基于5G的大中型企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

王曉曄，劉瑤，吳東

（嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院，湛江524048）

0 引言

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，特別是對(duì)于大中型企業(yè)由于其涉及范圍較大，信息數(shù)據(jù)較復(fù)雜多樣，因此在進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)主要在保證其安全性的前提下結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，同時(shí)要根據(jù)時(shí)代的發(fā)展進(jìn)行適當(dāng)創(chuàng)新，促使企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品、人員、制度、決策等資源可以得到充分的應(yīng)用，保證員工之間方便、快捷的通信以及實(shí)現(xiàn)資源及信息共享，在重點(diǎn)完善相關(guān)規(guī)劃的同時(shí)提高全面管理力度，不僅可以加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部管理工作，提高工作效率，同時(shí)為自身信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供更大的空間，從而為公司帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

1 大中型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求分析

由于大中型企業(yè)在發(fā)展過程中在使用企業(yè)網(wǎng)絡(luò)方面普遍存在幾大“痛點(diǎn)”：

一是企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求高，公網(wǎng)傳輸方案無法滿足企業(yè)需求；

二是有線網(wǎng)絡(luò)難以滿足柔性制造的需求，生產(chǎn)線靈活編組效率低下，產(chǎn)線切換周期長，制約產(chǎn)能；

三是Wi-Fi、RoLa等解決方案在穩(wěn)定性、可靠性上達(dá)不到工廠對(duì)帶寬、時(shí)延、穩(wěn)定性要求，AGV智能車和設(shè)備控制經(jīng)常出現(xiàn)故障。

為了解決大中型企業(yè)的大帶寬、低時(shí)延、高安全性要求的智能工業(yè)應(yīng)用需求，大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)必須滿足便捷、高速的特點(diǎn)，以提高企業(yè)內(nèi)部的信息反饋速度，提高辦公效率，滿足企業(yè)各職能部門和員工之間的信息交流、信息共享的基本要求；其次，現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)必須滿足辦公自動(dòng)化、管理自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以減少管理部門繁瑣復(fù)雜的管理工作，以提高企業(yè)管理工作效率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)辦公自動(dòng)化；最后大中型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還必須滿足企業(yè)信息資源的安全性、服務(wù)器工作的穩(wěn)定性，所以可靠性、安全性也是現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須滿足的基本要求，使得企業(yè)可以更好地把握市場(chǎng)機(jī)遇，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基本設(shè)計(jì)原則

2.1 大帶寬、低時(shí)延原則

在大中型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，為了滿足市場(chǎng)要求，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀采用前沿的高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和技術(shù)，構(gòu)建高可靠，大寬帶、低時(shí)延的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，以保證企業(yè)日常辦公和運(yùn)營的需求，并在短期的企業(yè)發(fā)展過程中所建設(shè)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)不被市場(chǎng)淘汰。同時(shí)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)，來實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，可以在企業(yè)內(nèi)部形成局域網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)，以保證信息安全性更高文件傳輸速度更快。

2.2 高安全性原則

大中型企業(yè)在發(fā)展過程中，網(wǎng)絡(luò)安全性是當(dāng)今最為關(guān)心的事情，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采取多種技術(shù)從內(nèi)部和外部同時(shí)控制用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的訪問。同時(shí)系統(tǒng)的性能指標(biāo)應(yīng)能滿足網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)處理能力的要求，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是可靠的、安全的。大中型企業(yè)在發(fā)展過程中隨著業(yè)務(wù)的快速擴(kuò)大，那么就需要企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必然隨之不斷擴(kuò)大，即要具備易管理、可擴(kuò)展的基本原則。在企業(yè)架構(gòu)發(fā)生明顯變化時(shí)，企業(yè)可以在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改革，降低后期維護(hù)成本使得企業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以獲得更大的收益。

3 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案詳細(xì)設(shè)計(jì)

下面是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，分別從整體方案、無線網(wǎng)方案、核心網(wǎng)方案、傳輸網(wǎng)方案四個(gè)方面闡述。

3.1 整體方案規(guī)劃

整體方案采用4.9G基站私有+5G SA核心網(wǎng)（控制面、用戶面）全私有構(gòu)建私有專用網(wǎng)絡(luò)，700M、2.6G+ToC核心網(wǎng)滿足公網(wǎng)需求。該方式私網(wǎng)與公網(wǎng)頻率物理隔離，安全性高。4.9G提供給企業(yè)建設(shè)私網(wǎng)，可以按照100M帶寬，在企業(yè)運(yùn)營過程中可按照企業(yè)實(shí)際需求靈活提供。私有核心網(wǎng)按照（控制面、用戶面）全功能方式建設(shè)。公網(wǎng)需求通過700M、2.6G基站+ToC核心網(wǎng)解決。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)劃如圖1所示。

圖1 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)劃

3.2 無線網(wǎng)方案

以有效覆蓋面積約5平方公里的一個(gè)企業(yè)園區(qū)為例，應(yīng)用需求為上行最大帶寬需求8400M，下行最大帶寬需求為1200M。通過容量計(jì)算企業(yè)所需要的基站總數(shù)，再根據(jù)基站站間距計(jì)算公式，得出基站分布落點(diǎn)圖。

基站站間距計(jì)算公式：

上式中，D表示站間距，Q表示面積；M表示基站個(gè)數(shù)。

4.9G+2.6G+700M：基站能力以上行：100Mbps，下行：780Mbps為標(biāo)準(zhǔn)。

該組網(wǎng)方案為，2.6G提供廣度覆蓋以及主力容量層；4.9G提供熱點(diǎn)區(qū)域容量補(bǔ)充；700M提供深度覆蓋以及廣度覆蓋；公網(wǎng)和私網(wǎng)流量，采用相同頻率承載，私網(wǎng)流量可考慮采用預(yù)留PRB方式滿足；多頻組網(wǎng)，取長補(bǔ)短，可作為競(jìng)對(duì)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)；站間距470m；按平均每個(gè)小區(qū)下行速率780Gbps，上行速率100Mbps，容納用戶數(shù)400個(gè)，為滿足容量以及覆蓋需求，需要建設(shè)28個(gè)基站共84個(gè)小區(qū)，如表1所示。

表1 組網(wǎng)方案

3.3 核心網(wǎng)方案

首先根據(jù)企業(yè)的具體情況可以分析企業(yè)的具體需求，例如：用戶規(guī)模方面，視頻監(jiān)控類900個(gè)，AR/VR交互類10個(gè)，設(shè)備數(shù)據(jù)采集類8000個(gè)，總并發(fā)量8910個(gè)；時(shí)延要求方面，視頻監(jiān)控類、AR/VR交互類對(duì)時(shí)延要求小于30ms；設(shè)備數(shù)據(jù)采集類對(duì)時(shí)延要求30-100ms；數(shù)據(jù)安全方面，要求數(shù)據(jù)不出園；云網(wǎng)融合業(yè)務(wù)需求方面，UPF流量需求上行8.4 Gbps、下行1.2 Gbps。

根據(jù)上述企業(yè)需求進(jìn)行需求分析，其組網(wǎng)模式為，要求數(shù)據(jù)不出園區(qū)、核心網(wǎng)私有，故需采取“尊享”的行業(yè)模式，為打造5G專網(wǎng)；時(shí)延方面，UPF下沉到數(shù)據(jù)中心機(jī)房，可將視頻監(jiān)控類、AR/VR交互類、設(shè)備數(shù)據(jù)采集類流量卸載至園區(qū)，時(shí)延進(jìn)一步縮短至30ms以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延，并確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全；容量規(guī)模方面，視頻監(jiān)控類，上行、下行最大帶寬為7.2Gbps，需要2臺(tái)50Gbps流量規(guī)格的專用UPF（2臺(tái)1+1主備，具備容災(zāi)功能）；AR/VR交互類，上行、下行最大帶寬為1.2Gbps，需要2臺(tái)5Gbps流量規(guī)格的專用UPF；設(shè)備數(shù)據(jù)采集類，上行、下行最大帶寬為0.8Gbps，需要2臺(tái)5Gbps流量規(guī)格的專用UPF；切片方面，視頻監(jiān)控類、AR/VR交互類，帶寬敏感，且時(shí)延需小于30ms，因此選用專享1切片；設(shè)備數(shù)據(jù)采集類，對(duì)帶寬不敏感，時(shí)延要求30-100ms，故選用優(yōu)享切片；容災(zāi)方案為，在企業(yè)園區(qū)的2個(gè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)3對(duì)MEC節(jié)點(diǎn)（UPF），1+1容災(zāi)組網(wǎng)，規(guī)劃三個(gè)切片，分別承載視頻監(jiān)控類、AR/VR交互類、設(shè)備數(shù)據(jù)采集類業(yè)務(wù)。

該園區(qū)組網(wǎng)建設(shè)方案為，在企業(yè)園區(qū)的2個(gè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)獨(dú)立5GC，滿足雙機(jī)房、電信級(jí)可靠性容災(zāi)組網(wǎng)要求，并支持前述三類業(yè)務(wù)切片，其中控制面網(wǎng)元切片共享，邊緣云MEC建設(shè)3對(duì)（不含控制面功能），1+1容災(zāi)組網(wǎng)。

建設(shè)內(nèi)容包括獨(dú)立建設(shè)一套5GC，含管理類網(wǎng)元（NRF/NSSF/EMS/VIM/VNFM/NFVO）各一套，含控制面網(wǎng)元（AMF/SMF/UDM/PCF/CHF）各一套；每個(gè)網(wǎng)元支持3萬用戶使用；包含一組EOR/TOR交換機(jī)、DC-GW路由器、網(wǎng)管和業(yè)務(wù)防火墻；視頻監(jiān)控類MEC1，支持1千個(gè)連接數(shù)，支持5G流量轉(zhuǎn)發(fā)，含配套組網(wǎng)設(shè)備（1對(duì)交換機(jī)，1臺(tái)硬件管理交換機(jī)、1對(duì)防火墻、1堆路由器）；設(shè)備數(shù)據(jù)采集類MEC1支持1000連接數(shù)，支持5G流量轉(zhuǎn)發(fā)，含配套組網(wǎng)設(shè)備（1對(duì)交換機(jī)，1對(duì)防火墻，1對(duì)路由器）。

該園區(qū)切片方案為規(guī)劃視頻監(jiān)控類、AR/VR交互類、設(shè)備數(shù)據(jù)采集類3個(gè)切片，每一個(gè)切片都可獲得獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源，適配各種類型的業(yè)務(wù)應(yīng)用，且各切片之間可相互隔離、互不影響。核心網(wǎng)切片方案如表2所示。

表2 核心網(wǎng)切片方案

3.4 傳輸網(wǎng)方案

傳輸網(wǎng)的組建除了前期企業(yè)園區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)管道的鋪設(shè)以及園區(qū)內(nèi)光交環(huán)的規(guī)劃（圖2），還需要完成的內(nèi)容主要如下：

圖2 傳輸網(wǎng)方案規(guī)劃圖

（1）宏站接入光纜建設(shè)：宏站采用CRAN接入方式。

（2）室分站點(diǎn)接入光纜建設(shè)：室分站點(diǎn)采用DRAN方式開通到樓光纜。

（3）機(jī)房間互聯(lián)光纜建設(shè)：完成中控室、數(shù)據(jù)中心機(jī)房1、數(shù)據(jù)中心機(jī)房2三個(gè)機(jī)房互聯(lián)。

（4）傳輸設(shè)備建設(shè)：宏站采用CRAN方式建設(shè)，每臺(tái)SPN980集中10個(gè)BBU；室分采用DRAN方式建設(shè)，每臺(tái)SPN970接入一臺(tái)BBU。為了組網(wǎng)的靈活性和安全性，在數(shù)據(jù)中心機(jī)房1和數(shù)中心機(jī)房2分別部署1臺(tái)SPN7900與核心網(wǎng)UPF、AMF進(jìn)行互聯(lián)。同時(shí)SPN接入層每臺(tái)設(shè)備均組環(huán)接入兩臺(tái)匯聚設(shè)備。

（5）傳輸業(yè)務(wù)機(jī)房建設(shè)：宏站采用CRAN方式建設(shè)，每個(gè)機(jī)房能集中10個(gè)BBU。

4 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的主要技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目是采用700MHz、2.6GHz、4.9GHz基站+5G SA核心網(wǎng)（控制面、用戶面）全私有方案的5G垂直行業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目。該方案以超高的性價(jià)比提供了更加靈活、安全的技術(shù)，此外可以保證信息網(wǎng)絡(luò)良好的運(yùn)行速度，可以進(jìn)行高速帶寬專用設(shè)置，在為新技術(shù)拓展、客戶服務(wù)提供支撐的同時(shí)，也可以有效提高網(wǎng)絡(luò)峰值時(shí)的操作效率。此外對(duì)于企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的安全問題需要根據(jù)企業(yè)在進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)建立一定的隔離方案，保證辦公網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的整體安全性。

5 結(jié)語

本文以一個(gè)大中型企業(yè)為研究對(duì)象，首先在開放性、性價(jià)比高以及科學(xué)的管理機(jī)制基礎(chǔ)下建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。其次采用4.9G基站私有+5G SA核心網(wǎng)（控制面、用戶面）全私有構(gòu)建私有專用網(wǎng)絡(luò)，700M、2.6G+ToC核心網(wǎng)滿足公網(wǎng)需求，為企業(yè)的未來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供更大的靈活空間，從而有效提高企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的使用范圍和使用年限，真正達(dá)到企業(yè)發(fā)展利益最大化的目的。