试析5G专网核心网部署模式与挑战

试析5G专网核心网部署模式与挑战

张建华

广西通信规划设计咨询有限公司  广西南宁530007

摘要：5G网络的演进趋势是网元虚拟化、开放式架构和智能化布局，这为5G专网业务能力的灵活性和定制提供了强有力的技术保障。5G 核心网采用 NFV、云计算等新技术，具备控制与承载分离的特征。笔者结合多年工作经验，探索5G网络在行业市场的应用模式，研究5G专网的部署方案，是电信领域面临的重大课题。

关键词：5G专网；核心网；部署模式；挑战

前言

由于通信性能指标的显著提升，5G技术将以工厂、能源、矿山、电力、交通、医院、教育等领域的专用网络形式，实现工业数字应用场景创新和信息化业务演进，推动生产要素数字化、智能化转化。行业应用对5G专网提出了更高的要求，要求系统实现独立组网和独立运营。当外部网络发生故障或断开时，系统应能实现安全、独立、稳定的运行，确保无线通信和数据传输的可靠性和稳定性。

1 5G专网技术

1.1 服务化架构（SBA）

为了适应未来业务应用的网络需求，5G 网络架构被寄予了非常高的期望。行业专家结合IT云原生的概念，将5G网络架构中的控制面功能抽象为多个独立的网络服务，以基于软件、模块化、面向服务的方式构建网络。

每个网络服务在业务功能方面与其他服务分离，并提供外部服务化接口。同一接口可以向其他调用方提供服务，多个耦合接口可以转换为单个服务接口，从而减少接口数量。基于面向服务的架构，5G网络资源更加开放，基本网络能力灵活可定制，可以最大限度地发挥5G网络的潜力，适应创新业务的发展。

1.2网络切片

网络切片是通过切片技术，基于一个公共硬件虚拟化多个端到端网络。每个网络具有不同的网络功能，满足不同类型的服务需求。虽然垂直行业中的各个行业对网络功能有不同的要求，但这些要求可以分解为网络带宽、连接数、延迟、可靠性等网络功能要求。

5G标准还将不同业务对网络功能的需求归纳为三种典型场景。这三种典型场景对应的网络切片类型分别为EMBB切片、MTC切片和URLLC切片。

1.3 5G LAN

基于L2以太网协议栈的应用和组网广泛应用于工业制造、港口码头、矿山、电力等行业。例如：对于机器视觉、PLC远程控制等应用，由于布线困难等原因，企业会选择使用5G来取代原有的布线模式。5G LAN技术可以实现L2和L3层本地交换功能，无需堆叠AR路由器。

此外，5G LAN通过N19接口支持跨域专网互联，取代Wi-Fi和专线，满足大型企业分支机构和出差员工随时随地访问企业内网的需求。此外，通信网络由运营商提供，提供更好的安全性和体验保障。

与传统局域网和广域网相比，5G局域网具有以下优势。

1）5G局域网之间的按需通信更加灵活。

2）数据转发路径由核心网络统一控制，以实现更好的业务连续性。

3）支持与Qo S/切片相结合，以确保端到端服务质量。

1.4 边缘计算（MEC）

边缘计算是一个中心DC（数据中心）更靠近最终用户边缘的位置，为用户提供所需的服务和云计算功能的网络架构，将应用于内容和MBB核心网络部分的业务流程，并将资源调度功能部署在靠近最终用户网络边缘的位置，通过业务处理，以及应用程序、内容和网络的协同作用，与用户保持密切联系，以提供可靠、终极的业务体验。

MEC的UPF可分为ULCL分流部署和主锚下沉部署。矿业、钢铁等生产企业要求数据不离开园区，采用主锚下沉部署模式。

2 5G 核心网专网部署模式分析

2.1 部署模式

5G核心网采用NFV、云计算等新技术，控制与承载分离。控制平面采用面向服务的架构，通过虚拟化实现弹性伸缩容量和网络切片功能。用户端功能通过UPF下沉和服务应用程序虚拟化实现边缘计算。

5G核心网专网基于无线使用情况，有公网共享模式、公网专网模式和专网专网模式三种建设模式。这三种部署模式如图1所示。

图1  5G专网部署模式

模式一是公网共享模式，即无线基站共享。通过5QI区分服务优先级。核心网络5GC控制平面共享，用户平面共享UPF。承载网络是完全共享的。主要的典型行业是教育、医疗、政务等。

模式2专用于公共网络，即无线基站共享。资源通过专用RB/载体进行硬隔离。核心网络5GC控制平面共享、用户端UPF专用（接收器到客户区）或共享。承载网络采用共享+弹性E隔离。主要的典型行业有电力（变电站）、钢铁、煤矿、3C制造业。

模式三是专用于专用网络，即专用于无线基站，实现设备的硬隔离。核心网络5GC控制面是共享的或专用的，用户端UPF专用网络是专用于接入客户园区的。承载网络采用共享+弹性E隔离。主要的典型行业是军工和科研院所。

2.2 专网应用场景

2.2.1 业务隔离（切片 +DNN）

（1）DNN 隔离场景。

DNN隔离：无线和传输网络共享资源。核心网基于DNN分配独立的IP地址段，并与企业服务器构建独立的VPN通道。

图2  DNN隔离场景

（2）切片隔离场景

通过slice实现端到端物理资源隔离（无线RB资源预留、传输槽V LAN子接口隔离、UPF租户隔离）。

RAN使用基于切片的VLAN标记，传输网络使用不同的VLAN标记，VPN传输，UPF使用基于切片配置的不同N3接口和VLAN标记，UPF使用基于切片配置的不同N6接口（N6隔离在初始阶段通过切片和DNN一对一映射解决）。

图3 切片隔离技术

2.2.2 本地业务保障

无线、承载和UPF协议端到端QOS，以确保多个企业和服务之间的不同QOS带宽。同时，UPF贴近企业，为本地服务提供QOS保障。

图4 QOS保障场景

2.2.3  QOS 加速

在5QI的基础上，设置空口调度优先级，主要通过调度优先级为客户提供差异化服务，如5QI#4>5QI#6>5QI#8>5QI#9。

图5 QOS加速场景

3 5G专网核心网部署面临的问题与挑战

3.1商用周期长

边缘 UPF混合专用网和定制专用网的服务对象为各种行业客户。各行各业的需求千差万别，对专网产品解决方案的需求差异明显，难以用统一标准衡量，专网产品解决方案的标准化难度较大。企业网络产品的网络架构和协议流程符合3GPP标准，但在部署形式、网元功能、接口等方面没有统一的规范，运营商需要制定企业标准来规范设备制造商的产品。目前，企业网络产品要达到商业规模需要一定的时间。在智能定制企业网络解决方案中，运营商控制公共企业网络的UDM，并使用分层UDM部署来接管号码分配权。企业网络不包含UDM，或者汇至本地的UDM仅用于备份。分层UDM管理方案比较复杂，技术解决方案仍在研究和验证中。定制的企业网络在物理上与公共网络分离。公网与企业网漫游互通方案不规范、不统一。不同的行业有不同的灾难恢复场景和可靠性要求。因此，不能采用一刀切的灾难恢复解决方案，容灾技术解决方案需要改进。

3.2运营管理挑战大

边缘专网产品由多家设备制造商提供，且其操作系统不兼容，难以统一操作。行业专网分散在数百个园区，专网故障定位涉及5G基站、传输和核心网的协调，需要专业的本地运维团队或集中的远程运维管理系统，运维成本高。运营商实现了企业用户和公共用户之间基于权限和域的管理差异。其主要原理是让企业用户能够查询网络拓扑、报警监控和性能统计。与整个网络相关的配置功能对企业用户不可用，由运营商统一维护。在基于权限和域的管理之后，用户只能查看由用户管理的网元以及NMS上的授权操作。从行业用户的角度来看，运营商预计不会对自建网络进行太多干预和控制。它们在操作和维护控制界面上存在一些差异。

结语

综上所述，5G专网产业的发展才刚刚起步，需要坚定创新的制造商和运营商不断投入，以满足行业的业务需求。在这个过程中，首先，连接性需要迭代发展，以满足差异化体验、确定性连接性、高可用性和高安全性的需求。其次，连接能力需要不断提高。有必要对行业公共云进行基准测试，提高多个异构云的计算能力，以提供丰富的资源调配和管理能力。最后，在行业解决方案创新方面，行业需要孵化从EMBB到URLLC的高价值场景。

参考文献

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