5G专网技术解决方案和建设策略

李立平　李振东　方琰崴

【摘  要】5G所具备的海量连接、高可靠、低时延等技术特性，高度契合专网的需求，可实现视频直播、海量物联网设备接入、无人驾驶、远程医疗、智能制造等典型行业或政企专网应用。针对5G应用于专网市场，从5G专网独立建设必要性、3GPP 5G NPN（Non-Public Network）技术最新进展和5G核心网2B（To Business）网络建设策略三个方面分析5G核心侧在行业/专网方向的发展与演进。以期5G在专网领域发挥更大的价值，促进“5G+行业”跨界合作形成良性循环。

【关键词】5G;专网;2B;垂直应用;网络切片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.002        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0008-06

引用格式：李立平， 李振东， 方琰崴. 5G专网技术解决方案和建设策略[J]. 移动通信， 2020，44（3）： 8-13.

The Technical Solutions and Construction Strategies for 5G Private Networks

LI Liping， LI Zhendong， FANG Yanwei

（ZTE Corporation， Nanjing 210012， China）

[Abstract] The technical characteristics of 5G， such as massive connections， high reliability and low latency， are highly suitable for the requirements of private networks. Hence the typical private network applications can be realized for industries， government and enterprises， such as live broadcast， massive IoT device access， unmanned driving， telemedicine and intelligent manufacturing. For the application of 5G in the private network market， this paper analyzes the development and evolution of the 5G core side in the industry/private network directions from the three aspects of the independent construction necessity of 5G private networks， the latest developments in 3GPP 5G NPN （Non-Public Network） standard technologies and 5G core network 2B （To Business） network construction strategies. It is expected that 5G will play a greater value in the private network field and promote cross-border cooperation in "5G + industry" to form a virtuous circle.

[Key words]5G; private network; 2B; vertical application; network slice

0   引言

與2G/3G/4G不同，5G除了能够满足个人通信外，还能够满足多样化垂直行业的专网通信建设需要，为未来的工业化应用奠定基础，通信业内对于专网通信已经开展了深入和广泛的研究。

相对于运营商运营的公众通信网络，NPN专网（Non-Public Network）技术整体落后1到2代，目前主流专网仍然是相当于2G的技术，仅有部分领域例如政务网广泛引入基于4G的专网。专网的宽带化需求与4G技术相结合，最终导致基于3G的专网技术退服。PDT（PDT， Police Digital Trunking）+LTE的“2G+4G”组网模式，成为国内专网主要客户公安专网的主流。但不同于前几代移动通信技术，5G所具备的海量连接、高可靠、低时延等技术特性，高度契合专网的需求，可实现视频直播、海量物联网设备接入、无人驾驶、远程医疗、智能制造等典型行业或政企应用。业内预期，5G的80%，将应用在工业互联网等行业市场[1]。5G的应用场景丰富多样，如何发挥5G更大的价值，促进“ 5G+行业”跨界合作形成良性循环，最终促进整体产业发展都是业内重点关注的问题，需要在网络建设的同时进行分析、试验[2]。

针对5G应用于专网市场，本文将从5G专网独立建设必要性，3GPP 5G NPN技术最新进展和5G核心网2B（To Business）网络建设策略三个方面分析5G核心侧在行业/专网方向的发展与演进。

1   5G行业专网独立建设的必要性

5G技术本身可以提供2C（To Customer）或者2B（To Business）服务，随着个人通信消费能力饱和（受限于人口红利、需求等），2C市场增长放缓，2B企业用户将取代2C个人消费者，成为5G应用的主角[3]。如果2C和2B网络合一建设，则实际是公网而不是专网，因两者服务对象、业务内容等均有很多不同，合建会有很多不利之处，单独建设5G 2B行业专网，则能为行业用户提供差异化的服务，进一步拓展5G业务领域。

运营商在通信网络建设方面有着丰富的经验和技术优势，可以满足传统业务及互联网类用户的基础通信需求。如表1所示，行业或企业专网用户主要集中在比大众消费者对性能和安全要求比较高的行业[4]，例如工业生产、公共安全、交通运输等，2C网络不能满足行业或企业专网用户的多样需求，尤其是在企业业务的灵活开通、按需服务等方面与2B网络存在较大差距。

2B与2C业务对多个维度的差异性决定了2B网络最好单独建设，如图1所示：

2B/2C网络解耦分建，隔离了2B网络的功能的快速迭代对2C网络的影响，同时也简化网络规划，维护界面清晰，故障定位迅速。当然，分建对无线有要求，需要无线侧同时对接2B和2C两张核心网[5]。5G 2B网络技术实现规范化和标准化在3GPP中对应于NPN网络解决方案。

2   3GPP NPN解決方案架构

NPN，即非公共网络，是区别于电信运营商公网，为特定用户/组织提供服务的网络，在3GPP协议TS23.501的定义中，非公共网络有以下两种类型：

（1）独立组网的NPN网络SNPN（Stand-alone NPN，独立专网），该网络不依赖于公网（PLMN网络），由SNPN运营商运营（非运营商的网络，例如政府专网、企业专网）。

（2）非独立组网的NPN网络PNI-NPN（Public network integrated NPN，集成于公网的专网），该网络依赖于公网（比如5G网络），由传统运营商运营[6]。

对于PNI-NPN，如果只使用 R15中定义的网络切片[7]，则无法进行访问控制，需要启用CAG（Closed Access Group，受限访问组）去阻止未授权终端接入[8]。

不论是SNPN还是PNI-NPN，NPN都可以实现端到端的资源隔离，为垂直行业或特定群体用户提供专属接入，限制非授权终端接入专属基站或频段，保障客户通信资源独享，所以NPN可以和行业应用比如工业互联网进行很好的融合，并且可以为局域网（LAN，Local Area Network）业务提供支持，满足一些企业、学校等园区对于可靠且稳定的私有网络需求。

2.1  SNPN技术解决方案

（1）SNPN解决方案架构

SNPN是基于5G独立建设的专网，所以还是采用5G基本架构，但因SNPN网络不依赖PLMN公网，SNPN 5G核心网和PLMN公网的5G和核心网之间不能进行互操作，为了保证SNPN UE能够从SNPN接入PLMN，或者UE从PLMN 5G公网接入SNPN，SNPN重用了“Untrusted non-3GPP access”架构来保证专网UE可以通过SNPN的用户面访问PLMN 5G的业务，或者通过PLMN 5G的用户面访问SNPN的业务[9]，如图2和图3所示。

UE（User Equipment，用户终端）从NPN侧接入后直接在UE和NPN CN之间建立NPN PDU Sessions。UE上配置了公网N3IWF地址/域名，UE通过NPN PDU Sessions和公网N3IWF建立安全连接，UE在该连接内，向公网CN请求建立公网PDU session。UE和公网CN之间的PDN session的NAS信令和用户数据，都是封装在UE和通过NPN PDU Sessions和公网N3IWF建立安全连接。

UE从5G公网接入SNPN，访问SNPN业务的架构，和上面类似。UE接入公网后需要建立公网PDU session。UE上配置了SNPN N3IWF地址/域名，UE通过公网PDU Sessions和SNPN N3IWF建立安全连接。UE在该连接内，向SNPN CN请求建立NPN PDU session。UE和NPN CN之间的NPN PDN session的NAS信令和用户数据，都是封装在UE和通过公网 PDU Sessions和SNPN N3IWF建立安全连接中。

在有无线覆盖的前提下，选择哪种接入方式，取决于UE实现或配置。事实上，如果UE是dual radio的，这两种方式都可以采用。

（2）NPN方案关键技术

1）定义SNPN网络标识

在3GPP R16中，协议定义了PLMN ID+NID（Net-work Identifier）作为SNPN网络标识，这里的PLMN是5G网络，用于SNPN的PLMN ID不需要是唯一的，保留给专用网络使用的PLMN ID可以是通用值，比如（MCC）999。NID有2种分配模式：一种是自分配（Self-assignment），SNPN自己分配NID，但是有全球不唯一的风险;第二种方式是协同分配（Coordinated assignment），协同分配又包含两种选项，NID全球唯一，或者PLMN ID + NID全球唯一[10]。

2）SNPN网络标识的配置，广播及网络选择

一个签约了SNPN服务的UE需要支持SNPN Access

Mode，配置为SNPN Access Mode的UE只能通过SNPN接入网络，而未配置为SNPN Access Mode的UE则可以执行PLMN公网比如5G网络选择流程。其中SNPN Access Mode的配置方式（激活、去激活等）是由UE来实现的。UE配置相应的一个或多个由PLMN ID+NID组合标识的SNPN的签约者标识符SUPI（Subscriber Identifier）和凭证，同时此签约需要对应存储在网络签约中。

在初始接入和小区重选过程中，NG-RAN通过SIB（System Information Block）消息为UE广播小区驻留、重传、链路建立等所需的若干参数，对SNPN网络还需要广播自身支持的所有的PLMN ID和每个PLMN ID相关联的NID列表，配置了SNPN Access Mode的UE可以根据自己的配置PLMN ID+NID信息选择可接入的SNPN小区，核心网根据UE的签约信息对UE的身份进行鉴权。

4   结束语

通过对公专网2C、2B多方面的比较，5G 2B行业专网很有必要区分2C公网进行独立建设，以支撑需求丰富的5G行业应用场景。5G 2B行业专网已经基本具备提供SNPN或PNI-NPN两种专网建设方案的能力。

5G 2B行业专网切片B2B模式比垂直行业/企业专网更具有技术优势，并且切片的一网多用共享特性使得切片的成本更优，5G 2B行业专网将逐步融合传统专网，基于切片形成5G 2B行业专网与传统专网的互补，充分结合双方的优势，共同为行业用户提供特定的高可靠和高安全性的定制化服务。

参考文献：

[1]      邬贺铨. 5G时代将是产业互联网时代，大批“独角兽”企业将崛起[J]. 智能城市， 2017（5）： 22-24.

[2]     李立平，张文超，赵文贤. 5G业务解决方案及发展展望[C]//广东通信青年论坛优秀论文专刊. 广州： 移动通信， 2019： 15-26.

[3]    中信建投. 5G应用之全球趋势前瞻：应用与流量齐飞[R]. 2019.

[4]     杨红梅，赵勇. 5G安全风险分析及标准进展[J]. 中兴通讯技术， 2019（4）： 2-5.

[5]    3GPP. 3GPP TS38.300： Technical Specification Group Radio Access Network; NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2， （Release 15）[S]. 2019.

[6]     3GPP.  3GPP TS23.501： 5G; System Architecture for the 5G System， （16.3.0）[S]. 2019.

[7]    3GPP. 3GPP TS38.300： Technical Specification Group Radio Access Network; NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2， （Release 15）[S]. 2019.

[8]    3GPP. 3GPP TS29.503： 5G; 5G System; Unified Data Management Services; Stage 3 （Release 15）[S]. 2019.

[9]    3GPP. 3GPP TS29.275： Technical Specification Group Core Network and Terminals; Proxy Mobile IPv6 （PMIPv6） based Mobility and Tunneling protocols; Stage 3 （Release 15）[S]. 2018.

[10]   3GPP. 3GPP TS23.112： NAS Functions related to MS in Idle mode， （Release 10）[S]. 2016.

[11]    李立平，王卫斌，方琰崴. 面向业务体验的5G核心网演进分析及建设方案[C]//5G网络创新研讨会（2019）论文集. 广州： 移动通信， 2019： 294-301.

[12]   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.

[13]  方琰崴. 5G核心网安全解决方案[J]. 移动通信， 2019，43（10）： 19-25.

[14]   中兴通讯. 首个5G网络切片商城[J]. 智能城市， 2019（21）： 18.

[15]   陳淑平，刘海舟，常培. 互联网+时代构建面向业务创新的能力开放生态体系研究[J]. 邮电设计技术， 2019（1）： 58-62. ★

作者简介

李立平（orcid.org/0000-0002-9236-5466）：工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院计算机应用与技术专业，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总监，发表论文及媒体专访十多篇，获专利十多项，研究方向为电信云及核心网组网方案和关键技术。

李振东：工程师，博士毕业于南京大学计算机系计算机软件与理论专业，现任中兴通讯股份有限公司无线经营部标准团队高级标准预研工程师，获专利三十多项，向3GPP国际标准提交提案超过200篇，研究方向为3GPP 5G标准制定。

方琰崴：高级工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院数字通信专业，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总工、产品市场总监，发表论文四十余篇，获多项专利，研究方向为电信云与核心网的组网和关键技术。