5G專網技術解決方案和建設策略

李立平　李振東　方琰崴

【摘? 要】5G所具備的海量連接、高可靠、低時延等技術特性，高度契合專網的需求，可實現(xiàn)視頻直播、海量物聯(lián)網設備接入、無人駕駛、遠程醫(yī)療、智能制造等典型行業(yè)或政企專網應用。針對5G應用于專網市場，從5G專網獨立建設必要性、3GPP 5G NPN（Non-Public Network）技術最新進展和5G核心網2B（To Business）網絡建設策略三個方面分析5G核心側在行業(yè)/專網方向的發(fā)展與演進。以期5G在專網領域發(fā)揮更大的價值，促進“5G+行業(yè)”跨界合作形成良性循環(huán)。

【關鍵詞】5G;專網;2B;垂直應用;網絡切片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.002? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）03-0008-06

引用格式：李立平， 李振東， 方琰崴. 5G專網技術解決方案和建設策略[J]. 移動通信， 2020，44（3）： 8-13.

The Technical Solutions and Construction Strategies for 5G Private Networks

LI Liping， LI Zhendong， FANG Yanwei

（ZTE Corporation， Nanjing 210012， China）

[Abstract]?The technical characteristics of 5G， such as massive connections， high reliability and low latency， are highly suitable for the requirements of private networks. Hence the typical private network applications can be realized for industries， government and enterprises， such as live broadcast， massive IoT device access， unmanned driving， telemedicine and intelligent manufacturing. For the application of 5G in the private network market， this paper analyzes the development and evolution of the 5G core side in the industry/private network directions from the three aspects of the independent construction necessity of 5G private networks， the latest developments in 3GPP 5G NPN （Non-Public Network） standard technologies and 5G core network 2B （To Business） network construction strategies. It is expected that 5G will play a greater value in the private network field and promote cross-border cooperation in "5G + industry" to form a virtuous circle.

[Key words]5G; private network; 2B; vertical application; network slice

0? ?引言

與2G/3G/4G不同，5G除了能夠滿足個人通信外，還能夠滿足多樣化垂直行業(yè)的專網通信建設需要，為未來的工業(yè)化應用奠定基礎，通信業(yè)內對于專網通信已經開展了深入和廣泛的研究。

相對于運營商運營的公眾通信網絡，NPN專網（Non-Public Network）技術整體落后1到2代，目前主流專網仍然是相當于2G的技術，僅有部分領域例如政務網廣泛引入基于4G的專網。專網的寬帶化需求與4G技術相結合，最終導致基于3G的專網技術退服。PDT（PDT， Police Digital Trunking）+LTE的“2G+4G”組網模式，成為國內專網主要客戶公安專網的主流。但不同于前幾代移動通信技術，5G所具備的海量連接、高可靠、低時延等技術特性，高度契合專網的需求，可實現(xiàn)視頻直播、海量物聯(lián)網設備接入、無人駕駛、遠程醫(yī)療、智能制造等典型行業(yè)或政企應用。業(yè)內預期，5G的80%，將應用在工業(yè)互聯(lián)網等行業(yè)市場[1]。5G的應用場景豐富多樣，如何發(fā)揮5G更大的價值，促進“ 5G+行業(yè)”跨界合作形成良性循環(huán)，最終促進整體產業(yè)發(fā)展都是業(yè)內重點關注的問題，需要在網絡建設的同時進行分析、試驗[2]。

針對5G應用于專網市場，本文將從5G專網獨立建設必要性，3GPP 5G NPN技術最新進展和5G核心網2B（To Business）網絡建設策略三個方面分析5G核心側在行業(yè)/專網方向的發(fā)展與演進。

1? ?5G行業(yè)專網獨立建設的必要性

5G技術本身可以提供2C（To Customer）或者2B（To Business）服務，隨著個人通信消費能力飽和（受限于人口紅利、需求等），2C市場增長放緩，2B企業(yè)用戶將取代2C個人消費者，成為5G應用的主角[3]。如果2C和2B網絡合一建設，則實際是公網而不是專網，因兩者服務對象、業(yè)務內容等均有很多不同，合建會有很多不利之處，單獨建設5G 2B行業(yè)專網，則能為行業(yè)用戶提供差異化的服務，進一步拓展5G業(yè)務領域。

運營商在通信網絡建設方面有著豐富的經驗和技術優(yōu)勢，可以滿足傳統(tǒng)業(yè)務及互聯(lián)網類用戶的基礎通信需求。如表1所示，行業(yè)或企業(yè)專網用戶主要集中在比大眾消費者對性能和安全要求比較高的行業(yè)[4]，例如工業(yè)生產、公共安全、交通運輸等，2C網絡不能滿足行業(yè)或企業(yè)專網用戶的多樣需求，尤其是在企業(yè)業(yè)務的靈活開通、按需服務等方面與2B網絡存在較大差距。

2B與2C業(yè)務對多個維度的差異性決定了2B網絡最好單獨建設，如圖1所示：

2B/2C網絡解耦分建，隔離了2B網絡的功能的快速迭代對2C網絡的影響，同時也簡化網絡規(guī)劃，維護界面清晰，故障定位迅速。當然，分建對無線有要求，需要無線側同時對接2B和2C兩張核心網[5]。5G 2B網絡技術實現(xiàn)規(guī)范化和標準化在3GPP中對應于NPN網絡解決方案。

2? ?3GPP NPN解決方案架構

NPN，即非公共網絡，是區(qū)別于電信運營商公網，為特定用戶/組織提供服務的網絡，在3GPP協(xié)議TS23.501的定義中，非公共網絡有以下兩種類型：

（1）獨立組網的NPN網絡SNPN（Stand-alone NPN，獨立專網），該網絡不依賴于公網（PLMN網絡），由SNPN運營商運營（非運營商的網絡，例如政府專網、企業(yè)專網）。

（2）非獨立組網的NPN網絡PNI-NPN（Public network integrated NPN，集成于公網的專網），該網絡依賴于公網（比如5G網絡），由傳統(tǒng)運營商運營[6]。

對于PNI-NPN，如果只使用 R15中定義的網絡切片[7]，則無法進行訪問控制，需要啟用CAG（Closed Access Group，受限訪問組）去阻止未授權終端接入[8]。

不論是SNPN還是PNI-NPN，NPN都可以實現(xiàn)端到端的資源隔離，為垂直行業(yè)或特定群體用戶提供專屬接入，限制非授權終端接入專屬基站或頻段，保障客戶通信資源獨享，所以NPN可以和行業(yè)應用比如工業(yè)互聯(lián)網進行很好的融合，并且可以為局域網（LAN，Local Area Network）業(yè)務提供支持，滿足一些企業(yè)、學校等園區(qū)對于可靠且穩(wěn)定的私有網絡需求。

2.1? SNPN技術解決方案

（1）SNPN解決方案架構

SNPN是基于5G獨立建設的專網，所以還是采用5G基本架構，但因SNPN網絡不依賴PLMN公網，SNPN 5G核心網和PLMN公網的5G和核心網之間不能進行互操作，為了保證SNPN UE能夠從SNPN接入PLMN，或者UE從PLMN 5G公網接入SNPN，SNPN重用了“Untrusted non-3GPP access”架構來保證專網UE可以通過SNPN的用戶面訪問PLMN 5G的業(yè)務，或者通過PLMN 5G的用戶面訪問SNPN的業(yè)務[9]，如圖2和圖3所示。

UE（User Equipment，用戶終端）從NPN側接入后直接在UE和NPN CN之間建立NPN PDU Sessions。UE上配置了公網N3IWF地址/域名，UE通過NPN PDU Sessions和公網N3IWF建立安全連接，UE在該連接內，向公網CN請求建立公網PDU session。UE和公網CN之間的PDN session的NAS信令和用戶數據，都是封裝在UE和通過NPN PDU Sessions和公網N3IWF建立安全連接。

UE從5G公網接入SNPN，訪問SNPN業(yè)務的架構，和上面類似。UE接入公網后需要建立公網PDU session。UE上配置了SNPN N3IWF地址/域名，UE通過公網PDU Sessions和SNPN N3IWF建立安全連接。UE在該連接內，向SNPN CN請求建立NPN PDU session。UE和NPN CN之間的NPN PDN session的NAS信令和用戶數據，都是封裝在UE和通過公網 PDU Sessions和SNPN N3IWF建立安全連接中。

在有無線覆蓋的前提下，選擇哪種接入方式，取決于UE實現(xiàn)或配置。事實上，如果UE是dual radio的，這兩種方式都可以采用。

（2）NPN方案關鍵技術

1）定義SNPN網絡標識

在3GPP R16中，協(xié)議定義了PLMN ID+NID（Net-work Identifier）作為SNPN網絡標識，這里的PLMN是5G網絡，用于SNPN的PLMN ID不需要是唯一的，保留給專用網絡使用的PLMN ID可以是通用值，比如（MCC）999。NID有2種分配模式：一種是自分配（Self-assignment），SNPN自己分配NID，但是有全球不唯一的風險;第二種方式是協(xié)同分配（Coordinated assignment），協(xié)同分配又包含兩種選項，NID全球唯一，或者PLMN ID + NID全球唯一[10]。

2）SNPN網絡標識的配置，廣播及網絡選擇

一個簽約了SNPN服務的UE需要支持SNPN Access

Mode，配置為SNPN Access Mode的UE只能通過SNPN接入網絡，而未配置為SNPN Access Mode的UE則可以執(zhí)行PLMN公網比如5G網絡選擇流程。其中SNPN Access Mode的配置方式（激活、去激活等）是由UE來實現(xiàn)的。UE配置相應的一個或多個由PLMN ID+NID組合標識的SNPN的簽約者標識符SUPI（Subscriber Identifier）和憑證，同時此簽約需要對應存儲在網絡簽約中。

在初始接入和小區(qū)重選過程中，NG-RAN通過SIB（System Information Block）消息為UE廣播小區(qū)駐留、重傳、鏈路建立等所需的若干參數，對SNPN網絡還需要廣播自身支持的所有的PLMN ID和每個PLMN ID相關聯(lián)的NID列表，配置了SNPN Access Mode的UE可以根據自己的配置PLMN ID+NID信息選擇可接入的SNPN小區(qū)，核心網根據UE的簽約信息對UE的身份進行鑒權。

4? ?結束語

通過對公專網2C、2B多方面的比較，5G 2B行業(yè)專網很有必要區(qū)分2C公網進行獨立建設，以支撐需求豐富的5G行業(yè)應用場景。5G 2B行業(yè)專網已經基本具備提供SNPN或PNI-NPN兩種專網建設方案的能力。

5G 2B行業(yè)專網切片B2B模式比垂直行業(yè)/企業(yè)專網更具有技術優(yōu)勢，并且切片的一網多用共享特性使得切片的成本更優(yōu)，5G 2B行業(yè)專網將逐步融合傳統(tǒng)專網，基于切片形成5G 2B行業(yè)專網與傳統(tǒng)專網的互補，充分結合雙方的優(yōu)勢，共同為行業(yè)用戶提供特定的高可靠和高安全性的定制化服務。

參考文獻：

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作者簡介

李立平（orcid.org/0000-0002-9236-5466）：工程師，碩士畢業(yè)于南京航空航天大學信息學院計算機應用與技術專業(yè)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司電信云與核心網產品線產品規(guī)劃總監(jiān)，發(fā)表論文及媒體專訪十多篇，獲專利十多項，研究方向為電信云及核心網組網方案和關鍵技術。

李振東：工程師，博士畢業(yè)于南京大學計算機系計算機軟件與理論專業(yè)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司無線經營部標準團隊高級標準預研工程師，獲專利三十多項，向3GPP國際標準提交提案超過200篇，研究方向為3GPP 5G標準制定。

方琰崴：高級工程師，碩士畢業(yè)于南京航空航天大學信息學院數字通信專業(yè)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司電信云與核心網產品線產品規(guī)劃總工、產品市場總監(jiān)，發(fā)表論文四十余篇，獲多項專利，研究方向為電信云與核心網的組網和關鍵技術。