5G非公共网络技术分析

蒋峥 刘胜楠 田树一 陈鹏

【摘  要】5G无线通信系统除了满足普通用户移动宽带互联网业务需求，还要向垂直行业、企业渗透，加快国家工业互联网发展和工业智能化进程。为了更好地实现这一目标，非公共网络技术（NPN）开始吸引人们的目光，3GPP已在5G Rel-16标准中加入NPN场景需求、功能的研究和标准化工作。介绍了NPN网络的基本概念，给出5G标准Rel-16版本中NPN的两种组网形态和典型组网方案，以及NPN网络与PLMN网络互操作方法。在此基础上，分析了NPN网络特性和不同的NPN部署方案对网络特性的影响，为运营商和垂直行业企业未来部署NPN网络提供参考。

【关键词】5G;非公共网络;独立非公共网络;集成非公共网络

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.003      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0012-07

引用格式：蒋峥，刘胜楠，田树一，等. 5G非公共网络技术分析[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 12-18.

The Technical Analysis on 5G Non-Public Network

JIANG Zheng， LIU Shengnan， TIAN Shuyi， CHEN Peng

（China Telecom Research Institute， Beijing 102209， China）

[Abstract] 5G wireless communication system should not only meet the mobile broadband Internet service needs of ordinary users， but also penetrate into the vertical industries and enterprises to accelerate the development of national industrial Internet and industrial intelligence. In order to achieve this goal， non-public network （NPN） technology has begun to attract people's attentions. The NPN scenarios and requirements have been studied and the standardization for NPN functions has been carried out in 3GPP. In this paper， the concept of NPN is introduced， and two kinds of NPN networks and the solutions of NPN development in 5G Rel-16 are given， as well as the interworking between NPN and PLMN. Based on this， this paper analyzed the characteristics of NPN networks and the corresponding impact of different deployment solutions of NPN， which can provide the reference for operators or vertical industry enterprises to deploy NPN networks.

[Key words] 5G; NPN; SNPN; PNI-NPN

0   引言

5G通信技術的发展不仅是为广大移动互联网用户提供更高速和优质的服务，更是成为推动工业互联网发展的使能技术，而工业互联网也是加快5G商用规模部署，实现5G商用价值的重要突破口之一。

回顾过去，信息科技（IT）与操作技术（OT）很少有交集，但进入工业互联网时代，透过物联网、大数据与云端智能，使IT与OT两者最终展开对话，由OT领域的传感器获取数据，上传IT领域的云端中心执行大数据分析，繁衍出各种创新应用。第五代（5G）网络可以在这种集成中发挥关键的支持作用，能够以无处不在的方式连接各种设备[1]。5G发展不仅使移动运营商受益，也将使制造业、物流等各行业从产业升级中受益[2]。文献[3]给出了各国产业升级的侧重领域，这些领域的企业将带来大量的自动化用例，其中大多数在可靠性、低延迟、安全性等方面都有严格要求，为了以经济高效的方式满足这些需求，垂直行业可以通过5G技术来实现产业提升[4]。

5G系统的Rel-15版本主要为公共用途而设计，但随着私有用途的5G网络部署引起了业界极大兴趣，非公共网络（Non-Public Network， NPN）的研究被纳入5G Rel-16版本[5]。

PLMN由移动网络运营商操作，而NPN只供私有组织使用，通常是垂直行业。在工业互联网生态系统中，垂直行业可以通过NPN构建端到端的内部5G网络，从而可以将私有流量限制在NPN内部，而无需到达公共网络领域。

本文针对NPN网络的基本概念进行介绍，给出5G标准Rel-16版本中NPN的两种组网形态和典型组网方案，以及NPN网络与PLMN网络互操作方法。在此基础上，本文分析了NPN网络特性和不同的NPN部署方案对网络特性的影响，为运营商和垂直行业企业未来部署NPN网络提供参考。

1   5G网络架构概述

4G移动网络架构是面向移动宽带服务的需求而设计，这种体系结构由大量点对点接口和与这些接口相连的网络功能单元组成，这种网络结构相对静态，缺乏灵活性，无法有效支持大量差异化的垂直行业需求。为了满足更广泛的行业应用需求，5G网络架构（特别是核心网架构）进行了较大改进，主要在以下几方面进行了增强（如图1）。

（1）服务化网络架构。基于服务的网络架构是5G核心网变化的基础，这表明5G更关注的是核心网络提供的服务和功能，而不是节点本身。5G的核心网络已高度虚拟化，核心网功能已经可以运行在通用计算机平台上，这一特征为企业独立部署定制化核心网提供可能。

（2）支持网络切片。网络切片是指3GPP定义的网络特征和功能的集合，可用于向用户提供端到端网络服务。运营商可通过网络切片技术，依托服务化的核心网架构，在共享技术设施上构建多个逻辑上相互独立的PLMN。切片技术可使企业方便地获得定制化且具有隔离性的服务。

（3）控制面与用户面分离。5G核心网络体系结构强调控制平面与用户平面的分离，包括两种能力的独立扩展。例如，如果需要更多的控制平面容量，则在不影响网络的用户平面的情况下直接添加。

（4）计算和存储分离。允许任何网络功能将数据（例如UE和会话上下文）存储在一个集中的数据库中，以便数据在网络功能的不同实例间进行共享，从而使5G系统更具有云存储的特征。

综上，5G核心网的新特性便于企业基于自身需求开展独立的核心网部署与开发，控制面与用户面分离、计算和存储分离等特征也方便企业在核心网数据面扩容和升级。从图1可见，尽管5G网络架构中引入服务化架构和切片机制，但框架基础仍然是无线接入网（RAN）和核心网（CN）两大部分，而通过N6接口连接到UPF的数据网络被3GPP视为外部网络域。这些外部数据网络也是确保以端到端方式有效支持5G服务的关键。

本文考虑了两种类型的数据网络：

（1）区域数据网络。该数据网络归网络运营商所有，属于PLMN范畴。它允许网络运营商向UE提供互联网连接和增值网络服务，包括IP多媒体子系统（IMS）服务等。

（2）局域网数据网络。与区域数据网络不同，局域网不提供互联网连接，也不具有高计算能力，它由一个或多个边缘节点组成，可以应用边缘云计算（MEC）[7]等模式。这些节点允许运行对延迟敏感的应用程序，以便这些应用尽可能靠近UE执行。本地数据网络可以由运营商拥有，也可以由垂直行业企业拥有。在后一种情况下，该数据网络可以属于NPN。

2   NPN网络技术分析

在当前3GPP Rel-16标准研究中NPN被分为两种类型[8-9]：

（1）独立的非公共网络（Stand-alone NPN， SNPN），SNPN不依赖网络运营商的公共网络提供的功能。一个SNPN可以是一个隔离的不与PLMN之间交互的NPN网络，NPN和PLMN可部署在不同的网络基础设施上。

（2）非独立的非公共网络（Public Network Integrated Non-Public Network， PNI-NPN），又称公共网络集成的非公共网络，即在PLMN支持下部署的NPN。PNI-NPN可以完全或部分托管在PLMN基础设施上，依赖于一些网络运营商的网络功能。

2.1  SNPN网络

独立非公共网络（SNPN）是基于5G系统架构的专用网络，与公共网络PLMN完全分离。SNPN和PLMN之间的独立性主要体现在：

（1）SNPN具备唯一网络标识符，即NID，NID完全独立于公共网络标识PLMN ID;

（2）SNPN具有獨立部署的核心网;

（3）SNPN用户只能在SNPN网络覆盖范围内移动;

（4）用独立频段组网。

下面介绍SNPN主要的3种部署方案：

（1）方案S1：企业在SNPN网络范围（例如自动化工厂）内完全部署5G系统，包括无线网（RAN）和核心网（CN），有专用频谱用于SNPN（如图2）。由于SNPN的核心网独立于PLMN，SNPN的用户签约数据、控制面流量和用户面流量均保持在SNPN网络内，SNPN网络设备是非公共网络设备，使用和维护由部署网络的企业负责。

（2）方案S2：NPN企业通过与运营商共享RAN基站进行SNPN部署（如图3）[10]。在这种场景下，SNPN和PLMN仍具有不同的网络标识、各自独立的频谱和各自独立的核心网。本方案的特点是SNPN的基站与PLMN共享，这表明企业范围（例如自动化工厂）内为SNPN用户提供无线接入功能是由MNO提供的共享基站负责，从而形成SNPN子网。

（3）方案S3：NPN运营企业在部署SNPN时，不仅与运营商共享RAN基站，而且与运营商共享频谱（如图4）[10]。在这种方式下，SNPN和PLMN具有不同的网络标识和各自独立的核心网，同时NPN的核心网仍然单独管理NPN签约用户。方案S3的特点是SNPN的基站和频谱均与PLMN共享，共享频谱归运营商所有。

2.2  PNI-NPN网络

PNI-NPN是基于5G系统架构并与PLMN一起部署的专用网络。PNI-NPN由一个公共网络和一个或多个非公共网络子网组成。一方面，公共子网包含PLMN提供的网络功能，这些功能属于MNO管理，通常在专用网络（例如自动化工厂）外部署;另一方面，专用子网中与PLMN保持隔离的网络功能，这些功能在工厂内部署。

PNI-NPN和PLMN之间的区别主要体现在：

（1）PNI-NPN设备（用户）具备特殊接入标识符，即CAG ID，基站通过CAG ID区分公网用户和私网用户的网络接入权限;

（2）PNI-NPN沒有独立部署的核心网;

（3）PNI-NPN用户可以在PNI-NPN小区和PLMN小区间切换。

PNI-NPN网络主要有2种部署方案：

（1）部署方案P1。PNI-NPN网络中企业与网络运营商共享RAN基站、频谱和核心网的控制平面（如图5）。在方案P1中，NPN中唯一与PLMN分离的部分是CN用户平面。CN控制平面由PLMN提供，这意味着：1）NPN中的网络控制任务在MNO的管理域中执行;2）NPN网络用户既是NPN用户也是PLMN签约用户。企业数据通过自身UPF管理，并存储在企业内部。

（2）部署方案P2。NPN的企业完全与网络运营商共享RAN、频谱和核心网（如图6）。在方案P2中，NPN完全由运营商托管，NPN所有通信都在PLMN网络中进行，企业没有独立的数据需要管理，所有数据流都通过共享RAN节点路由到PLMN。在这种架构中，可以通过切片保证NPN业务的独立性。在这种方案中，如果企业有私有数据需要保密和管理，公网的UPF和企业数据间需加入防火墙，保证企业数据的安全。

2.3  NPN与PLMN互通

在某些情况下，SNPN设备需要访问PLMN数据，或者PLMN用户需要访问SNPN网络的数据，这种情况下需要SNPN网络与PLMN网络具备互通机制。因为这两种互通机制相互对等，下面主要介绍SNPN用户访问PLMN网络数据的机制，PLMN用户访问SNPN网络数据的机制就是反向过程。

SNPN用户访问PLMN网络数据的机制可根据业务类型分为两种。

（1）一种是在SNPN覆盖范围内，SNPN设备需要访问公共互联网数据。在这种情况下需要在SNPN和PLMN之间建立通信路径即可，如图2～图4所示，可在企业内网建立防火墙连接到外网，此防火墙允许SNPN数据网络和PLMN间建立连接。

（2）另一种是在SNPN覆盖范围内，SNPN设备需要访问PLMN相关的特有业务，如VoLTE通话，应急通信（Emergency Call）等，此时已经注册到SNPN网络的SNPN设备，还需要通过SNPN用户面，使用PLMN凭证执行一个PLMN注册。在这个注册中，NPN的访问会扮演“不受信任的非3GPP访问”（如图7），具体过程可参考文献[5]。

与SNPN一样，PNI-NPN设备也需要访问PLMN数据。当PNI-NPN设备访问公共互联网数据，对于方案P1，需要在PNI-NPN和互联网服务器之间通过防火墙建立通信路径，如图5和图6所示;对于方案P2，由于PNI-NPN和PLMN共享UPF，此时PNI-NPN用户可通过公网UPF直接访问互联网数据。

如果PNI-NPN设备需要访问PLMN相关的特有业务，如VoLTE通话，应急通信（Emergency Call）等，由于这种架构下PNI-NPN设备已经注册到PLMN网络，因此可以直接访问相关业务。

3    NPN特性分析

本节分析NPN网络特性，给出与不同NPN部署方案相关的NPN特性差异，供行业和企业NPN网络部署参考。

（1）QoS定制化能力

QoS定制表示NPN网络能够灵活配置网络参数，向特定用户或设备提供业务保障，满足目标应用需求的能力。这些业务需求包括覆盖状况（例如室内）、业务模式（例如上行/下行链路帧结构）和KPI值（例如吞吐量、时延和抖动、可靠性等），这些参数因不同的行业应用和需求千差万别。

（2）网络隔离

NPN网络隔离是使非公共网络的业务独立于PLMN网络数据业务的能力，这种独立性的评估包括：1）端到端的方式，从设备到数据网络;2）跨越不同的网络平面，包括用户平面、控制平面和管理平面。

（3）网络安全

为了保证工业场景中的安全性，要求NPN网络提供全面的保密性和数据完整性，特别是NPN和PLMN共享网络硬件设备，NPN业务数据与PLMN数据通过相同硬件设备进行传输时，更需要考虑网络安全。

（4）业务连续性

服务连续性是指假设当设备离开NPN覆盖时，网络能够提供该设备的无缝连接（0 ms服务中断时延），无论是设备暂时移动到NPN覆盖区之外的PLMN网络，还是设备在两个不同的NPN网络之间移动。例如，服务于同一垂直行业，由同一垂直行业管理的两个工厂，用户在两个厂房之间移动发生的切换。3GPP定义了如本文2.3节所述的基于非3GPP的互通功能（N3IWF）[8]的机制，这种类似N3IWF的网关解决方案需要终端具备双射频通道的能力才能够支持。

（5）网络自主掌控权

网络自主掌控权表示NPN服务企业对NPN网络的自主掌控和维护能力。企业自主掌控权越高，表明企业自主扩容和维护能力越强，NPN网络受外部网络影响越小，即无论PLMN发生任何意外（如安全故障、性能下降），NPN都能正常运行。

（6）NPN建设成本

NPN网络的建设成本与企业需要NPN提供的业务KPI能力相关。NPN网络建设和维护投资需要评估各种各样的成本来源，包括：

1）频谱获取;

2）租赁、购买和维护无线网络设施和设备;

3）购买、租赁、维护执行核心网功能的软件（如果虚拟化）和硬件设备;

4）租赁、购买和维护NPN网络内的数据计算、存储硬件;

5）NPN管理、维护和网络编排优化的运营支出。

表1分析了不同NPN部署方案对NPN不同属性的影响。从表1可以看出，与SNPN相关的部署方案S1、S2和S3使NPN在性能、管理和安全性方面完全独立，但是它们可能需要NPN部署企业的大量投资，并且可能会引入与PLMN的一些互通问题，这会阻碍用户移动时的服务连续性。这些NPN部署方案非常适合对KPI要求高的关键型任务、延迟敏感的工业用例等场景，这些用例要求完全隔离保证，并且网络设备相当可靠和稳定，受外界影响要尽量少。

PNI-NPN相關部署方案P1和P2的部署使NPN更依赖于PLMN行为。这有助于促进两个网络之间的互动，降低纵向市场的进入壁垒，但代价是使NPN在性能和管理方面独立性差。因此PNI-NPN部署降低了成本并促进了与PLMN的交互，同时降低了NPN在性能和管理方面的独立性。

未来网络部署时，需要考虑到企业应用的目标和网络KPI需求，选择合适的场景进行部署，最终选择的部署方案取决于垂直行业或企业的成本效益比。

4   结束语

本文介绍了3GPP NR标准中Rel-16版本正在标准化的NPN技术，包括PNI-NPN和SNPN，同时介绍了NPN独立组网和非独立组网的几种典型部署场景，包括从完全与PLMN分离的独立部署的SNPN方案到完全由PLMN托管的PNI-NPN方案，NPN与PLMN网络互操作方式。本文还根据NPN网络特征，对不同的NPN部署方案进行了比较分析。这些分析可以帮助垂直行业或有意愿部署NPN的企业可根据自己企业的特定需求，考虑到他们在NPN的设计、部署和运维方面的投入，来决定适合自己的部署方案。

目前3GPP标准化对于NPN已经提供了基本功能框架，在未来NPN部署研究中，还需要研究NPN与网络切片结合的部署方案和NPN/PLMN之间的互通和无缝切换。NPN为网络运营商带来了新的商业模式，NPN和PLMN的集成实现了一种协同关系，使行业垂直企业有动力投资5G基础设施，利用这些基础设施以较低的成本帮助企业完成产业升级，促进企业工业智能化发展。

参考文献：

[1]    S K RAO， R PRASAD. Impact of 5G Technologies on Industry 4.0[J]. Wireless Personal Communications， 2018（1）： 1-15.

[2]   Industry 4.0 Market Research Report. Industry 4.0 Technologies， Industry and Global Markets[R]. 2019.

[3]     N ABIR， A ZINAB， T J MOURAD. Industry 4.0 plans， 2019 1st International Conference on Smart Systems and Data Science （ICSSD）[Z]. 2019.

[4]    M A IMRAN. Enabling 5G Communication Systems to Support Vertical Industries[Z]. 2019.

[5]     3GPP. 3GPP TS 23.501： Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System （Release 16）[S]. 2019.

[6]     NASRALLAH AHMED， THYAGATURU， AKHILESH S， et al. Ultra-Low Latency （ULL） Networks： The IEEE TSN and IETF DetNet Standards and Related 5G ULL Research[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2018，21（1）： 88-145.

[7]    ETSI.  ETSI White Paper No.28： MEC in 5G networks    [Z]. 2018.

[8]    3GPP. 3GPP TS 23.734： Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on enhancement of 5G System （5GS） for vertical and Local Area Network （LAN） services （Release 16）[S]. 2019.

[9]     3GPP. 3GPP TS 23.700-07： Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on enhanced support of non-public networks （Release 17）[S]. 2020.

[10]   3GPP. 3GPP TS 23.251： Technical Specification Group Services and System Aspects; Network Sharing; Architecture and functional description （Release 15）[S]. 2018.

[11]    3GPP. 3GPP TR 33.819： Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on security for 5GS enhanced support of Vertical and LAN Services （Release 16）[R]. 2019.★

作者简介

蒋峥（orcid.org/0000-0002-5743-223X）：

教授级高工，博士毕业于北京邮电大学通信与信息系统专业，现任职于中国电信股份有限公司电信研究院，主要研究领域包括无线网络架构，非公共网络，大规模天线等，牵头并参与多项国家重大专项和中国电信重点项目，3GPP标准会议代表和3GPP立项报告人。

刘胜楠：硕士毕业于北京邮电大学信息与通信工程学院，现任职于中国电信股份有限公司电信研究院，从事5G标准化与标准仿真的相关工作，研究方向包括5G高层标准化、5G仿真平台、5G无线网络架构和V2X技术研究等。

田树一：硕士毕业于北京大学信息科学技术学院，现任职于中国电信股份有限公司电信研究院，从事5G标准化工作，研究方向包括5G核心网标准化、5G仿真平台、人工智能在5G中的应用。

陈鹏：高级工程师，标准团队总监，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信股份有限公司电信研究院，主要从事无线通信研究和标准化相关工作，中国电信3GPP全会代表，承担多项国家重大专项工作，曾担任LTE覆盖增强立项报告人。