基于5G的大中型企业工业互联网网络架构研究

王晓晔，刘瑶，吴东

（岭南师范学院信息工程学院，湛江524048）

0 引言

在当今互联网时代，互联网对于企业的发展至关重要，特别是对于大中型企业由于其涉及范围较大，信息数据较复杂多样，因此在进行信息网络规划时应主要在保证其安全性的前提下结合实际情况进行统筹规划，同时要根据时代的发展进行适当创新，促使企业内部产品、人员、制度、决策等资源可以得到充分的应用，保证员工之间方便、快捷的通信以及实现资源及信息共享，在重点完善相关规划的同时提高全面管理力度，不仅可以加强企业内部管理工作，提高工作效率，同时为自身信息网络的发展提供更大的空间，从而为公司带来新的发展机遇。

1 大中型企业网络建设需求分析

由于大中型企业在发展过程中在使用企业网络方面普遍存在几大“痛点”：

一是企业对数据安全性要求高，公网传输方案无法满足企业需求；

二是有线网络难以满足柔性制造的需求，生产线灵活编组效率低下，产线切换周期长，制约产能；

三是Wi-Fi、RoLa等解决方案在稳定性、可靠性上达不到工厂对带宽、时延、稳定性要求，AGV智能车和设备控制经常出现故障。

为了解决大中型企业的大带宽、低时延、高安全性要求的智能工业应用需求，大型企业网络的建设必须满足便捷、高速的特点，以提高企业内部的信息反馈速度，提高办公效率，满足企业各职能部门和员工之间的信息交流、信息共享的基本要求；其次，现代企业网络的建设必须满足办公自动化、管理自动化的特点，可以减少管理部门繁琐复杂的管理工作，以提高企业管理工作效率实现自动办公自动化；最后大中型企业网络的建设还必须满足企业信息资源的安全性、服务器工作的稳定性，所以可靠性、安全性也是现代企业网络建设必须满足的基本要求，使得企业可以更好地把握市场机遇，提高企业市场竞争力。

2 企业网络建设的基本设计原则

2.1 大带宽、低时延原则

在大中型企业网络建设时，为了满足市场要求，结合企业现状采用前沿的高性能网络设备和技术，构建高可靠，大宽带、低时延的企业网络，以保证企业日常办公和运营的需求，并在短期的企业发展过程中所建设的企业网络不被市场淘汰。同时采用统一的网络协议和接口标准，来实现企业内部网络的互联，可以在企业内部形成局域网局域网络，以保证信息安全性更高文件传输速度更快。

2.2 高安全性原则

大中型企业在发展过程中，网络安全性是当今最为关心的事情，企业网络中采取多种技术从内部和外部同时控制用户对网络资源的访问。同时系统的性能指标应能满足网络内各项业务对处理能力的要求，整个系统应当是可靠的、安全的。大中型企业在发展过程中随着业务的快速扩大，那么就需要企业网络系统必然随之不断扩大，即要具备易管理、可扩展的基本原则。在企业架构发生明显变化时，企业可以在原有网络基础上进行升级改革，降低后期维护成本使得企业网络可以获得更大的收益。

3 网络规划方案详细设计

下面是网络规划方案，分别从整体方案、无线网方案、核心网方案、传输网方案四个方面阐述。

3.1 整体方案规划

整体方案采用4.9G基站私有+5G SA核心网（控制面、用户面）全私有构建私有专用网络，700M、2.6G+ToC核心网满足公网需求。该方式私网与公网频率物理隔离，安全性高。4.9G提供给企业建设私网，可以按照100M带宽，在企业运营过程中可按照企业实际需求灵活提供。私有核心网按照（控制面、用户面）全功能方式建设。公网需求通过700M、2.6G基站+ToC核心网解决。企业网络整体规划如图1所示。

图1 企业网络整体规划

3.2 无线网方案

以有效覆盖面积约5平方公里的一个企业园区为例，应用需求为上行最大带宽需求8400M，下行最大带宽需求为1200M。通过容量计算企业所需要的基站总数，再根据基站站间距计算公式，得出基站分布落点图。

基站站间距计算公式：

上式中，D表示站间距，Q表示面积；M表示基站个数。

4.9G+2.6G+700M：基站能力以上行：100Mbps，下行：780Mbps为标准。

该组网方案为，2.6G提供广度覆盖以及主力容量层；4.9G提供热点区域容量补充；700M提供深度覆盖以及广度覆盖；公网和私网流量，采用相同频率承载，私网流量可考虑采用预留PRB方式满足；多频组网，取长补短，可作为竞对的一个优势；站间距470m；按平均每个小区下行速率780Gbps，上行速率100Mbps，容纳用户数400个，为满足容量以及覆盖需求，需要建设28个基站共84个小区，如表1所示。

表1 组网方案

3.3 核心网方案

首先根据企业的具体情况可以分析企业的具体需求，例如：用户规模方面，视频监控类900个，AR/VR交互类10个，设备数据采集类8000个，总并发量8910个；时延要求方面，视频监控类、AR/VR交互类对时延要求小于30ms；设备数据采集类对时延要求30-100ms；数据安全方面，要求数据不出园；云网融合业务需求方面，UPF流量需求上行8.4 Gbps、下行1.2 Gbps。

根据上述企业需求进行需求分析，其组网模式为，要求数据不出园区、核心网私有，故需采取“尊享”的行业模式，为打造5G专网；时延方面，UPF下沉到数据中心机房，可将视频监控类、AR/VR交互类、设备数据采集类流量卸载至园区，时延进一步缩短至30ms以内，实现超低时延，并确保业务数据安全；容量规模方面，视频监控类，上行、下行最大带宽为7.2Gbps，需要2台50Gbps流量规格的专用UPF（2台1+1主备，具备容灾功能）；AR/VR交互类，上行、下行最大带宽为1.2Gbps，需要2台5Gbps流量规格的专用UPF；设备数据采集类，上行、下行最大带宽为0.8Gbps，需要2台5Gbps流量规格的专用UPF；切片方面，视频监控类、AR/VR交互类，带宽敏感，且时延需小于30ms，因此选用专享1切片；设备数据采集类，对带宽不敏感，时延要求30-100ms，故选用优享切片；容灾方案为，在企业园区的2个数据中心建设3对MEC节点（UPF），1+1容灾组网，规划三个切片，分别承载视频监控类、AR/VR交互类、设备数据采集类业务。

该园区组网建设方案为，在企业园区的2个数据中心建设独立5GC，满足双机房、电信级可靠性容灾组网要求，并支持前述三类业务切片，其中控制面网元切片共享，边缘云MEC建设3对（不含控制面功能），1+1容灾组网。

建设内容包括独立建设一套5GC，含管理类网元（NRF/NSSF/EMS/VIM/VNFM/NFVO）各一套，含控制面网元（AMF/SMF/UDM/PCF/CHF）各一套；每个网元支持3万用户使用；包含一组EOR/TOR交换机、DC-GW路由器、网管和业务防火墙；视频监控类MEC1，支持1千个连接数，支持5G流量转发，含配套组网设备（1对交换机，1台硬件管理交换机、1对防火墙、1堆路由器）；设备数据采集类MEC1支持1000连接数，支持5G流量转发，含配套组网设备（1对交换机，1对防火墙，1对路由器）。

该园区切片方案为规划视频监控类、AR/VR交互类、设备数据采集类3个切片，每一个切片都可获得独立的网络资源，适配各种类型的业务应用，且各切片之间可相互隔离、互不影响。核心网切片方案如表2所示。

表2 核心网切片方案

3.4 传输网方案

传输网的组建除了前期企业园区内的基础管道的铺设以及园区内光交环的规划（图2），还需要完成的内容主要如下：

图2 传输网方案规划图

（1）宏站接入光缆建设：宏站采用CRAN接入方式。

（2）室分站点接入光缆建设：室分站点采用DRAN方式开通到楼光缆。

（3）机房间互联光缆建设：完成中控室、数据中心机房1、数据中心机房2三个机房互联。

（4）传输设备建设：宏站采用CRAN方式建设，每台SPN980集中10个BBU；室分采用DRAN方式建设，每台SPN970接入一台BBU。为了组网的灵活性和安全性，在数据中心机房1和数中心机房2分别部署1台SPN7900与核心网UPF、AMF进行互联。同时SPN接入层每台设备均组环接入两台汇聚设备。

（5）传输业务机房建设：宏站采用CRAN方式建设，每个机房能集中10个BBU。

4 网络规划中的主要技术及实现

本项目是采用700MHz、2.6GHz、4.9GHz基站+5G SA核心网（控制面、用户面）全私有方案的5G垂直行业应用项目。该方案以超高的性价比提供了更加灵活、安全的技术，此外可以保证信息网络良好的运行速度，可以进行高速带宽专用设置，在为新技术拓展、客户服务提供支撑的同时，也可以有效提高网络峰值时的操作效率。此外对于企业信息网络运行过程中的安全问题需要根据企业在进行信息网络规划时建立一定的隔离方案，保证办公网络与外部网络的整体安全性。

5 结语

本文以一个大中型企业为研究对象，首先在开放性、性价比高以及科学的管理机制基础下建设网络。其次采用4.9G基站私有+5G SA核心网（控制面、用户面）全私有构建私有专用网络，700M、2.6G+ToC核心网满足公网需求，为企业的未来网络建设提供更大的灵活空间，从而有效提高企业网络的使用范围和使用年限，真正达到企业发展利益最大化的目的。