5G專網(wǎng)技術(shù)演進分析

吳 瓊，馬瑞濤（中國聯(lián)通研究院，北京 100176）

1 專網(wǎng)通信的發(fā)展

生活中用于固定電話和寬帶的網(wǎng)絡(luò)是公用交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN），人們用手機撥打電話，在網(wǎng)頁上瀏覽資訊，所借助的2G、3G、4G 和5G 的移動網(wǎng)絡(luò)叫公用陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN），這些都是服務(wù)于公眾用戶的公用網(wǎng)絡(luò)。

專網(wǎng)就是專用網(wǎng)絡(luò)，是相對于公用網(wǎng)絡(luò)而言，只在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，為特定用戶在組織、指揮、管理、生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)提供通信服務(wù)的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)。一般是某個行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，只為該系統(tǒng)服務(wù)。在實際應用中，專網(wǎng)通常服務(wù)于政府、軍隊、公安、能源、消防、軌道交通等部門或領(lǐng)域，大部分情況被用在應急通信、調(diào)度指揮。由于其性能可靠、可定制，使它在行業(yè)應用中具備不可替代的優(yōu)勢。

目前為止，我國專網(wǎng)通信大致經(jīng)歷了3 次發(fā)展。第1階段為自動選擇信道功能且能使用多種用戶共享資源的模擬集群系統(tǒng)；第2 階段為專網(wǎng)通信行業(yè)由模擬集群系統(tǒng)轉(zhuǎn)為數(shù)字集群通信系統(tǒng)，為特定行業(yè)使用；第3次為垂直行業(yè)用戶普遍可以使用的專用網(wǎng)絡(luò)。

回顧寬帶無線專網(wǎng)的發(fā)展，從“寬帶+對講”，到“2+4 寬窄融合”，再到“公專結(jié)合”，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，公眾移動網(wǎng)被無線專網(wǎng)廠商所詬病的時延、安全性、差異化的服務(wù)質(zhì)量等問題已不再是問題，而建設(shè)物理專網(wǎng)所面臨的建網(wǎng)成本、運營成本和終端問題始終是專網(wǎng)通信所面臨的重要問題。隨著行業(yè)需求的驅(qū)動和專網(wǎng)技術(shù)的演進，專網(wǎng)通信逐漸從原來的模擬化、數(shù)字化、業(yè)務(wù)單一，不斷向?qū)拵Щ?、移動化、多業(yè)務(wù)融合的方向發(fā)展，從傳統(tǒng)的窄帶集群通信向?qū)拵Ъ恨D(zhuǎn)變。

2 5G專網(wǎng)的優(yōu)勢和部署分析

3G、4G 時代無線通信網(wǎng)已經(jīng)開始在行業(yè)領(lǐng)域部署使用，但需要為行業(yè)用戶專門建設(shè)一套無線覆蓋系統(tǒng)，一套EPC 核心網(wǎng)，通過網(wǎng)口連接公網(wǎng)，使整個專網(wǎng)直接與外界進行通信。

由于3G、4G 網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)控制面和用戶面并未完全分離，導致3G、4G 時代的專網(wǎng)必須是無線和核心網(wǎng)都部署在園區(qū)，雖然安全和可靠性有保障，但是建設(shè)和維護成本較高，只能用在有特殊需求的行業(yè)，例如公安、鐵路等。由于3G、4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是由大量接口和與這些接口相連的網(wǎng)絡(luò)功能單元組成，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對固定，缺乏靈活性，無法有效支持大量差異化的垂直行業(yè)需求，所以3G、4G 時代的專網(wǎng)未能發(fā)展普及。

隨著5G 時代的到來，5G 作為新基建的重要組成部分，“5G+場景應用”的推廣將帶動信息消費快速增長。預計到2030 年，5G 帶動的直接產(chǎn)出和間接產(chǎn)出，將達到6.3萬億和10.6萬億。由于5G網(wǎng)絡(luò)自身的低時延、大帶寬和高可靠性，未來，工廠、園區(qū)、醫(yī)院、油田、電網(wǎng)、港口等各行各業(yè)都可能擁有專有網(wǎng)絡(luò)，利用5G實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升生產(chǎn)效率。

5G 時代的到來為各行業(yè)引入無線移動應用打開了新的出口。對于垂直行業(yè)應用有兩大特點：一方面應用場景極其豐富，另一方面，業(yè)務(wù)需求與公網(wǎng)存在較大差異，例如覆蓋區(qū)域、性能指標、安全隔離，有的需要高速率上行帶寬，有的需要“5 個9”的超低時延，有的需要物理網(wǎng)絡(luò)硬隔離等。這些需求對網(wǎng)絡(luò)性能要求很高，并具備差異化特征。

3 網(wǎng)絡(luò)切片+MEC構(gòu)建專網(wǎng)

隨著5G 技術(shù)的快速發(fā)展，5G 高速率、大帶寬、低時延、高可靠性能夠更好地滿足各垂直行業(yè)對可靠性、連接密度、QoS 和定位等方面高性能的要求。專網(wǎng)和公網(wǎng)將出現(xiàn)更加深度的融合，例如電信運營商可以基于5G技術(shù)切入專網(wǎng)，提供具有成本優(yōu)勢的行業(yè)應用解決方案，為專網(wǎng)的技術(shù)提升創(chuàng)造條件。

5G 和垂直行業(yè)的融合主要體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智慧化生活、數(shù)字化治理三大方向。一是智慧化生活方面，5G 支持4K/8K 超高清視頻、VR/AR、云游戲等文體娛樂業(yè)務(wù)，提供“不卡不頓不轉(zhuǎn)圈”的觀影體驗和“身臨其境”的沉浸式體驗；二是在數(shù)字化治理方面，5G給城市管理、照明、抄表、公共安全與應急處置等行業(yè)帶來新型智慧應用，提升社會治理能力和效率；三是在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化方面，5G 與工業(yè)、醫(yī)療、交通、金融等行業(yè)融合發(fā)展，融入到研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等環(huán)節(jié)，可滿足人、物、機器等各要素之間全連接，實現(xiàn)泛在深度互聯(lián)和個性化定制，使行業(yè)變得更加數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

3GPP 在R15 版本中已經(jīng)對網(wǎng)絡(luò)切片的基本功能和基本流程進行了定義，為早期的專網(wǎng)部署奠定了基礎(chǔ)。R15 階段的5G 專網(wǎng)有2 種部署方式：一是運營商通過切片技術(shù)，通過UPF 分流，將用戶的數(shù)據(jù)直接傳送到用戶的內(nèi)網(wǎng)；二是使用國家提供的專用5G 頻段，行業(yè)客戶自行建設(shè)5G專網(wǎng)。

為了降低5G 網(wǎng)絡(luò)時延而引入的邊緣計算，就是將5G網(wǎng)絡(luò)許多控制權(quán)限下放到網(wǎng)絡(luò)邊緣，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似一個局域網(wǎng)絡(luò)，這其實就是一種典型的專網(wǎng)設(shè)計。5G 的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，則主要針對不同的業(yè)務(wù)應用，進行網(wǎng)絡(luò)資源的切片化處理，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上也完全類似于一張張獨立的專網(wǎng)。對于需要數(shù)據(jù)速率保障的企業(yè)，他們將能夠通過公共網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)切片來執(zhí)行此操作。

圖1 給出了基于MEC 和網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)邏輯專網(wǎng)的示意。

3GPP雖然在R15中已經(jīng)確定了切片功能，從某種程度上來看，能夠部分達到非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN——Non-Public Network）所實現(xiàn)的效果。但遺憾的是，限于某些原因，切片只能在核心網(wǎng)側(cè)，這樣真正切片的意義和價值會下降。接入網(wǎng)完全是共享的，在很多特殊的環(huán)境下無法提供很好的服務(wù)。

圖1 基于MEC和網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)邏輯專網(wǎng)

4 NPN專網(wǎng)

5G 系統(tǒng)的R15 版本主要為公共用途而設(shè)計，但私有用途的5G網(wǎng)絡(luò)的部署引起了業(yè)界極大興趣，所以非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）的研究被納入3GPP R16版本。

如圖2 所示，在3GPP R16 標準研究中，NPN 被分為2類。

圖2 SNPN和PNI-NPN實現(xiàn)架構(gòu)圖

a）獨立的非公共網(wǎng)絡(luò)（SNPN——Stand-alone NPN），SNPN 不依賴網(wǎng)絡(luò)運營商的公共網(wǎng)絡(luò)提供的功能。一個SNPN 可以是一個隔離的不與PLMN 之間交互的NPN 網(wǎng)絡(luò)，NPN 和PLMN 可部署在不同的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上。

b）非獨立的非公共網(wǎng)絡(luò)（PNI-NPN——Public Network Integrated Non-Public Network），又稱公共網(wǎng)絡(luò)集成的非公共網(wǎng)絡(luò)，即在PLMN 支持下部署的NPN。PNI-NPN 可以完全或部分托管在PLMN 基礎(chǔ)設(shè)施上，依賴于一些網(wǎng)絡(luò)運營商的網(wǎng)絡(luò)功能。

4.1 SNPN的部署方式

SNPN 是基于5G 系統(tǒng)架構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，與公共網(wǎng)絡(luò)PLMN 完全分離。SNPN，即由NPN 運營商部署運營，不依賴PLMN 提供的網(wǎng)絡(luò)功能，使用PLMN ID +NID 唯一標識一個具體的獨立部署NPN 網(wǎng)絡(luò)，其中NID（Network identifier）可以本地分配，也可以全局分配。SNPN 網(wǎng)絡(luò)通過非可信的N3WIF 接入PLMN 網(wǎng)絡(luò)。

SNPN 的部署不依賴公網(wǎng)，行業(yè)用戶自己部署專網(wǎng)設(shè)備或者邀請運營商為其部署專網(wǎng)，行業(yè)用戶擁有專網(wǎng)所有權(quán)。具有專有頻譜的行業(yè)用戶或租用運營商頻譜的用戶可以使用此種部署方式，適合規(guī)模大的行業(yè)用戶。

SNPN部署具有如下優(yōu)點。

a）企業(yè)有獨立的5G網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)獨立運營或管理。

b）企業(yè)專網(wǎng)和公網(wǎng)物理隔離，企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，提供完整的數(shù)據(jù)安全。

c）超低時延：由于基站、5GC 和UPF 在園區(qū)部署，網(wǎng)絡(luò)延遲在ms級。

SNPN部署具有如下缺點。

a）部署成本：需要部署全套的5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，成本較高。

b）運維成本：需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)運維團隊進行維護。

c）互通性差：不支持和4G 網(wǎng)絡(luò)的互操作，不支持終端漫游。

4.2 PNI-NPN的部署方式

PNI-NPN 是通過PLMN 運營商提供的NPN 專用網(wǎng)絡(luò)，例如通過專用的DNNs 或通過為NPN 分配的1個（或多個）網(wǎng)絡(luò)切片實例，結(jié)合CAG（Closed Access Group）來實現(xiàn)。

PNI-NPN專網(wǎng)有4種建網(wǎng)模式。

a）運營商幫助行業(yè)客戶建立專網(wǎng)（包括無線網(wǎng)和核心網(wǎng)），使用運營商授權(quán)頻率。

b）行業(yè)客戶在園區(qū)只部署5G 核心網(wǎng)設(shè)備（5GC、UPF和MEC），專網(wǎng)和公網(wǎng)共享5G基站（公網(wǎng)和專網(wǎng)終端需配置2個PLMN）。

c）行業(yè)客戶在園區(qū)只部署核心網(wǎng)用戶面設(shè)備，專網(wǎng)和公網(wǎng)共享無線基站（公網(wǎng)和專網(wǎng)終端需配置2 個PLMN）及核心網(wǎng)控制面設(shè)備。

d）無線網(wǎng)和核心網(wǎng)完全共享（端到端網(wǎng)絡(luò)切片、公網(wǎng)和專網(wǎng)使用2個不同的切片）。

PNI-NPN網(wǎng)絡(luò)部署具有如下優(yōu)點。

a）部署成本：通過網(wǎng)絡(luò)切片為企業(yè)提供5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，部署成本低。

b）運維成本：由運營商統(tǒng)一運維，降低企業(yè)的運維成本和對人員的能力要求。

PNI-NPN網(wǎng)絡(luò)部署具有如下缺點。

a）數(shù)據(jù)安全：由于企業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)PLMN來進行傳輸，數(shù)據(jù)安全存在一定的風險。

b）業(yè)務(wù)時延：對于用戶面設(shè)備UPF 不下沉的部署場景，行業(yè)客戶的數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)的UPF 到企業(yè)內(nèi)部，網(wǎng)絡(luò)時延較長。

c）業(yè)務(wù)隔離性：對于通過網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)邏輯上隔離的部署方式，公網(wǎng)的擁塞或者故障仍然有可能影響企業(yè)專網(wǎng)的運行。

網(wǎng)絡(luò)切片為基于公共網(wǎng)絡(luò)的專網(wǎng)服務(wù)提供了可能，為中小企業(yè)開辟了新的網(wǎng)絡(luò)選擇。對于某些更注重數(shù)據(jù)安全的企業(yè)來說，他們不希望數(shù)據(jù)離開園區(qū)，希望擁有專用網(wǎng)絡(luò)而不是公共網(wǎng)絡(luò)上的切片，即使該切片是專用而不是共享的。對于不關(guān)心其服務(wù)是通過切片還是專用網(wǎng)絡(luò)提供的企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)切片可以提供企業(yè)所需的不同級別的隔離和資源需求。

對于數(shù)據(jù)需要駐留在園區(qū)的企業(yè)，需要部署一個專用網(wǎng)絡(luò)，在此網(wǎng)絡(luò)中，他們可以通過網(wǎng)絡(luò)切片部署不同的實例，因此切片也可以用作企業(yè)專網(wǎng)的一種工具。

4.3 專網(wǎng)的運營和管理模式分析

目前來看，不管是R15 的專網(wǎng)還是R16 的NPN 網(wǎng)絡(luò)，不管是SPN 還是PNI-NPN，行業(yè)客戶的專網(wǎng)運營主要有如表1所示的6種模式。

表1 專網(wǎng)運營模式

SNPN 主要面向企業(yè)和政府等機構(gòu)，與運營商的網(wǎng)絡(luò)是獨立的，用于特定機構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，公眾業(yè)務(wù)不能接入，無線頻譜也是獨立的，只有支持NPN 的終端才能接入NPN網(wǎng)絡(luò)。

由于SNPN 方式屬于政企專網(wǎng)，預計會有很多定制化需求，運營商可以與企業(yè)合作，幫助企業(yè)進行專網(wǎng)規(guī)劃、代維等，對于SPNP 領(lǐng)域，運營商不需要深入?yún)⑴c。

PNI-NPN 必須依賴運營商的網(wǎng)絡(luò)，利用運營商網(wǎng)絡(luò)的部分NF（如采用切片化網(wǎng)絡(luò)等），可以簡化NPN網(wǎng)絡(luò)的管理和部署。PNI-NPN 可發(fā)揮運營商自身的優(yōu)勢，做到客戶的強捆綁。

5 存在的困難和挑戰(zhàn)

從技術(shù)上來看，3GPP在R16中已經(jīng)對NPN網(wǎng)絡(luò)的基本框架以及與PLMN 的互通等做了定義，能夠滿足私有網(wǎng)絡(luò)的基本應用。在R17將對私網(wǎng)用戶的在線開戶、外部簽約和支持緊急業(yè)務(wù)等做進一步研究。

從運營上來看，運營商建設(shè)行業(yè)專網(wǎng)有著絕對優(yōu)勢，但是運營商拓展行業(yè)專網(wǎng)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是運營商2B 服務(wù)能力與垂直行業(yè)的需求對接尚需提升。

一是5G在垂直行業(yè)的應用面臨著需求難匹配、行業(yè)難對接、回報不確定等諸多問題，且目前的研究局限于通信行業(yè)內(nèi)，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的供需對接存在問題，需要盡快建立跨行業(yè)溝通平臺。

二是在終端側(cè)，目前雖已出現(xiàn)針對3GPP R15標準化的5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中仍缺乏5G終端設(shè)備，工業(yè)5G通信模組的研發(fā)有待加強。

三是5G時代電信運營商角色不斷演變，業(yè)務(wù)種類也變得豐富多彩。運營商除了需要提供5G 基礎(chǔ)設(shè)施和連接服務(wù)外，也應針對不同行業(yè)的需求積極探索多樣化的演進策略。