5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)能力提升與實(shí)踐

陸平/LU Ping，歐陽新志/OUYANG Xinzhi，高雯雯/GAO Wenwen

（中興通訊股份有限公司，中國深圳518057）

1 5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)逐浪前行

1.1 5G支撐產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

數(shù)字經(jīng)濟(jì)已上升為國家戰(zhàn)略，并成為拉動中國經(jīng)濟(jì)增長的重要引擎。發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)意義重大。數(shù)字經(jīng)濟(jì)是把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新機(jī)遇的戰(zhàn)略選擇。其中，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化是數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主戰(zhàn)場。作為新一代信息通信技術(shù)領(lǐng)域的引領(lǐng)性技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)是賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。

5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)5G行業(yè)融合發(fā)展的必由之路。5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)與傳統(tǒng)運(yùn)營技術(shù)（OT）的融合，可連通底層設(shè)備與企業(yè)信息“大腦”，提供高速率、高可靠、低時延的信息傳輸通道，有助于打通企業(yè)內(nèi)部信息縱向流通通道，構(gòu)建企業(yè)之間、企業(yè)與客戶之間的橫向數(shù)據(jù)傳輸通道。通過與大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)能夠有效使能行業(yè)應(yīng)用，推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)與行業(yè)的融合，助力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

習(xí)近平總書記多次做出重要指示，要求加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，豐富5G技術(shù)應(yīng)用場景。2021年7月，工業(yè)和信息化部會同中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會辦公室、國家發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合發(fā)布《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動計劃（2021—2023年）》（以下簡稱《行動計劃》）?！缎袆佑媱潯反_定了未來3年5G應(yīng)用的發(fā)展路徑，指明了前進(jìn)的新方向，同時部署了具體的新任務(wù)。

1.2 5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)的價值與現(xiàn)狀

實(shí)際上，諸多行業(yè)已經(jīng)借助以太網(wǎng)、Wi-Fi等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展多種生產(chǎn)、經(jīng)營等活動。在3G、4G時代，交通運(yùn)輸、鋼鐵、石化化工等領(lǐng)域早已使用專網(wǎng)。然而，傳統(tǒng)專網(wǎng)通信難以適用智慧交通、工業(yè)互聯(lián)等移動性強(qiáng)的場景，無法滿足多終端、大帶寬等網(wǎng)絡(luò)需求。在工業(yè)領(lǐng)域中，以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用存在工業(yè)協(xié)議不統(tǒng)一、布線繁復(fù)等問題。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性、移動性都相對較差，難以承載港口、礦山等復(fù)雜環(huán)境下的信息傳輸業(yè)務(wù)。

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營方面，企業(yè)希望在獲得網(wǎng)絡(luò)可管可控能力的前提下，進(jìn)一步降低5G網(wǎng)絡(luò)的使用成本，即在獲得5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營權(quán)的同時，降低企業(yè)自身的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本。5G虛擬專網(wǎng)基于公網(wǎng)資源進(jìn)行邏輯劃分，使部分網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)共享，并根據(jù)行業(yè)需求獨(dú)享部分網(wǎng)絡(luò)資源，從而降低5G網(wǎng)絡(luò)的使用和運(yùn)營成本。無論是各個垂直行業(yè)對傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)時延、安全性的高要求，還是降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營成本的迫切需求，均使得5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)成為當(dāng)下的最佳選擇。

據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計，截至2021年底，中國累計建成并開通的5G基站數(shù)量達(dá)到142.5萬個，5G終端連接數(shù)超過4.9億個。工業(yè)園區(qū)、港口和醫(yī)院等重點(diǎn)區(qū)域已建成的5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)數(shù)量超過2 300個。這些均加快了5G網(wǎng)絡(luò)體系的形成。

2 專網(wǎng)能力提升，促進(jìn)5G行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展

隨著5G網(wǎng)絡(luò)與行業(yè)應(yīng)用的不斷融合，重點(diǎn)行業(yè)和典型應(yīng)用場景逐步明確。然而，5G應(yīng)用要實(shí)現(xiàn)規(guī)模發(fā)展仍需要解決一些問題。目前，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與行業(yè)既有業(yè)務(wù)的融合仍處于初級階段。5G主要應(yīng)用于輔助生產(chǎn)類的業(yè)務(wù)和信息管理類業(yè)務(wù)，尚未實(shí)現(xiàn)行業(yè)核心業(yè)務(wù)的承載。滿足行業(yè)業(yè)務(wù)需求是所有融合工作的前提。

行業(yè)在引入5G時，主要考慮以下5個需求：（1）多域多類業(yè)務(wù)承載。5G網(wǎng)絡(luò)需要滿足企業(yè)園區(qū)內(nèi)廣域、局域場景下多類型業(yè)務(wù)的差異化網(wǎng)絡(luò)需求，如園區(qū)生產(chǎn)及管理業(yè)務(wù)、園區(qū)之間的通信等。（2）業(yè)務(wù)隔離和保障數(shù)據(jù)安全。5G網(wǎng)絡(luò)要能夠保障公網(wǎng)業(yè)務(wù)和企業(yè)業(yè)務(wù)安全隔離，使核心業(yè)務(wù)不出園區(qū)。（3）高可靠網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)要滿足企業(yè)的高可靠要求，提供連續(xù)性通信服務(wù)，保證生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率，降低由網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致的損失。（4）網(wǎng)絡(luò)專享并且建設(shè)成本足夠低。企業(yè)希望在網(wǎng)絡(luò)專享的前提下，盡量降低5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和使用成本。（5）簡單自主運(yùn)維5G網(wǎng)絡(luò)。企業(yè)希望擁有內(nèi)部5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營管理權(quán)和簡化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營運(yùn)維。

為滿足行業(yè)需求，中興通訊5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)主要從5個方面對面向企業(yè)（ToB）的網(wǎng)絡(luò)做專網(wǎng)能力提升，如圖1所示。（1）可靠性提升：根據(jù)行業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求，提供最高99.999%的網(wǎng)絡(luò)可靠性分級保障；（2）服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證：能夠進(jìn)一步滿足業(yè)務(wù)服務(wù)等級協(xié)議（SLA）要求，在滿足業(yè)務(wù)隔離需求的前提下，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)上行容量并減少全維度時延，實(shí)現(xiàn)核心生產(chǎn)業(yè)務(wù)承載；（3）互聯(lián)互通：滿足企業(yè)園區(qū)內(nèi)二層網(wǎng)絡(luò)的互通需求，同時園區(qū)內(nèi)的終端與后端服務(wù)器能實(shí)現(xiàn)互相訪問；（4）安全性提升：虛擬專網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)切片、非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）、接入認(rèn)證增強(qiáng)等多種手段實(shí)現(xiàn)園區(qū)業(yè)務(wù)的安全隔離和獨(dú)立傳輸；（5）易運(yùn)維：提供簡單運(yùn)維服務(wù)能力，開放企業(yè)自服務(wù)門戶，將5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)修改統(tǒng)一提供給行業(yè)用戶，使得行業(yè)用戶能自主、便捷地管理園區(qū)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 中興通訊5G專網(wǎng)能力提升

2.1 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性，保障端到端高可靠傳輸

出于生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率的考慮，企業(yè)要求網(wǎng)絡(luò)能夠提供不中斷的服務(wù)。即使出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，在故障后網(wǎng)絡(luò)也能夠快速恢復(fù)，并使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、安全地傳輸。本文將從系統(tǒng)組網(wǎng)可靠性和業(yè)務(wù)可用性兩個維度來討論網(wǎng)絡(luò)可靠性提升的技術(shù)手段。

（1）系統(tǒng)組網(wǎng)可靠性

基于雙客戶前置設(shè)備（CPE）的鏈路冗余、無線雙連接冗余和端到端雙會話冗余，能夠建立端到端雙重連接，即建立兩個獨(dú)立、冗余的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會話。但是并聯(lián)鏈路的冗余將大大消耗系統(tǒng)資源并增加系統(tǒng)成本，僅適用于那些需要最高級別保證端到端業(yè)務(wù)的場景。

結(jié)合接入路由器（AR）雙發(fā)選收功能，當(dāng)某條鏈路出現(xiàn)異常時，基于雙CPE的鏈路冗余可以無縫切換到另一條鏈路上，無須重新建立握手，即可實(shí)時計算鏈路的往返時間（RTT）值，從而選擇最低時延的鏈路。這保證了控制指令下達(dá)的實(shí)時性和可靠性。

無線雙連接冗余通過主備基站與同一個用戶面功能網(wǎng)元（UPF）進(jìn)行相連。PDU會話中的QoS流冗余傳輸由會話管理功能網(wǎng)元（SMF）來決定。

端到端雙會話冗余是基于N3接口的冗余傳輸實(shí)現(xiàn)的。5G無線接入網(wǎng)（NG-RAN）復(fù)制上行數(shù)據(jù)包，并通過兩條冗余鏈路（N3接口）通道發(fā)送不同的UPF。這些UPF將與同一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN）相連接。

針對礦區(qū)、園區(qū)等公網(wǎng)專用的場景，我們可以通過部署基站級算力引擎（NodeEngine）或極簡行業(yè)5G核心網(wǎng)（5GC），來開通業(yè)務(wù)斷鏈保活功能，保障企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的高可用性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)斷業(yè)不斷”。

在部署NodeEngine后，當(dāng)N2、N3斷鏈時，在線業(yè)務(wù)流仍可保持24 h不斷開。在極簡行業(yè)5GC的實(shí)際部署中，我們可以選擇僅將UPF下沉，也可以選擇將5GC整體下沉。在僅將UPF下沉的情況下，當(dāng)N2、N4接口斷鏈時，本地UPF與基站仍保持連接，同時在線業(yè)務(wù)流也可保持24 h不斷開；在5GC整體下沉的情況下，當(dāng)N2、N4斷鏈時，系統(tǒng)將自動切換到5GC應(yīng)急備份控制面，同時終端可重連至5GC并快速恢復(fù)業(yè)務(wù)。

（2）業(yè)務(wù)可用性

分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）復(fù)制是指，在載波聚合和雙連接場景下，對PDCP層數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制（包括傳輸和增強(qiáng)）。PDCP實(shí)體在兩個無線鏈路上傳輸相同的數(shù)據(jù)，以消除無線環(huán)境惡化帶來的影響。

在相同的信道條件下，高可靠調(diào)制與編碼策略（MCS）表格的自適應(yīng)編碼調(diào)制更保守。通過更低的調(diào)制階數(shù)和編碼率，MCS可提高業(yè)務(wù)的抗干擾能力，降低誤碼率，增強(qiáng)空口信道的容錯性。

2.2 提升業(yè)務(wù)SLA保證，服務(wù)企業(yè)核心生產(chǎn)域

為了深化5G與行業(yè)應(yīng)用的融合，5G網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步承載企業(yè)核心生產(chǎn)業(yè)務(wù)。這將對上行帶寬、網(wǎng)絡(luò)時延等SLA指標(biāo)提出更高的要求。在保證業(yè)務(wù)隔離的前提下，虛擬專網(wǎng)對上行容量和網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行優(yōu)化，以滿足不同生產(chǎn)業(yè)務(wù)的承載需求。

（1）資源預(yù)留和保障

除了基于5QI資源保障的邏輯軟切片外，虛擬專網(wǎng)還可以通過物理資源塊（PRB）預(yù)留的硬切片實(shí)現(xiàn)資源保障。PRB可以按需采取專用預(yù)留、優(yōu)先預(yù)留、共享模式進(jìn)行資源劃分，以滿足行業(yè)用戶的差異化SLA需求。

（2）上行容量增強(qiáng)

企業(yè)園區(qū)會涉及視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺、可編程邏輯控制器（PLC）遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用，需要獲取高清圖像視頻數(shù)據(jù)。這對上行容量有更高的要求。5G上行容量的增強(qiáng)技術(shù)主要包括以下幾個方面。

在一些特殊場景，如封閉隔離的礦山或4.9 GHz專網(wǎng)場景，引入1D3U幀結(jié)構(gòu)，可大大提升頻譜上行占比，從而使上行容量得到提升。

局域的4.9 GHz頻段、毫米波頻段覆蓋，有助于提升行業(yè)室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)容量。文獻(xiàn)[5]對4.9 GHz頻段的上下行容量進(jìn)行了分析。在鞍鋼集團(tuán)智慧煉鋼的應(yīng)用中，上行帶寬高達(dá)750 Mbit/s。由于毫米波頻段能提供更大的信號帶寬，因此在超高容量區(qū)域中，我們可以增加毫米波站點(diǎn)的吸收容量。

此外，針對室內(nèi)小站密集部署的場景，超級多輸入多輸出（SuperMIMO）小區(qū)+空分多用戶多輸入多輸出（MUMIMO）技術(shù)結(jié)合，能夠發(fā)揮分布式天線的優(yōu)勢。這種組合技術(shù)能根據(jù)用戶設(shè)備（UE）分布位置進(jìn)行多UE空分配對，可實(shí)現(xiàn)資源復(fù)用，在解決干擾問題同時提升小區(qū)容量。

（3）網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)化

遠(yuǎn)程控制、電網(wǎng)差動保護(hù)等低時延、高可靠業(yè)務(wù)對時延有極高的要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時延SLA保證。當(dāng)行業(yè)用戶要求端到端時延小于20 ms時，我們可以通過以下技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

頻分雙工（FDD）頻段可重耕為新空口（NR），并在疊加Mini-Slot幀結(jié)構(gòu)或1 ms單周期DS幀結(jié)構(gòu)（D表示全下行時隙，S則包含保護(hù)間隔和上下行轉(zhuǎn)換符號）后，使空口時延進(jìn)一步降低。此時，超可靠低時延通信（URLLC）將占用增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）的部分時頻資源，以保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)的低時延傳輸。

智能預(yù)調(diào)度功能使得基站在發(fā)送下行數(shù)據(jù)時主動觸發(fā)上行預(yù)調(diào)度，加快上行傳輸反饋信息的發(fā)送速度，從而降低整體數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。使用小的上行調(diào)度請求（SR）周期，可減少終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)的時間間隔，從而達(dá)到降低時延的目的。

混合自動重傳請求（HARQ）反饋允許系統(tǒng)在一個時隙內(nèi)的多個物理上行鏈路控制信道（PUCCH）上反饋混合自動重傳請求確認(rèn)（HARQ-ACK），降低了最大時延和丟包率。

此外，保守調(diào)度將有助于避免引入重傳。即使發(fā)生重傳，系統(tǒng)也可以通過降低MCS階數(shù)，來提升重傳接收的準(zhǔn)確率。

2.3 打通園區(qū)二層通信，滿足行業(yè)應(yīng)用需求

企業(yè)園區(qū)內(nèi)終端之間、服務(wù)器與終端之間均需要打通二層網(wǎng)絡(luò)通信，以實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)的互聯(lián)互通，為實(shí)現(xiàn)園區(qū)核心生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)條件。園區(qū)之間的二層通信有助于實(shí)現(xiàn)園區(qū)之間的業(yè)務(wù)協(xié)同，如智慧物流、供應(yīng)鏈協(xié)同等。

NodeEngine的eBridge服務(wù)功能可以為終端與終端之間、園區(qū)業(yè)務(wù)服務(wù)器與終端之間建立一條不受移動網(wǎng)內(nèi)部地址變化影響的通信路徑。在不改變終端原有配置和工作機(jī)制的前提下，替代園區(qū)有線/Wi-Fi內(nèi)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)終端與園區(qū)服務(wù)之間的互訪、園區(qū)專網(wǎng)內(nèi)不同終端之間的互通訪問。

5G局域網(wǎng)（LAN）廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)場景，如PLC遠(yuǎn)控、機(jī)器視覺、電網(wǎng)差動保護(hù)等。這種網(wǎng)絡(luò)可滿足企業(yè)多園區(qū)子網(wǎng)隔離、跨域私網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)程終端接入內(nèi)網(wǎng)等需求。5G LAN能夠?qū)崿F(xiàn)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的融合組網(wǎng)和無損改造。

2.4 提高業(yè)務(wù)安全性，免除行業(yè)后顧之憂

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全將受到更多威脅。數(shù)據(jù)丟失、損壞或泄露，都會給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)绊懫髽I(yè)的生存。安全是行業(yè)引入5G的前提。虛擬專網(wǎng)將通過NPN專網(wǎng)、接入認(rèn)證增強(qiáng)來進(jìn)一步保障企業(yè)業(yè)務(wù)安全。

（1）基于閉合接入組（CAG）的NPN專網(wǎng)

公網(wǎng)集成的非公共網(wǎng)絡(luò)（PNI-NPN）是基于網(wǎng)絡(luò)切片+CAG的專用網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營商共享無線接入網(wǎng)（RAN）、頻譜和核心網(wǎng)的控制面，甚至整個核心網(wǎng)。

UE負(fù)責(zé)簽約CAG，并完成CAG信息的配置。基站小區(qū)廣播CAG指示和它所支持的CAG身份標(biāo)識（ID）列表。接入管理功能（AMF）則根據(jù)小區(qū)CAG能力和UE的CAG簽約來判斷UE的接入控制和移動性管理。

（2）基于二次鑒權(quán)的接入認(rèn)證增強(qiáng)

5G網(wǎng)絡(luò)的二次鑒權(quán)會涉及終端、AMF和SMF。在發(fā)起PDU會話建立的請求消息中，終端會把與鑒權(quán)相關(guān)的參數(shù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)側(cè)的AMF。隨后，AMF會對終端接入和移動過程進(jìn)行管理，并與終端進(jìn)行對應(yīng)的控制信令交互，同時起到網(wǎng)絡(luò)附屬存儲（NAS）信令中轉(zhuǎn)站的作用。SMF與終端進(jìn)行NAS層的信令交互。NAS信令從UE獲取二次鑒權(quán)所需的所有信息，從而發(fā)起與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證授權(quán)計費(fèi)（DN-AAA）服務(wù)器之間的認(rèn)證過程。如果這些信息是正確的，那么在DNAAA服務(wù)器返回認(rèn)證成功的結(jié)果以后，SMF會把該認(rèn)證成功的結(jié)果再次反饋給終端。

2.5 簡化行業(yè)運(yùn)維，賦能企業(yè)自運(yùn)維

行業(yè)用戶希望擁有企業(yè)內(nèi)部5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營管理權(quán)，支持5G網(wǎng)絡(luò)的可視、可管、可控，既能自主開戶，查看網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備的狀態(tài)，也能根據(jù)不同業(yè)務(wù)要求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以最大限度地保證企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性。在5G網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)用戶自運(yùn)維方面，中興通訊提供端到端QoS監(jiān)測和ToBeEasy行業(yè)統(tǒng)一運(yùn)維兩種運(yùn)維輔助手段，以降低企業(yè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的難度和成本。

（1）端到端QoS監(jiān)測

行業(yè)應(yīng)用通過能力開放平臺下發(fā)端到端SLA測量請求。UPF和基站根據(jù)標(biāo)記的時間戳來分別計算核心網(wǎng)側(cè)時延和空口時延，并將測量結(jié)果通過能力開放平臺上報給行業(yè)應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)編排與管理系統(tǒng)（UME）。在網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)上線后，端到端QoS監(jiān)測將持續(xù)提供網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化服務(wù)，支持SLA可視、可管、可控。

（2）ToBeEasy行業(yè)統(tǒng)一運(yùn)維

如圖2所示，ToBeEasy行業(yè)統(tǒng)一運(yùn)維包括ElasticNet UME R88專業(yè)集中運(yùn)維系統(tǒng)、ElasticNet產(chǎn)業(yè)數(shù)字操作系統(tǒng)（IDOS）企業(yè)運(yùn)維門戶、ZXeLMT本地運(yùn)維工具、端到端定界定位方案以及其他網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)工具箱。這些能力組合應(yīng)用可以為各種ToB場景提供匹配度最高的管理維護(hù)方案。

圖2 ToBeEasy行業(yè)統(tǒng)一運(yùn)維

基于云原生技術(shù)，IDOS企業(yè)運(yùn)維門戶面向企業(yè)連接業(yè)務(wù)，采用業(yè)務(wù)、連接、切片、終端、專業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及行業(yè)應(yīng)用程序（APP）等多種運(yùn)維方式剖析網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測業(yè)務(wù)健康度和SLA指標(biāo)劣化趨勢，提前預(yù)測風(fēng)險，保障ToB園區(qū)業(yè)務(wù)連接的正常運(yùn)行，并用信息技術(shù)（IT）化服務(wù)的方式為運(yùn)營商和企業(yè)提供直觀、簡單、智能的運(yùn)維和能力開放服務(wù)。IDOS運(yùn)維門戶主要部署在園區(qū)內(nèi)部。

3 5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)的實(shí)踐

自5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)商用兩年以來，在行業(yè)應(yīng)用方面，基礎(chǔ)電信企業(yè)和垂直行業(yè)企業(yè)共同探索5G應(yīng)用試點(diǎn)，并在冶金、港口、礦山、電力等重點(diǎn)行業(yè)進(jìn)行了5G應(yīng)用的技術(shù)和場景驗(yàn)證。中興通訊總結(jié)行業(yè)應(yīng)用落地交付階段的問題與經(jīng)驗(yàn)，對5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)能力和技術(shù)體系進(jìn)行補(bǔ)充和完善，進(jìn)一步指導(dǎo)其他試點(diǎn)應(yīng)用，推動5G行業(yè)應(yīng)用形成規(guī)模復(fù)制的發(fā)展態(tài)勢。

3.1 特殊場景覆蓋優(yōu)化

隨著無線環(huán)境的日益復(fù)雜、5G行業(yè)應(yīng)用場景的持續(xù)豐富以及用戶需求的不斷提升，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不斷面臨新的挑戰(zhàn)。通過細(xì)分場景和需求，虛擬專網(wǎng)靈活采用多種方式實(shí)現(xiàn)覆蓋，可滿足特殊場景的覆蓋，如低空、礦山井下、近海海面等。這大大拓展了5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。

（1）低空覆蓋

隨著民用無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)在安防、電力、氣象、石油管線巡查、應(yīng)急通信、野生動物保護(hù)等領(lǐng)域均產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。利用5G網(wǎng)絡(luò)為無人機(jī)提供數(shù)據(jù)鏈路，可構(gòu)建低空覆蓋網(wǎng)絡(luò)，將極大提升無人機(jī)的服務(wù)能力，豐富相關(guān)應(yīng)用場景。

基于大規(guī)模天線陣列的數(shù)據(jù)聯(lián)合接收和發(fā)送，低空場景使用主波束完成面向地面用戶的覆蓋，并使用波束旁瓣在垂直維度完成低空區(qū)域覆蓋，形成低空-地面一體的立體覆蓋能力。

在天津港項目中，無人機(jī)在北港池海域上空進(jìn)行大范圍巡航，整個航線長度約20 km。在5G低空覆蓋的場景下，通過內(nèi)嵌5G模組，無人機(jī)拍攝的4K高清視頻可以直接通過5G網(wǎng)絡(luò)來傳輸。在該項目中，無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了低時延下的廣域飛行、視頻實(shí)時回傳、狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測等。該項目使用3臺無人機(jī)，在中國聯(lián)通的3.5 GHz頻段下，采用廣播波束單邊帶（SSB）1+X覆蓋方案，實(shí)現(xiàn)了整個北港池區(qū)域的覆蓋。無人機(jī)飛行高度為120 m，數(shù)據(jù)傳輸速率為48 Mbit/s。根據(jù)覆蓋要求，我們進(jìn)行鏈路預(yù)算，并結(jié)合地對空的傳播模型，進(jìn)行站點(diǎn)規(guī)劃。

在該項目中，建立單個站點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)整個北港池的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。該項目采用基站天線掛高，以及廣播波束SSB 1+X天線方案，即1個水平寬波束和X個垂直波束旁瓣（X={1,2,3,4}）。這種方案使用最少的水平SSB波束和按需垂直波束實(shí)現(xiàn)了三維全空間覆蓋，可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的各種場景。在水平覆蓋方面，我們針對時域輪發(fā)的特點(diǎn)，為不同小區(qū)配置不同的SSB波束，以錯開鄰區(qū)之間SSB波束的發(fā)送時間，從而規(guī)避鄰區(qū)之間的干擾；在垂直覆蓋方面，根據(jù)覆蓋需求，我們使用更多的波束來實(shí)現(xiàn)空間覆蓋，從而達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)覆蓋的效果。SSB功率增強(qiáng)功能可以提升水平波束的增益能力，使SSB 1波束增益提高6 dBm。因此，水平SSB 1波束與水平SSB 8波束覆蓋相當(dāng)，同時預(yù)留出更多波束的位置以用于垂直覆蓋。仿真測試表明，滿足上行速率要求的覆蓋百分比為97.94%，滿足相關(guān)設(shè)計要求。

（2）超遠(yuǎn)覆蓋

超遠(yuǎn)覆蓋可實(shí)現(xiàn)大于普通宏站的大范圍覆蓋，覆蓋半徑范圍為15～100 km。相關(guān)應(yīng)用場景包括海面、沙漠、農(nóng)村、草原、港口等。超遠(yuǎn)覆蓋主要解決兩大問題：覆蓋距離和終端正常接入。

超遠(yuǎn)覆蓋的覆蓋距離主要體現(xiàn)在視距傳播場景中，其有效覆蓋范圍取決于多種因素：頻段、傳播模型、天線高度、基站功率、天線選型等。頻段越低，天線海拔高度越高，基站功率就越大，小區(qū)覆蓋距離也就越遠(yuǎn)。

超遠(yuǎn)距離無線覆蓋的目標(biāo)是保證覆蓋范圍內(nèi)的終端能夠正常接入網(wǎng)絡(luò)。在電磁波速率確定的條件下，覆蓋距離越遠(yuǎn)，無線信號傳播的時延就越大，無線覆蓋的蜂窩小區(qū)所能夠容忍的傳播時延也就越大。根據(jù)第3代合作伙伴計劃（3GPP）協(xié)議，超遠(yuǎn)覆蓋適合采用長序列（序列長度為839）的物理隨機(jī)接入信道（PRACH）格式。這是因?yàn)檫@種格式中的循環(huán)前綴（CP）和保護(hù)間隔（GP）時延更長，即在接入階段小區(qū)所能容忍的時延更長。

在福建移動海域覆蓋項目中，我們采用移動700 MHz的PRACH Format 1格式，使接入距離長達(dá)100 km；在天線選用上，采用高增益平板天線和透鏡天線；在站址選擇上，優(yōu)先考慮高海拔站點(diǎn)。海面?zhèn)鞑ツＰ鸵筇炀€掛高與覆蓋目標(biāo)之間有良好的無線傳播環(huán)境。目前，移動700 MHz的頻段雖然實(shí)現(xiàn)了海面超遠(yuǎn)覆蓋，但是仍存在同頻連續(xù)組網(wǎng)小區(qū)間干擾、超遠(yuǎn)覆蓋站點(diǎn)對內(nèi)陸同頻公網(wǎng)干擾等問題。因此，相關(guān)方案需要做進(jìn)一步驗(yàn)證與優(yōu)化。

（3）礦山井下巷道覆蓋

井下巷道是一個狹長并且封閉的空間，巷道寬度、高度不一，空間受限嚴(yán)重，無線傳播環(huán)境復(fù)雜。針對這種典型的線狀覆蓋場景，我們在每個5G皮基站的左右兩個方向上分別布置一個定向天線。井下基站的覆蓋半徑會隨著頻段選擇、巷道環(huán)境、業(yè)務(wù)要求的不同而發(fā)生變化。一般來說，2.6 GHz/3.5 GHz的覆蓋半徑范圍為100～300 m。與之相比，700 MHz頻段的覆蓋范圍更廣，建站成本更低，繞射能力和穿透能力更強(qiáng)，在相同發(fā)射功率下信號傳輸效率高、損耗小，適用于井下粉塵大、電磁信號干擾強(qiáng)、金屬設(shè)備多的場景。在中煤大海則煤礦項目中，中興通訊與合作伙伴首次把700 MHz頻段引入井下，實(shí)現(xiàn)了700 MHz和2.6 GHz的混合組網(wǎng)和全礦井的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。測試表明，700 MHz的覆蓋半徑是2.6 GHz/3.5 GHz的3～4倍。

3.2 視頻業(yè)務(wù)卡頓問題優(yōu)化

視頻業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、抖動等SLA指標(biāo)有一定的要求。在項目實(shí)施過程中，多個項目現(xiàn)場出現(xiàn)了視頻卡頓的情況。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有3種。（a）網(wǎng)絡(luò)抖動：網(wǎng)絡(luò)抖動會導(dǎo)致客戶端收到的數(shù)據(jù)時間忽長忽短，同時那些不允許在客戶端進(jìn)行緩存的高實(shí)時性業(yè)務(wù)也會放大網(wǎng)絡(luò)抖動產(chǎn)生的影響。（b）網(wǎng)絡(luò)丟包：視頻數(shù)據(jù)在傳輸過程中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。例如，當(dāng)用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）突發(fā)的高帶寬超過網(wǎng)絡(luò)傳輸門限時，系統(tǒng)在解碼時無法將幀數(shù)據(jù)還原，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包。（c）帶寬不足：當(dāng)視頻播放數(shù)據(jù)所需的帶寬大于實(shí)際帶寬時，客戶端需要等數(shù)據(jù)完成緩沖以后再進(jìn)行播放，從而造成業(yè)務(wù)卡頓。

下面我們以天津港視頻回傳和岸橋遠(yuǎn)控業(yè)務(wù)為例，分析當(dāng)多路視頻I幀沖突和最大傳輸單元（MTU）超過1 398時亂序被引入的情況。

（1）多路視頻I幀沖突

網(wǎng)絡(luò)攝像頭在傳輸數(shù)據(jù)時會進(jìn)入突發(fā)模式。當(dāng)多路攝像頭在同一個網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，同一時刻可能會有多個攝像頭的I幀并發(fā)傳輸。單個攝像頭需要4 Mbit/s的帶寬，I幀大小約為150 kB。當(dāng)同時有48路攝像頭接入的時候，就有可能發(fā)生5路I幀碰撞。短時帶寬約為301 Mbit/s，5路I幀有750 kB。這種尖峰的UDP流量在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時除了會造成擁塞以外，還會在缺少緩存的點(diǎn)位上產(chǎn)生丟包。

為解決上述問題，我們首先考慮降低攝像頭端的數(shù)據(jù)量，即通過調(diào)整攝像頭端的相關(guān)參數(shù)來降低網(wǎng)絡(luò)需求；其次在中間設(shè)備中增加緩存，以緩沖突發(fā)流量，避免丟包，同時“熨平”流量波動；最后對無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行擴(kuò)容，以提升帶寬門限。

在天津港岸橋遠(yuǎn)程控制場景中，岸橋上所有攝像頭的數(shù)據(jù)都需要通過CPE統(tǒng)一上傳。前端交換機(jī)、eBridge類似于網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，會將所有處理后的數(shù)據(jù)包線速轉(zhuǎn)發(fā)到后端。這里的緩沖點(diǎn)是流量上行的匯聚點(diǎn)，它承載著非常大的數(shù)據(jù)壓力，能夠在CPE側(cè)應(yīng)對大流量沖擊。

（2）MTU值超過1 398而引入亂序

在網(wǎng)絡(luò)傳輸中造成視頻卡頓的另一原因是，網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包的包長超過了獨(dú)立網(wǎng)元的MTU。當(dāng)包長超過MTU時，路由設(shè)備會對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行分片或者丟棄處理。

在天津港項目中，主要業(yè)務(wù)消息的終端MTU值超過了1 398。當(dāng)項目現(xiàn)場采用傳輸控制協(xié)議（TCP）來傳輸視頻業(yè)務(wù)時，服務(wù)端出現(xiàn)了明顯的業(yè)務(wù)卡頓現(xiàn)象。經(jīng)抓包確認(rèn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是網(wǎng)絡(luò)中存在數(shù)據(jù)亂序。當(dāng)終端側(cè)MTU值為1 398時，數(shù)據(jù)包傳輸eBridge將增加44字節(jié)頭+14字節(jié)MAC，無線將增加44字節(jié)。此時，無線側(cè)MTU值則為1 500。因此，路由設(shè)備會對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行分片或丟棄處理。

對此，我們可以通過修改網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑上各個節(jié)點(diǎn)的MTU值，包括CPE側(cè)MTU、無線側(cè)MTU、核心網(wǎng)UPF的MTU等，來保證大數(shù)據(jù)包的通行，從而避免分片或者丟包。

3.3 PLC業(yè)務(wù)操控中斷問題優(yōu)化

PLC業(yè)務(wù)的高度實(shí)時性處理和相關(guān)編程模型，均要求數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸精確到單個數(shù)據(jù)包。在多個工業(yè)項目中，出現(xiàn)了PLC業(yè)務(wù)操控中斷的問題。對此，我們可以從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線參數(shù)、PLC程序等方面進(jìn)行優(yōu)化。

以天津港岸橋遠(yuǎn)控PLC業(yè)務(wù)為例，PLC鏈路經(jīng)常出現(xiàn)業(yè)務(wù)斷鏈的情況。在無線通信情況下，對業(yè)務(wù)影響最大的是人機(jī)接口（HMI）主動斷鏈。在HMI主動斷開鏈接以后，系統(tǒng)會先等待2 060 ms再重新發(fā)起建鏈請求。由于在中間這段時間里鏈路上不會有數(shù)據(jù)傳輸存在，所以一旦出現(xiàn)這種情況，在HMI服務(wù)端上的心跳監(jiān)測界面就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變。

通過分析HMI斷鏈的數(shù)據(jù)包，我們梳理了4種場景：岸橋PLC數(shù)據(jù)包未同時到達(dá)服務(wù)端、數(shù)據(jù)包到達(dá)服務(wù)端但出現(xiàn)亂序丟包、同時發(fā)送的數(shù)據(jù)包未同時到達(dá)服務(wù)器、上行數(shù)據(jù)丟包重傳后業(yè)務(wù)無法恢復(fù)。

對此，我們可以借助多種技術(shù)手段來解決PLC操控中斷問題。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，PLC數(shù)據(jù)的傳輸方式由與視頻傳輸共用CPE變?yōu)楠?dú)立使用CPE。在無線參數(shù)調(diào)整方面，我們在PLC數(shù)據(jù)無線側(cè)提升QoS保障，同時PLC SIM卡配置的5QI為6，普通用戶5QI為9。此外，我們也可以對PLC程序做優(yōu)化處理，調(diào)整MTU值，即把原先的1 436調(diào)整為1 380。借助以上手段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以最大限度地避免PLC鏈路出現(xiàn)業(yè)務(wù)斷鏈現(xiàn)象。

3.4 基于二層隧道協(xié)議（L2TP）實(shí)現(xiàn)5G CPE下多終端與服務(wù)端的雙向互通

在使用5G網(wǎng)絡(luò)替代原本的有線接入時，企業(yè)需要解決終端之間雙向互通訪問的關(guān)鍵問題。在5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）的環(huán)境下，基于L2TP實(shí)現(xiàn)虛擬專有撥號網(wǎng)絡(luò)（VPDN）雙向路徑的業(yè)務(wù)互通，可同時避免5GC開啟用戶靜態(tài)簽約服務(wù)，為現(xiàn)場應(yīng)用提供可行方案。這不僅簡化了系統(tǒng)配置，還能實(shí)現(xiàn)多臺現(xiàn)場設(shè)備與服務(wù)器的相互訪問，滿足PLC遠(yuǎn)控和視頻回傳的業(yè)務(wù)場景需求。

然而，南京濱江、云南神火等項目中普遍存在3個問題：一是現(xiàn)場多項目存在單CPE下掛多終端需求，而終端橋接模式的單個CPE只能下掛單個終端；二是現(xiàn)場多項目當(dāng)前采用eBridge進(jìn)行組網(wǎng)，而單個終端接入就需要至少3臺eBridge設(shè)備，這使系統(tǒng)配置變得復(fù)雜；三是當(dāng)前CPE僅可單向訪問核心網(wǎng)設(shè)備。因此，使用L2TP LAC-Auto-Initiated進(jìn)行二層通道打通，可解決以上問題，促進(jìn)了項目交付進(jìn)度和相關(guān)方案推廣。

在終端側(cè)，5G CPE通過L2TP與后端建立VPDN隧道。MAC地址綁定可確保下掛設(shè)備地址的固定。MC801A終端可作為L2TP客戶端以及遠(yuǎn)端側(cè)的DHCP服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)側(cè)開啟L2TP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（LNS）服務(wù)。皖通ISG1800-2S多業(yè)務(wù)路由器可作為LNS服務(wù)端以及近端側(cè)的DHCP服務(wù)器。進(jìn)一步地，MC801A和ISG1800-2S的VPDN配置均需要做到：在MC801A上完成LAC、L2TP以及DHCP配置，在ISG1800-2S上完成LNS配置。

相關(guān)測試表明：L2TP通道可達(dá)，801A CPE下掛多終端設(shè)備可行，遠(yuǎn)程桌面及文件傳輸協(xié)議（FTP）業(yè)務(wù)能夠開展。因此，L2TP實(shí)現(xiàn)了5G CPE下掛多終端與服務(wù)端的雙向互通，有助于實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)控、視頻回傳業(yè)務(wù)的部署，進(jìn)一步促進(jìn)了相關(guān)方案的推廣。

4 結(jié)束語

隨著3GPP 5G國際標(biāo)準(zhǔn)研制的持續(xù)推進(jìn)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演化將持續(xù)推動行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。R17版本在持續(xù)提升通信基礎(chǔ)能力的同時，將支持更廣泛的行業(yè)應(yīng)用。5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)將重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)的試點(diǎn)驗(yàn)證和商用落地，進(jìn)一步豐富5G應(yīng)用場景，助力行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)從“1”到“N”的復(fù)制。行業(yè)應(yīng)用目前已完成從“0”到“1”的突破。工業(yè)制造、能源礦山等多個先導(dǎo)行業(yè)正在打造應(yīng)用標(biāo)桿。部分先導(dǎo)場景應(yīng)用，如機(jī)器視覺質(zhì)檢、無人巡檢、遠(yuǎn)程掘進(jìn)等，將實(shí)現(xiàn)規(guī)模復(fù)制。