5G专网核心网部署模式与挑战

杨文聪，杨文强，唐雄燕，王友祥

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

5G 肩负改变社会的使命，为满足垂直行业的差异化需求，孕育出eMBB、URLLC 和mMTC 三大场景，促使5G核心网（5GC）系统进行颠覆性变革，网络从传统的点到点通信演进为服务化架构，基础设施从传统烟囱式一体机演进为基于云化的统一资源池，5G 应用从消费领域向行业领域转型，5G 网络服务对象从传统的个人用户到兼顾更多行业用户需求。同时，电信传统业务增收乏力，需积极拓展新的业务方向，行业市场将成为5G 盈利增长的关键领域，主流运营商都将战略重点转向垂直行业领域。分析垂直行业业务和网络功能要求，探索5G 网络在行业市场的应用模式，研究5G 专网部署方案是电信领域面临的重大课题。

1 5G专网需求和应用情况

以5G 为代表的“新基建”将助推经济高质量发展，重点发展的工业互联网、人工智能、车联网、远程医疗等新兴产业都需要5G 网络的支撑。5G 将与云计算、大数据、人工智能等技术深度融合，极大地拓宽通信技术的应用领域，成为各行各业数字化转型的基石。深入行业市场、满足行业需求已经成为通信产业的关键动能和目标。

行业市场呈现需求多样化特点，垂直行业领域众多，制造、交通、电力、安防、金融等行业，对无线覆盖、网络安全性、数据保密性、设备移动性、网络控制权等的要求均不同于公网，基于公网的5G 网络方案难以完全满足行业需求，需提供定制化的专用网络服务。

据GSMA 预测，2030 年5G 赋能全球行业市场规模将达到7 000 亿美元[2]，国内外的运营商加速布局5G 行业专网。福特与Vodafone 合作建设5G 行业专网，西班牙电信和亚马逊合作建设基于公有云的5G 行业专网，国内运营商利用5G 的领先优势，在专网技术标准、部署方案以及运营模式等方面进行了深入的研究，并在港口、矿山、园区、工厂等重点领域部署试点，持续推进5G 行业专网与垂直行业的深度融合，加速5G 赋能千行百业的步伐。

2 5G核心网架构特征及专网使能技术

5GC 的演进聚焦赋能垂直行业，基于服务化架构和SDN（软件定义网络）/NFV（网络功能虚拟化）框架，结合网络切片、边缘计算、5G 非公共网络（NPN）、5G局域网（LAN）等新特性，实现网络架构开放化、网元虚拟化、资源灵活调度以及定制化场景应用，极大发挥网络基础能力，适应垂直行业的多样化需求，拓宽了5G的应用场景和应用范围。

2.1 5G架构特征

5GC 进行了重构，如图1 所示，与4G 网络架构相比，用户面的服务和接口不变，控制面借鉴IT 思想采用服务化网络架构，网络功能拆解为模块化网络服务，接口采用服务化网络接口，实现网络功能的灵活定制。

图1 核心网服务化架构[1]

2.2 服务化架构

服务化架构打破传统点到点的通信模式，把网络功能拆解为若干个网络功能服务。网络功能服务间解耦，每个网络功能服务独立部署、独立升级、独立运维且可重复应用。网络功能服务可以根据需求灵活组合，形成不同的网元功能模块。针对更多更小颗粒多的网络功能服务，服务化架构实现了自动化管理，包括网络功能服务自动化注册、自动化发现和选择以及自动化认证和授权等。基于服务化架构，5G 网络资源更加开放，网络基础能力灵活可定制，能够最大限度发挥5G 网络的潜能，适应创新业务发展。

NFV 设计：5GC 基于SDN/NFV 技术实现网络云化。利用NFV 分层解耦的特性，实现网元软件与硬件的解耦，屏蔽硬件的多样性，共享虚拟资源池，降低业务部署的复杂度，实现多样化网络业务快速灵活部署。利用NFV动态弹缩的特性，资源与业务容量动态匹配，提高了资源利用率，加快了网络部署和调整的速度。

2.3 行业专网使能技术

（1）网络切片

网络切片技术是5G 网络的核心特征和能力。5G 网络包含高速率、大连接和低时延等不同场景，传统一张网络服务所有用户的业务模式不再适用，5G 网络切片技术可以基于SLA 服务要求，为不同客户、不同业务提供相互隔离、功能可定制的网络服务。与传统的服务质量（QoS）、接入点名称（APN）/ 数据网络名称（DNN）提供的差异化服务能力不同，网络切片是端到端的逻辑专用网络，一个5G 切片实例包括无线网、传输承载网、核心网等网络功能，可服务于特定的业务场景。

（2）边缘计算

边缘计算节点整合了网络、计算、存储等资源，可在用户、数据侧就近部署各类时延敏感、服务本地用户的应用，提供一站式计算服务和敏捷交付能力。5G 行业应用场景下，网络可以通过边缘计算减轻网络传输负荷，降低业务的响应延时，满足垂直行业对网络大流量、低时延、安全等诉求。同时边缘节点需要与核心网对接，实现中心与边缘节点的高效协同。

（3）5G NPN

非公共网络（NPN）是区别于电信运营商公有网络，为特定群体用户/行业用户服务的网络。依据3GPP 标准组织在TS23.501 R16 的定义[1]，非公共网络主要包括两种类型：独立组网的NPN 网络（SNPN），不依赖于5G 公有网络，可与5G 公网隔离独立建设，该方案适用于行业大客户提供全封闭的独立网络；非独立组网的NPN 网络（PNI-NPN），基于公网提供的NPN，比如，通过5G 公网的一个或多个网络切片实例提供NPN。5G 定义的两种NPN 网络技术都可以实现端到端的网络资源保障，为用户提供网络隔离能力，满足不同场景下的专属接入要求。

3 5G专网核心网的部署方案

5GC 网络架构服务化、网元功能虚拟化以及众多专网使能技术的快速发展，为5G 专网服务能力的定制化、智能化打下坚实基础。根据不同的应用场景，5G 专网核心网有多种低成本定制化的方案。

3.1 网络切片虚拟专网部署方案

网络切片虚拟专网部署方案中，虚拟专网基于公网物理网络资源，通过网络切片隔离出多个端到端的逻辑子网，如图2 所示，在不增加物理资源的情况下，为用户提供端到端的按需隔离服务。该方案基于5G 公网部署，公网覆盖范围内均可提供虚拟专网服务，服务范围广，而且不需要物理建设，只需要相关数据配置，提高了运营效率，降低运营成本。但基于切片的虚拟专网的SLA受限公网资源配置，只能有限定制。网络质量受公网网络质量的影响大，网络质量只能有限保障。

图2 网络切片虚拟专网方案

网络切片虚拟专网使用运营商公网资源，不受地理区域限制，一般使用于具备广域特征的行业，如：智慧交通、智慧城市、电力、车联网、物流及跨域经营的特大型企业。

3.2 边缘UPF混合专网部署方案

对于用户面数据流进行安全保障的行业客户，希望业务数据不出园区，建议采用边缘UPF 混合专网部署方案。组网方案如图3 所示，该方案控制面共用公网资源，UPF 作为5G 与垂直行业连接点，下沉到行业用户本地，通过数据分流技术使得端到端业务数据都在本地完成交互，实现业务数据不出园区，大大降低传输时延。由于UPF 下沉到本地，端到端业务数据本地化处理，不需要绕行到运营商的接入环和汇聚环，端到端的时延降低，数据的安全隔离度高。根据用户的需求，可灵活定制边缘UPF 的功能模块、硬件设备、性能容量等，满足不同行业的个性化需求。但是由于控制面共用公网5GC，业务的SLA 以及切片管理等方面只能有限调整。

图3 边缘UPF混合专网方案

边缘UPF与边缘平台共部署在行业用户本地，行业应用通过边缘平台承载在5G网络上，通常有3种技术实现数据的本地分流，包括基于单PDU会话的上行分流器ULCL方案、基于单PDU会话的IPv6 Multi-homing多归属方案以及基于多PDU会话的本地数据网LADN方案。该方案与公网5GC相比，只是UPF部署位置下沉到行业用户侧，卡号管理、公专网联动等技术方案实现简单。能够满足局部开放场景业务，如工业制造、交通物流、工业园区、港口码头、城市安防等。

3.3 智能定制专网部署方案

智能定制专网方案是指与公网部署相对独立的5G专网方案，其核心网采用可定制裁剪的轻量化架构实现。此类专网方案适用于对安全隔离性、可靠稳定性、数据保密性以及网络控制权等要求较高的大中型企业，如航空、矿井、油田、码头、核电等场景。专网要求较高的场景下，不但要求用户数据不出园区，也要求网络控制信令也不出园区，基于公网实现的专网方案，信令数据、网络功能等仍依赖公有网络实现，网络质量受公网实时状况影响，现有基于公网的专网方案不能完全满足其需求，此类行业应用更倾向于将5GC网元按需整体下沉到园区，使用网元按需组合的定制专网。智能定制专网组网方案如图4所示：

图4 智能定制专网方案

智能定制专网部署方案针对特定的行业用户场景，核心网在功能需求、用户规模、设备维护等方面与公网存在明显差别，同时还需考虑设备性能和成本要求。公网5GC 产品，网元众多且功能复杂，用户规模大成本高，部署及维护复杂，难以向垂直行业用户推广。因此核心网可基于服务化架构和云化部署能力，采用硬件设施精简、功能裁剪定制、部署运维简单的轻量化5G 核心网产品，打造一张资源独享、安全可靠、成本可控的5G 专网为企业应用提供有力支撑。

3.4 5G专网核心网公有云部署方案

在电信行业，核心网作为核心生产系统，一般都部署在运营商机房，设备云化后部署于自建的电信级私有云上。随着公有云的发展和成熟，部分运营商出于对业务创新或者商业价值的探索，考虑采用混合云方式把部分核心网业务部署在公有云上。特别是针对垂直行业的5G 2B 市场，尝试采用合作模式引入大型云服务商，实现优势互补，抢占市场高地。

5GC 控制面一般采用集中方式部署，用户面UPF 按需下沉到地市或者边缘。公有云部署方案下，专网5GC控制面部署于公有云中心机房，用户面UPF 下沉到边缘节点，基于UPF 边缘节点的建设方式，考虑以下两种模式，如图5 所示：

图5 5G专网核心网公有云部署方案

模式一：完全边缘模式。UPF 边缘节点由运营商提供，运营商利用自身机房条件，建设包括硬件资源池、虚拟化层在内的边缘云节点，UPF 由运营商边缘节点承载。

模式二：合作伙伴边缘模式。UPF 边缘节点由运营商与云服务商合作提供，运营商提供风火水电等机房环境，云服务商提供边缘节点硬件资源池、虚拟化层及UPF。

运营商需要基于自身的边缘节点策略，结合网络资源、边缘环境等优势，选择合适的建设模式和合作伙伴，与公有云的云服务优势形成合力。同时在技术层面，需要关注公有云和电信云在架构和业务上的差异，在公有云部署环境下，从方案和产品层面，完善5GC 可靠性、运维、监管等方面的要求。

4 5G专网核心网部署面临的问题与挑战

（1）商用周期长

边缘UPF 混合专网和定制专网服务对象是行业客户，各行各业的需求千差万别，对专网产品方案的需求差异化明显，很难用统一的标准去衡量，专网产品方案的标准化难度较大。专网产品的网络架构和协议流程遵从3GPP标准[1]，但在部署形态、网元功能、接口等方面没有统一的规范，需要运营商制定企标标准，规范设备厂家的产品，目前专网产品达到规模商用的程度还需要一定的周期。

智能定制专网方案中，运营商管控公专网的UDM，通过分级UDM 部署将放号权上收，行业专网不包含UDM，或者下沉到本地的UDM 仅仅用于备份，分级UDM 管理方案复杂，技术方案还在研究论证中。定制化专网物理上与公网隔开，公网与专网漫游互通的联动方案没有标准化规范，技术方案没有统一。不同行业对于容灾场景及可靠性要求不一样，无法采用一刀切的容灾方案，容灾技术方案还需完善。

（2）运营管理挑战大

边缘专网产品是多个设备厂家提供，各厂家的运营体系不兼容，统一运营难度大。行业专网分散在千百个园区，专网故障定位涉及5G 基站、传输、核心网配合，需要专业的本地运维团队，或提供集中化远程运维管理系统，运维成本高。

运营商通过分权分域实现专网用户和公众用户管理上的差异，主要原则是对专网用户开所管网元的拓扑、告警监控、性能统计等查询功能，涉及到全网的配置功能不对专网用户开放，由运营商统一维护。分权分域后，用户在网管界面上只能看到该用户所管的网元和授权的操作。从行业用户的角度来看，不希望运营商对自建的网络进行过多的干预和控制。两者的运维控制界面存在一定的分歧。

5 结束语

根据行业用户的不同需求，5G 专网提供按需的高定制化的网络能力，促进5G 网络与垂直行业的深度融合，助力行业客户实现5G 智能化转型。在5G 行业专网发展的初期，部署方案、运营运维模式等方面均面临诸多挑战。运营商以客户为中心，将继续在新型技术方案、关键技术以及商业模式等方面进行积极探索，补齐并完善5G专网网络能力和服务能力，打造面向垂直行业的5G 专网端到端运营和服务体系，共同创造5G 产业美好的未来。