作者:冯杰


团队名称:中移(雄安)产业研究院智慧城市咨询规划团队


理念:客户是中心,内功是根基,奋斗是常态,实干创佳绩


团队简介:我们来自孕育梦想与希冀的雄安,根植于中国移动5G建设大发展的前夕,致力于成为新型智慧城市解决方案与顶层设计咨询的主力军。团队成员学历高、素质高,集术业专攻与朝气蓬勃于一体,有持续创新和勇于挑战之芯,更具领域经验与社会责任之核,成立至今智慧建设之花已遍布全国各地,在科技更迭的浪潮中,我们将秉承匠人之心,筑智慧城市之魂!


作者简介:冯杰,中国移动(雄安)产业研究院业务研发一部智慧城市咨询总监,河北工业大学工学硕士,研究领域为5G与智慧城市技术咨询。



01、前言


随着全球5G商业化进程加速,越来越多的行业提出与5G技术相结合的数字化转型需求,以工业、电网、交通、政务、医疗、港口为代表的垂直行业纷纷提出各自的5G专网规划与解决方案。国际上,德国为工业4.0规划了3.7-3.8GHz专用5G频段进行垂直行业应用,日本预留28GHz进行5G工业企业专网服务,美国在700MHz搭建5G FristNet专网应用于警察、交通、消防、医疗等行业应急通信,搭建一张融合专用的通信网络。5G专网垂直行业应用已经逐渐上升为国家级战略。我国5G专用网络目前典型的应用场景包括工业自动化控制、电网差动保护与业务调度、车联网、警务/应急专用通信、远程医疗问诊培训、港口专用无线网络运输调度等,这些业务场景对时延、设备连接密度、带宽、可靠性、安全性具有不同的业务特性需求,依靠传统的4G或其他制式网络难以满足。基于微服务(SBA,Service-based Architecture)架构设计的5G网络架构将MME、SGW、PWG等传统4G网元进行了进一步的解耦,分解为颗粒度更细的模块化组件,并通过开放化的API接口实现集成,提升网络组合的敏捷性,可以满足垂直行业不同用户的业务特性需求。


02 、5G专用网络定义


专用网络也称私有网络,在我们的日常所接触的网络中并不陌生。国内公安系统常用的350M集群通信系统、340M无线图传系统、1.4GHz基于LTE技术部署的B-Trunc系统、900MHz GSM-R/450MHz LTE-R铁路通信系统等都是常见的专用网络,它们的共同特点是频段专属、设备专属、业务隔离、安全可靠,满足行业特殊保密需求,但是部署成本高昂,需要业界推动专业的成熟产业链。


5G-ACIA组织(3GPP市场代表合作伙伴)在2019年7月发布的白皮书对专有网络的定义为非公共网络(NPN,Non-public network),即采用授权或非授权频段在一定明确的组织范围内部署的网络,该网络具有高服务质量、高安全性、高隔离性、易操作和维护性。5G-ACIA组织具有极强的工业领域特性,主要关注工业自动化、大规模物联场景5G应用,而3GPP R15版本重点是对增强带宽场景(eMBB)和基本低时延高可靠业务相关协议接口的定义,R16着重增强对uRLLC和mMTC垂直行业场景的支持,因此R16版本TS 23.501进一步将专用网络划分为独立部署的非公众网络(SNPN,Stand-alone Non-public Network)和基于公网部署的非公众网络(Public network integrated NPN)。独立组网是指部署一套完全独立的5G网络,包括频率、基站、核心网和业务平台,基于服务化网络架构和云化组网将大大降低网络部署的门槛,提升按需自建网络的可行性。非独立组网是指专用网络作为运营商网络的一部分进行部署,例如垂直行业可以将自己的业务平台和接入站点连接到运营商的PLMN网络(通常是一个网络切片),相关的移动性、会话资源和数据流管理将使用运营商提供的服务。具体采用独立组网还是非独立组网部署专用网络组网,需要根据频率使用策略、网络部署成本、业务特性安全/密级需求、业务部署范围综合进行衡量考虑。


03 、5G网络架构与专用网络


5G服务是多元化的,工业自动化、电网差动保护、大规模物联网、VR/AR等都是典型专网应用场景,多样化业务需求对5G网络性能提出更高要求,5G网络架构应当具备高度灵活性,才能有效支撑各种业务应用。基于弹性敏捷、灵活复用的设计理念,5G引入SDN/NFV技术,将软硬件平台进一步虚拟化和解耦,底层使用统一的NFVI基础设施,利用SDN控制器实现内部资源灵活调度。传统网元被划分为更细粒度的功能模块,称之为网络功能(NF,Network Function),网络功能之间采用轻量API接口通信,实现系统的高效化、灵活化、开放化。


3GPP与5G-ACIA定义的5G专用网络包含四个主要场景(详见5G-ACIA白皮书、3GPP TR23.799),用于指导组织机构如何申请并部署自己的5G专用网络,也包括独立部署专用网络和非独立部署专用网络。独立部署专用网络指独立部署一套物理专用网络;根据与公网复用资源和互动程度进行划分,非独立部署包含共享RAN、共享RAN与控制面、完全公网部署(网络切片)三个场景,其中网络切片又分为Group A/B/C三个选项。


专网部署网元与非漫游5G系统架构参考模型关系如下图所示。


专网网元与非漫游5G系统架构参考模型


四个专网应用场景中专用网络和公共网络控制面功能对应NSSF、NEF、AMF、SMF、AUSF等核心层网络功能,专用网络用户数据库、公用网络用户数据库、公专用混合用户数据库功能对应UDM统一数据管理功能,专用网络服务和公共网络服务对应5G系统架构中的DN网络服务如运营商服务、互联网接入和三方服务等,专用网络和公共网络用户面网关对应下沉的UPF网络功能,专用无线接入网络、公共无线接入网络、公专网混合无线接入网络对应5G网络架构中的(R)AN,无线接入设备对应网络架构中的UE终端。


04 、5G端到端专用网络架构


端到端专用网络同样分为独立部署和非独立部署两种类型。


独立部署专用网络即从物理上为用户新建一套接入、传输、核心及配套专用SA网络,综合建网成本、频谱获取、站址获取、运行维护等方面因素,独立部署适合业务范围固定在小范围地理环境内场景,如工业园区、重要港口等,目前仍具有非常高的部署难度,需要大量资金及行业政策支持。


非独立部署专用网络主要关注场景三端到端网络切片实现与应用,强调在公用网络基础上,在满足用户业务特性需求的前提下(如信息保密等级等),为用户制定一张从接入到传输到核心端到端专属的逻辑专用网络。3GPP最早在R14阶段由SA1的TR 22.864报告中对网络切片的需求进行了研究,随后SA2在TR 23.799[2]中对网络切片方案进行了初步研究,在R15阶段SA2正式把切片的相关概念、方案写入了TS 23.501中。SA5对于切片管理进行了研究并进行了网管设备的标准化,SA3则负责研究切片的安全方面的问题。3GPP在TR 28.801定义了通信服务管理功能(CSMF,Communication Service Management Function)、网络切片管理功能(NSMF,Network Slice Management Function)、网络子切片管理功能(NSSMF,Network Slice Subnet Management Function),三者协同完成网络切片端到端设计和实例化部署。网络切片端到端部署网络架构如下图所示。


网络切片端到端网络架构


CSMF负责将用户通信服务需求(如速率、时延、容量、覆盖率、QoS、安全性等),根据SLA特性转化成端到端网络切片需求,并下发至NSMF进行网络切片设计。NSMF接收CSMF对网络切片的需求后,转化成对网络子切片的需求下发到NSSMF。除负责网络切片模板设计、网络切片实例的创建、激活、修改、停用、终止以外,还负责对网络切片的运营管理,包括故障管理、性能管理、配置管理、策略管理、自动重配置、自动优化、协同管理等。NSSMF负责网络子切片实例(NSSI,Network Slice Subnet Instance)的管理,接收NSMF对网络子切片的需求,将它转换为对具体网络功能的需求(如时间、频率等资源需求)。NSSMF分为接入侧(AN)、传输侧(TN)、核心侧(CN)三部分,接入侧主要采用时频资源软硬切、基于QoS的时频资源调度等技术实现资源隔离,传输侧主要采用灵活以太网FlexE、L2/L3VPN、TSN等技术对数据传输通道实现软硬隔离,核心侧采用NFV技术实现对AMF、SMF、PCF、UPF等网元按业务灵活选择,按需隔离。


05 、边缘计算与5G专用网络


移动边缘计算(MEC,Mobile Edge Computing)最早由欧洲电信标准协会(ETSI,European Telecommunications Standards Institute)下的移动边缘计算规范工作组进行业务研究和标准化,由于具有非常友好的能力开放接口及业务快速部署能力,得到通信行业组织的广泛关注。边缘计算将网络、计算、存储、应用等能力部署在靠近用户或数据源头的一侧,把云计算能力迁移到网络边缘,将传统移动通信网、互联网和物联网等业务进行深度融合,从而达到超低时延、流量卸载、节省带宽、数据隔离等要求。边缘计算与5G结合可以提升网络数据处理效率,更好的满足专用网络垂直行业应用、内容和服务海量数据分析、V2X车路协同、智能决策及数据不出厂等诉求。


边缘计算与5G专网结合的网络架构如下图。


边缘计算与5G专网结合的网络架构


边缘计算基于分布化的网络架构,通过在本地部署具备计算、存储、网络的基础设施和能力平台,联合5G用户面网络功能UPF下沉,在UPF上做基于ULCL或IPv6的业务分流方案,可以控制本地流量卸载。用户无需将业务流上传至汇聚层、绕经核心网在Internet集中云端完成。尤其可以大幅度降低大视频流量对运营商核心网和城域网的冲击,有效降低业务交付时延,提升用户视频业务体验。低延时类业务终端通过gNB/5G NR接入,如AR/VR视频的转码处理以及对云游戏的图形计算、渲染均可在边缘侧完成,降低佩戴头盔的眩晕感。大连接类NB-IoT类物联网终端通过gNB/5G NR接入,带宽、移动性、时延无特殊要求,可通过异地部署在边缘云端平台管理。


06 、5G专用网络前景展望


虽然3GPP在R14和R15就对专用网络进行了定义,但是业界并没有成熟展开的行业应用,成本和政策未明确固然是制约因素,但是更多的限制因素还是技术能力、运营模式的不完善,专用网络与公共网络之间的发现/识别/交互、专用网络在授权和非授权频段部署SA架构增强支持、网络切片EPC和5GC交互支持等、网络切片后期维护运营、网络切片安全管理等都是专用网络亟需解决的问题。随着3GPP R16版本关于网络切片的冻结(预计2020年3月)及5G商用的快速部署,行业应用的终端模组产业链也加速成熟,运营商对于专网运营订购与快速部署能力、多量纲计费模式、智能化运维策略等加快实战部署评估,形成稳定的商业模式,届时万物互联、超低时延通信、移动超宽带的5G网络将真正改变垂直行业发展模式,赋能产业健康发展。


 参考文献


3GPP TS 23.501 v15.4.0. System architecture for the 5G System, Stage 2.

3GPP TS 38.300 V15.7.0 NR;NR and NG-RAN Overall Description, Stage 2.

3GPP TS 22.261 V17.1.0 Service requirements for the 5G system, Stage 1.

3GPP TS 38.331 V15.6.0 NR;Radio Resource Control (RRC) protocol specification.

3GPP TR 28.801 V15.1.0 Telecommunication management;Study on management and orchestration of network slicing for next generation network.

3GPP TS 23.251 v15.1.0 Network sharing; Architecture and functional description.

3GPP TS 22.104 v16.0.0, Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains, Stage 1.

5G Non-Public Networks for Industrial Scenarios white paper.

IMT-2020(5G)推进组白皮书《5G网络架构设计》.

魏垚,谢沛荣.网络切片标准分析与进展现状[J].移动通信,2019,43(4):25-30.

ETSI白皮书《边缘计算-面向5G的关键技术》.

中兴通讯《5G MEC:面向5G的边缘云部署方案》

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