极简5G专网技术方案分析和研究

2021-02-25周进青方绍湖罗漫江

通信电源技术 2021年17期

关键词：专网核心网分流

周进青，方绍湖，区洋，罗漫江

（京信网络系统股份有限公司，广东广州 510663）

1 当前5G专网方案

1.1 网络切片

利用公网覆盖特性，5G通过网络切片的虚拟专网为行业用户提供一般性的普遍接入和服务，满足室外、跨地区行业在各种场景下的切片应用需求，如图1所示。

图1 网络切片专网方案

企业园区专网服务与公网业务服务共享现有的5G网络，根据不同行业及用户的差异化需求，5G基站（gNB）、传输网、5G核心网（5GC）需支持端到端的网络切片服务，企业园区数据从运营商5GC再回流到企业园区。如果行业用户需要数据流量，通过与运营商协商进行专项定制服务[1,2]。

1.2 UPF/MEC下沉

为保障数据不出园区的本质诉求，5GC用户面UPF/MEC（集成UPF）下沉至用户现场，园区专网与公网之间核心网控制面共享。企业园区5G物联终端鉴权后接入到运营商核心网，业务数据通过本地UPF/MEC卸载，为企业应用提供数据流量。UPF/MEC下沉专网方案如图2所示。

图2 UPF/MEC下沉专网方案

2 5G极简专网技术和方案

当前，专网建设存在流量成本高、数据安全性不高以及行业客户难以自主掌控等问题。在5G垂直行业应用场景中，局域场景占据了相当大的比例，尤其是在工业互联网领域，人们对轻量化、极简化、安全、低时延以及可自我管控的本地专网解决方案具有极大的需求。

2.1 基站本地分流

UPF部署成本较高，对于一些中小场景客户比较敏感。在基站侧直接卸载本地数据，可以快速为垂直行业提供5G管道流量，从而为行业应用提供大带宽、低时延的数据服务。基站本地分流方案如图3所示。

图3 基站本地分流方案

在gNB基带单元BBU内置本地分流LBO功能，根据配置的分流规则，将本地企业园区业务数据分流到本地应用服务器，其他公网业务数据回传至运营商核心网。基站本地分流技术原理如图4所示。

图4 基站本地分流技术原理

基于gNB的标准协议栈，在PDCP/SDAP与N3接口协议栈之间扩展一个本地分流模块（LBO）实现对本地数据流的分流处理。上行的本地数据流通过LBO模块，根据配置的分流规则匹配识别后，数据包不再进行GTP-U封装，而是直接封装ETH（以太网）层后发送到本地网络。本地网络的下行数据流通过LBO模块，匹配映射到PDCP承载/SDAP QoS flow中，发往空口协议栈[3-6]。

2.2 轻量级独享专网

轻量级独享专网系统由5G小基站、轻量级5G核心网、轻量级5G MEC以及5G网管等组成，其部署在企业或园区内，为垂直行业提供一个独享的端到端解决方案，如图5所示。该方案与公网外部完全隔离，数据不出园区。同时系统可以自主可控，只承载本园区内的业务数据，确保数据可靠性和低时延特性。

图5 独享5G专网方案

5G小基站具备部署灵活、功耗低等特点，非常适合专网应用场景。其中，三级架构小基站用于企业园区室内场景的5G信号覆盖，包括5G基带单元、扩展单元以及远端单元。两级架构基站用于企业园区室外场景的5G信号覆盖，包括5G基带单元、射频拉远单元（RRU）。

5G核心网包括AMF、SMF、UPF、UDM以及AUSF等网元，轻量级5GC基于服务化+容器化+无状态的云原生设计架构，在单台服务器上实现整个核心网的各网元基础功能，大大简化了核心网的系统硬件架构，具备高集成特性和可扩展性。轻量级MEC部署在园区的算力平台，支持业务数据本地卸载、第三方应用等功能[7-10]。

2.3 极简一体机专网

在上述轻量级独享专网中，轻量级5GC、轻量级MEC、5G BBU以及5G网管采用通用服务器硬件，软硬解耦。为进一步简化网络设备物理单元、降低系统功耗，将上述各网元通过容器化方式高度集成到服务器的单颗CPU芯片上，提供极简5G网络平台解决方案，如图6所示。通过一体化集中部署，减小设备占地面积，促使网络管理更加便捷。

图6 极简一体机5G专网解决方案

一体机采用多层架构设计，如图7所示。其中，L1层承载一体机的硬件资源、CPRI协议、加速处理等功能；OS层为操作系统，可采用CentOS开源系统，安装RT实时内核满足通信系统实时性要求；MEP层主要实现边缘计算平台的功能，统一进行资源编排和容器虚拟化管理；App层为应用层，以5GC、BBU、NMS(网管)等其他App作为应用实例，以容器镜像形式进行加载部署。

图7 5G多网元一体机架构

由于5G多网元一体机要实现多个逻辑网元共享CPU、内存以及接口等，并且每种网元对资源的要求都不同，因此在一体化共享部署中需要重点考虑资源的冲突问题。针对MEP、BBU、5GC、NMS软件及其他App应用，需要定义和计算这些软件不同性能等级的算力需求，再由MEP分配各软件系统和硬件资源，以达到系统性能的平衡。通过增加N2、N3接口适配器来代替原有N2、N3接口协议栈，进一步减少对资源的消耗，降低控制面和用户面数据的传输时延。

3 5G专网方案对比

各专网方案优劣势对比如表1所示。

表1 各专网方案优劣势对比表

各种专网方案都有较大的差异性，行业客户要从数据安全性、成本、可管控性等方面综合考虑，选择满足自身要求的专网方案。通常对于数据安全性和时延要求一般并且是广域覆盖的行业，建议选用网络切片专网方案；对于数据安全性较高、低时延业务、成本不敏感以及场景较大的行业，建议选用UPF下沉专网方案；对于数据安全性较高、低时延业务、成本敏感以及场景较小的行业，建议选用基站分流方案；对于数据绝对安全、低时延业务、成本不敏感、场景较大以及网络自主管控的行业，建议选用轻量级独享专网方案；对于数据绝对安全、低时延业务、成本敏感、中小场景以及网络自主管控的行业，建议选用极简一体化专网方案。