支持行业应用的5G核心网方案

2021-01-27聂衡赵慧玲

移动通信 2021年1期

聂衡，赵慧玲

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

5G技术的兴起掀起了生产要素智能化转型升级的热潮。随着“新基建”战略的持续推进，各行各业对于利用5G 技术实现转型升级的需求愈发迫切。如果说前几代移动通信主要是面向公众用户的业务场景进行设计，那么5G 则是为了移动通信网络能够支持万物互联和行业应用而设计，从而进一步拓展移动通信网络所能服务的市场。

负责移动通信标准制定的国际组织3GPP 首先在R15 完成5G 的基本标准，奠定了5G 网络的基础能力和网络架构，其覆盖了5G 网络的基本特性，可以满足5G 三大基础场景之一的eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强的移动宽带）场景[1]。然后3GPP 在后续的R16 和R17 标准制定中主要的内容是围绕垂直行业、物联网的增强和拓展来设计，以实现5G 网络的设计初衷。目前3GPP 已经完成了R16 版本的标准，支持很多垂直行业所需的网络能力，包括URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，高可靠低时延通信）、5G LAN（5G Local Area Network，5G 局域网）、TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）、NPN（Non-Public Network，非公共网络）、CIoT（Cellular Internet of Things，蜂窝物联网）等。但是3GPP 主要是从基本技术和标准层面来研究如何支持行业应用，并不会研究如何使用这些技术、如何部署各种网络来满足行业用户的需求。

本文分析了5G 时代行业应用的业务特点和业务对网络的需求，对相关的核心网方案进行了分析，并且提出了应用建议，可以为未来规模应用基于5G 核心网技术的行业网络提供参考。

1 行业应用对5G网络的需求

随着5G 网络的逐步建设，行业用户、运营商、设备商也开始合作对各类行业应用如何进行数字化升级、如何通过5G 网络来实现各种功能进行了探索。这些业务涉及到广阔的行业，例如AR/VR、游戏、智慧园区、医疗、能源、工业制造、公共安全等。基于这些行业对5G网络的要求的比较，可以看到不同行业的信息化特征差异明显，行业间的业务场景对信息化需求的程度各不相同。例如，对于业务端到端时延、业务的最大可用带宽、业务的安全、业务数据的隔离度、业务要求的覆盖范围等，不同行业有着不同的需求。

由于这些行业客户需求多样、应用场景复杂，而传统的主要面向公众用户部署的单一的移动网络无法很好满足行业不同应用场景的差异化需求和行业客户数字化转型升级的业务需求，客户亟需可定制的5G 专用网络，来满足安全隔离等级、低时延、云网融合等不同层面的行业数字化所需的信息基础设施需求场景[2]。5G 专网服务不仅仅是一张通信网络，更是一种融合网络、云计算、边缘计算、应用平台全面定制的综合解决方案。

5G 专网面向不同行业的场景需求可以提供定制化的解决方案，以满足差异化的行业需求，如大带宽需求、超低时延需求、高可靠性需求、网络能力定制化需求、高安全需求、业务数据隔离需求。针对不同行业可以引入不同的组网需求，例如低时延需求可以引入本地业务保障、业务加速、边缘云组网需求；强隔离需求将引入数据不出园区、端到端切片的组网需求[3]。

目前业界对采用5G 专网来满足行业的需求已经有了基本共识。例如，2020 年3 月工信部通信〔2020〕49 号《关于推动5G 加快发展的通知》中建议加强5G 技术和标准研发，组织开展5G 行业虚拟专网研究和试点，打通标准、技术、应用、部署等关键环节。提出“内网建设改造覆盖10 个重点行业”、“打造一批5G+工业互联网内网建设改造标杆网络、样板工程，形成至少20 大典型工业应用场景”。国内的5G 应用产业方阵也成立“5G 行业虚拟专网研究项目组”，全面推进5G 行业专网的技术研究、标准制定、测试验证及实际部署。

2 5G专网的不同类型

针对不同行业/ 企业客户对5G 专网的专有程度的不同、与运营商的5G 大网之间的关系，5G 专网可以分为虚拟专网、UPF 专用、5GC 专用三种类型。

2.1 虚拟专网

虚拟专网是从运营商5G 物理大网资源中虚拟出来的行业专网。得益于云原生的5GC 虚拟化技术、5G 网络端到端切片技术，虚拟专网可以基于运营商的5G 网络资源，通过QoS、DNN 定制和切片等技术，为行业客户提供端到端差异化保障的网络连接、行业应用等服务。虚拟专网的本质是公网专用，基于运营商的公网来为行业用户提供网络服务。虚拟专网在成本、安全、服务开通等方面具有以下优势：

成本优势：虚拟专网可以复用公网成熟的5G 产业链，该产业链通过运营商在广大的公众市场的规模建网，能够实现芯片、终端和网络设备的低成本化。在5G 网络建设方面，虚拟专网促使行业企业摆脱“一次性建网、一次性投入”的高成本模式场景[4]，通过租用运营商的大网中的物理资源，实现网络建设的低成本化。在网络运维方面，行业企业可同运营商协作，在获得网络运营及运维的自主权的前提下，摆脱复杂的5G 网络设备运维，实现多样化、简单化、自主化的5G 网络使用和运维模式，从而最终降低运维成本。

安全优势：虚拟专网可以在运营商5G 公网完备的安全基础之上给企业提供定制化的安全保障。同时由于虚拟专网基于运营商5G 公网，可完全借鉴电信级大规模通信网络安全运营经验，让行业/ 企业获得来自运营商的电信级安全保障服务。

服务开通优势：虚拟专网是基于运营商已经成熟的商用5G 网络，针对行业/ 企业的需求进行对应的网络配置/ 功能定制，例如配置对应的切片信息、DNN 数据、QoS 参数、业务路由数据等，因此服务响应和业务开通速度会比较迅速。

根据不同行业/企业的业务对网络资源占用和对网络隔离度的不同需求，企业的虚拟专网可以与运营商的5G 公网共用物理网元共用切片，这种情况下可以通过设置企业独立的DNN 来区分企业的业务。企业的虚拟专网也可以与运营商公网用户共用物理网元，但是采用独立的逻辑切片实现一定程度上的隔离。企业的虚拟专网还可以采用与运营商公网用户网元独立的物理切片，实现更高层次的隔离。

随着未来行业应用向更深的层次发展，例如引入URLLC、5G LAN、TSN、NPN 等新的网络特性，会要求5G 网络持续升级演进。另外，从4G 网络的经验看，各行各业的应用本身也有大量特殊的定制功能需要网络频繁升级。并且行业应用对网络的个性化配置也比公众业务多得多、要求配置数据的生效开通更快。例如某运营商4G网络上的承载物联网业务的PGW（Packet Data Network Gateway，分组数据网络网关）配置了上千个APN 数据，几万条DPI 规则，而承载公众业务的PGW 上只配置了几个APN，一万多条DPI 规则。鉴于行业专网与公众网络在上述的网络升级演进、业务数据配置、数据运维管理等方面的不同，随着未来5G 行业应用的规模增长，面向行业的虚拟专网最好能够与面向公众用户的网络在一定程度上区隔。

2.2 UPF专用

有些行业/ 企业用户对用户面承载的业务数据的时延、安全/ 隔离有更严格的要求，但是对控制面没有特别的要求。例如园区里的生产企业要求产生的业务数据不能出园区；要求业务端到端时延小于某个数值才能实现正常的生产控制。这些行业/ 企业的需求是针对数据转发网元UPF（User Plane Function，用户面功能），可以在前面所述的虚拟专网的基础上采用企业专用的UPF，实现控制面共用、用户面UPF 专用。通过UPF 专用，并且可以根据时延需求、隔离需求下沉到企业园区，这样就解决了企业本地数据不出园区，保障了企业数据的安全/隔离。专用的UPF 能够提供企业定制化业务能力和业务数据配置，能够保障一定程度的端到端业务时延。

根据不同行业/ 企业的需求，专用UPF 的部署层面也不同，例如部署在运营商的省5G 核心网中、地市、企业园区。专用UPF 部署位置往下沉，会增加UPF 部署的困难。所以实际部署专用UPF 时需要运营商和行业/ 企业进行具体案例的分析和权衡，如图1 所示：

图1 专用UPF的部署层面

由于不同行业/ 企业的业务量不同、UPF 设置层面的不同，采用单一的UPF 设备无法解决所有的专用UPF应用场景，因此这一类UPF 需要深度定制，在容量、配置、设备形态方面形成不同的规格，形成多样化的生态。目前运营商省内的5GC 网络为了简化网络组织一般都是采用单一厂家的SMF，而今后专用UPF 的应用场景必然会面临多厂家的情况，因此SMF 与UPF 之间的N4 接口的打通也将是落实专用UPF 应用的关键环节。

对于部署在企业园区的UPF，需要解决承载问题、与运营商5G 大网控制面互联的安全问题，这必然增加了运营的成本和复杂性。例如，传统上5G 公众网络中的无线网没有设置到附近企业园区的直达承载，为了连接园区内的UPF，需要专门考虑N3 接口如何承载的问题。对于无线网共建共享的情况，则更为复杂。因为无线网的建设方只是在省层面才设置了到共享方的UPF 的承载连接，并没有设置到无线网附近企业园区的共享方UPF 的连接，为此需求需要双方协商如何实现这一段N3 接口的打通。设置在企业园区内的UPF 通过N4 接口连接到运营商5GC 大网，考虑到企业园区网络环境的复杂和不可控，需要研究针对性的安全方案保障5GC 大网的安全。

2.3 5GC专用

对于某些行业和企业，由于对网络安全、对网络的自主掌控更加敏感，需要完全物理独立的5G 物理网络来承载自身的业务数据，与5G 公众网络严格隔离互不影响。这些企业自主性强，要求网络从控制面到用户面都完全隔离，需要独享物理5G 网络。从市场来看，随着5G 工业频谱发放以及4G 专网惯性等因素，未来会有越来越多的企业倾向采用专用的独立5G 网络。例如，德国已经发放了70 多张5G 工业专网许可，这里面很多企业都选择了独立建5G 网络。国内工信部也在积极研究5G 工业互联网专网频率试验使用许可，推动工业企业的数字化转型。在4G 时代，部分行业/企业已经采用了独立建设4G 网络，例如像轨道交通、电力等自有专用频率的行业；以及租用运营商频率的行业，例如矿井、港口等。这些行业大概率在5G 时代会继续采用独立建5G 网络。

如果采用基于公众网络的传统5GC 产品来为行业用户提供专用5GC 服务，会面临如下诸多问题：

（1）建设成本高、周期长：传统5GC 网元众多、系统复杂，网络建设时间长；

（2）业务部署/ 开通相对不灵活：传统5GC 网元采用电信方式部署，网络上线慢、流程长；

（3）定制化能力不高：针对企业需求的新网络功能的开发、测试、验证、上线时间长；

（4）运维复杂：传统5GC 采用电信级运维，成本高；并且网元多、功能多，配置复杂；

（5）云网融合能力不足：传统5GC 采用电信云，而企业内部很多应用却逐渐向IT 云转移。

考虑到上述问题，业界开始逐渐思考采用轻量化5GC 来应对，一些传统核心网设备厂家、行业应用集成商、主流的云计算服务提供商、运营商都已经开始研发轻量化5GC 产品。轻量化5GC 是一种核心网下沉到企业侧的方案，目前产业界还没有正式的定义。我们认为轻量化5GC 是针对标准5G 核心网功能进行定制化裁剪的核心网，可基于云原生技术实现，支持按企业客户需求对功能、性能、部署模式等进行定制开发、快速部署。设想的轻量化5GC 架构如图2 所示：

图2 轻量化5GC架构

5GC 基于服务化架构设计，可以比较容易地进行网络内部各种功能的定制和裁剪。如图2 所示，AMF、SMF、UPF 是下沉到企业侧的轻量化5GC 必备功能，负责移动性管理、会话管理、企业业务数据的转发。UDM（包括AUSF）负责用户数据的认证鉴权、开销户管理，是码号管理的关键网元。根据具体的行业/企业案例需求，UDM 可以设置在轻量化5GC 内部，由企业客户自行管理用户；也可以由设置在运营商网络中，由运营商来统一进行用户管理，企业侧的轻量化5GC 与运营商大网进行N8、N10、N12 接口互通。对于PCF、CHF 这些网元，可以基于企业专网具体的业务需求进行设置，例如是否需要进行动态策略控制、是否需要进行流量计费等。除了上述网元级别的裁剪，轻量化5GC 还能进行更细颗粒度的裁剪，例如网元内部的各种功能和微服务也可以按需裁剪；一些服务化接口成为内部接口，不需要暴露出来，从而简化软件的处理。另一方面，轻量化5GC 支持轻量级的网络运维，更适合企业对小型的5G网络的维护需求，降低了企业的运营成本。

轻量化5GC 的在技术实现上可以提供多种的规格和形态，以精准匹配不同的客户和应用场景。例如，轻量化5GC 采用紧凑型的软硬件一体机，大小可以按需做到1U/2U/4U，内部集成5GC 关键功能。这种方案部署时灵活度很高，按照企业的需求提前预置相关软件和数据配置，运到企业现场后可以即插即用，一站交付。轻量化5GC 可以采用纯软件化云部署，各种软件功能高度集成按需定制，网络的容量可以灵活配置。这种方案适合企业有云网融合需求的场景，将网络和各种业务应用都通过上公有云来降低成本。因此轻量化5GC 支持公有云的部署也将是重要的能力。

轻量级5GC 是新形势下适应企业数字化转型需求的新型网络方案，目前还不太成熟，需要产业界积极推进技术、标准化、产业化、合作模式等方面的研究，并且轻量化5GC 也会面临安全、监管、维护等方面的挑战，建议从商业模式和目标客户，企业投资、运营商代建代维等多维度综合评估。