPF（用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）下沉至工業(yè)園區(qū)的模式，此類場景的典型應用是園區(qū)視頻監(jiān)控場景。由于控制面的時延要求不高，因此AMF以及SMF網(wǎng)元可以部署在公網(wǎng)DC中;基于接入管控和會話管理的要求，可與公共大網(wǎng)對應的網(wǎng)元共享也可單獨部署;如果用戶數(shù)據(jù)的保密性不高，那么UDM以及數(shù)據(jù)管理可部署在公共大網(wǎng)的DC中;基于客戶的數(shù)據(jù)管控要求，可與公共大網(wǎng)對應的網(wǎng)元共享也可單獨部署;由于視頻媒體數(shù)據(jù)不能離開特定園區(qū)，業(yè)務就近接入，因此只需將UPF網(wǎng)元下沉部署在園區(qū)即可。接入網(wǎng)的方案可以根據(jù)建網(wǎng)成本敏感度進行定制化部署：行業(yè)用戶可以與公共大網(wǎng)共享無線RAN側(cè)基站，也可通過自建無線RAN側(cè)設備的模式實現(xiàn)終端設備快速接入、視頻數(shù)據(jù)本地閉環(huán)管理。

視頻監(jiān)控場景下的園區(qū)專網(wǎng)部署方案如圖3所示。

3.3? 低安全隔離的專網(wǎng)部署方案

對于安全隔離沒有明確的需求且對網(wǎng)絡建設、運維成本較為敏感的專網(wǎng)場景，核心網(wǎng)的部署方案只需單獨將UPF以及獨立的媒體網(wǎng)元下沉在距離用戶較近的位置即可，控制網(wǎng)元可以按需共享，如果有視頻等多媒體內(nèi)容分發(fā)的需求還可以在關鍵路由節(jié)點配有CDN服務器。適合此類安全隔離度的專網(wǎng)場景是現(xiàn)場直播，其專網(wǎng)部署方案如圖4所示。

綜上所示，不同安全隔離度的專網(wǎng)部署模式以及網(wǎng)絡架構(gòu)都各有優(yōu)缺點，也沒有一種網(wǎng)絡架構(gòu)完全適合所有的情況，因此需要運營商根據(jù)行業(yè)用戶對網(wǎng)絡Qos的差異化需求以及業(yè)務特性進行精細化定制。

4? ?結(jié)束語

5G專網(wǎng)承諾了更好的隱私、數(shù)據(jù)安全、可控性和無線網(wǎng)絡性能，甚至還可以可為行業(yè)用戶提供更多的數(shù)字化創(chuàng)新功能。作為開啟萬物智聯(lián)部署的關鍵一步，企業(yè)將越來越多地部署5G專網(wǎng)[6]。在5G網(wǎng)絡發(fā)展的初期，端到端網(wǎng)絡切片技術及產(chǎn)品尚未成熟，電信運營商應該發(fā)揮頻譜資源、網(wǎng)絡建設及運維等優(yōu)勢，通過為行業(yè)用戶提供定制化專網(wǎng)服務來探索與垂直行業(yè)的融通與創(chuàng)新，從而在2B側(cè)培育新的收入增長點，實現(xiàn)從簡單的網(wǎng)絡容量提供商到創(chuàng)新的數(shù)字服務合作伙伴的轉(zhuǎn)型。

參考文獻：

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[5]? ?ABI Research. US $2.9 Billion Market Opportunities for LTE Vendors in Mining Sector[EB/OL]. （2017-07-17）[2019-10-10].??https：//www.abiresearch.com/market-research/service/freight-transportation-logistics/.

[6]? ? ?鄭偉5G專網(wǎng)將成企業(yè)未來網(wǎng)絡戰(zhàn)略的重要組成[EB/OL]. （2019-09-11）[2019-12-07]. https：//m.zol.com.cn/article/7267568.html.

作者簡介

王鑫（orcid.org/0000-0001-9124-6054）：工程師，碩士畢業(yè)于英國約克大學，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院國際標準專家，GSMA-UEX終端用戶體驗性能評測組主席，研究方向為終端用戶體驗、5G終端、5G專網(wǎng)等。

韓振東：高級工程師，碩士畢業(yè)于清華大學，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團智能網(wǎng)絡中心高級項目經(jīng)理，研究方向為5G專網(wǎng)產(chǎn)品及解決方案、5GC網(wǎng)絡自動化/智能化解決方案等。

嚴斌峰：高級工程師，博士后畢業(yè)于清華大學，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院終端與智能卡研究中心主任，研究方向為終端與智能卡標準技術、終端人工智能應用、終端基礎軟件研發(fā)等。