智慧社区场景下5G网络部署方案

张建忠

摘 要：在5G网络建设方兴未艾之际，如何建设社区边缘5G网络，以适应智慧社区各信息化应用的需要，是摆在网络建设者面前的一个课题。文章先对AR/VR、高清视频、智慧养老等社区信息化各类场景进行分析，并根据智慧社区对于移动网络的相关要求，提出了基于NPN的5G网络部署方案、基于DNN分流的MEC 5G边缘网络部署方案及基于UL CL分流的MEC 5G边缘网络部署方案，并对这3种方案从终端要求、产业成熟度、适应场景等3个方面做了比较分析，供网络建设者参考。

关键词：智慧社区;5G;NPN;MEC;网络部署

0    引言

社区管理涉及最广大人民的幸福感和获得感，国家非常重视社区信息化的建设。如何用先进的科技手段赋能社区信息化建设，打造智慧社区，是必须面对的挑战。

社区是个小社会，智慧社区的服务功能可概括为9个方面，即社区基础信息管理、社区交流服务、社区电子商务、社区物流服务、社区物业与综合监管、社区电子政务、社区智慧家居、社区医疗卫生和社区家政服务。其中涉及的技术包括高清视频监控、海量数据传输与存储，还有水电抄表、停车位等大量物联网设备联网、VR应用等。

智慧社区服务系统的用户涉及居委会、物业公司、居民、商贸企业以及相关政府部门。信息化系统的建设离不开一张先进、高效的网络。智慧社区在其规划中就要充分借助光纤网络、移动通信网络及物联网相关技术，完成社区内的信息传递与共享，从而实现智慧社区内各组成单元之间，包括人与人、人与物、物与物之间的通信。

目前在通信领域，主要是运营商提供的光纤到户接入以及4G移动通信网，现有网络条件应该说能够满足部分社区信息化的基本需求。但考虑到将来VR等在智慧社区中的应用以及大规模高清视频监控所需要的海量数据传输及存储需求，为确保全网的高效性，在5G移动通信网络建设中，要有计划地开展适合未来智慧小区需求的网络布局和规划，以期保护投资并适应智慧社区未来的发展。

1    智慧社区的5G应用

5G的高带宽、低时延、广覆盖的特征，决定了其将在智慧社区中发挥更大的作用。5G智慧化社区应用很多，这里列举几项。

1.1  AR情景互动

AR情景互动是利用影像及3D立体成像技术的高科技展示系统，其核心是一种实时计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套入现实世界并进行互动。

它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

实现方式：将摄像机放置于屏幕或是液晶屏幕上方，在屏幕前端仿真AR互动标识，当参观者进入摄像区域，视频上就会呈现出真实的拍摄场景，并出现3D互动内容，参观者可以进行互动交互。

使用场景：社区内部交流、学生在家学习。

网络要求：带宽需求是20～50 Mbps，时延要小于20 ms。

1.2  高清视频监控及在线图形识别

高清视频监控是指1 600×1 200甚至更高视频图像分辨率的监控系统。高清视频监控相对于普通视频监控来说具有监控范围大、目标设别率高、存储容量大、传输速率高等特征。

智能图像识别系统是基于人工智能、算法等新技术，对图像进行识别并根据所识别的结果给出相应的系统。系统通过前端高清网络摄像机进行监控摄像，再传输到云端通过AI系统进行详细分析，并给出相应的反馈。

使用场景：车牌识别、人脸识别、高空抛物告警取证、小偷爬窗告警等。

网络要求：1 080 P（200万像素）每路摄像头4 Mbps。网络时延小于300 ms。

1.3  智能垃圾桶

智能垃圾桶是利用传感器、通信技术、无线传输技术及自动控制技术和物联网技术而实现的具有自动开盖、满箱上报等功能的新型社区用垃圾收集箱。具体来说有如下功能。

（1）桶盖开启：采用红外传感技术，在感应到人手接近时，自动开启桶盖，延迟数秒后关闭。

（2）语音提示：做好环保宣传、提醒垃圾分类等信息。

（3）状态信息上报：在垃圾桶安装传感器，垃圾桶里面的垃圾量数据会被采集，并通过5G网络上传云端，供环卫工人查看。

网络要求：要求NB-IOT网络覆盖。

1.4  小区智能停车系统

利用物联网技术，将小区车位进行有效管理，一方面可以大大提高车位的利用率，同时也能方便车辆寻找到空的车位。另外智能停车系统还可以有效管理车辆乱停现象，保证小区消防通道的畅通。

具体解决方案如下。

（1）在应急消防通道路面安装地磁车位检测器，当车辆乱停时，即时通过5G网络将报警信息上传云端，并发送到小区物业管理人员手机。

（2）在小區公共车位安装地磁车位检测器，所有车位状况实时上传，整个小区车位情况一目了然。

（3）车位可以用手机预约及计费，在业主车位空闲时段，可以将车位共享给需要的人，这样可以大大提高车位的利用率，有效缓解车位紧张的状况。

网络要求：要求NB-IOT网络覆盖。

1.5  智慧养老

中国老龄化日益加剧，智慧养老将是社区的一项重要服务。利用信息化、传感网等技术，面向居家老人、社区及养老机构，可以提供实时、高效、智能化的养老服务。具体可以提供的服务如下。

（1）老人摔倒远程监控。老人在家中摔倒，地面的传感器就会通过物联网技术，向医护人员或者家属发出信息通知。

（2）老人健康监测。通过手环、血压计、智能手表等设备，将老人的血压、心率等数据实时上传云端，供医生参考。

（3）老人活动轨迹监测。通过GPS手环、视频监控设备、门磁感应设备等，实时监控老人的活动状况，一旦发现异常，可以发送信息给家属，防止老人出现意外。

（4）视频通信系统。老人与亲戚朋友可以通过视频通信系统进行聊天，排解孤独与寂寞。

网络要求：要求NB-IOT网络覆盖，光纤宽带或5G接入，带宽要求50 Mbps以上。

1.6  虚拟现实（VR）

虚拟现实技术是利用计算机系统模拟三维世界，用现实的数据，通过计算机系统的处理与传输，将可感知的三维图像进行存储与传输，让不在现场的人也能身临其境。

具体来说，VR有如下几个特征。

（1）沉浸性。让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分，真正有身临其境的感觉。

（2）交互性。使用者可以与虚拟的环境进行互动，虚拟环境可以对使用者的语言或动作进行反应。

（3）多感知性。系统有很多感知方式，比如听觉，视觉、触觉、动作等等。

（4）构想性。使用者可以拓宽认知范围，创造客观世界不存在的场景或不可能发生的环境。

（5）自主性。虛拟环境可以和现实世界一样，依据客观规律对各种刺激进行反应。

VR最大的问题就是眩晕，而产生眩晕最大的原因就是时延。一般图像处理都在云端，网络对于VR的影响是至关重要的。

使用场景：虚拟旅行、购物、学习、社交、游戏等。

网络要求：4 K画质，25 Mbps;8 K画质，100 Mbps;12 K画质，400 Mbps。时延要小于20 ms。

2    智慧社区5G网络部署方案

结合上述智慧社区的相关应用场景及网络需求，在部署5G网络时可以做如下考虑。

（1）社区有大流量高清视频传送需求。数据中心（DC）一般设置在社区内部或边缘区域，如果用公共5G网络传输，势必会大大增加网络负荷，占用大量网络资源。

（2）考虑到AR/VR等应用对网络时延严苛要求，网络部署也要响应做出优化。

（3）社区管理中物联网应用相对普遍，要考虑NB-IOT的全覆盖。

（4）社区是个特殊的场所，聚集了大量的居民，网络要兼顾考虑2B，2C的需求。

（5）5G接入要结合小区现有光纤接入网络状况，与固网相互补充与融合。

（6）根据社区居民的入住率、社区信息化应用建设的现状，在网络规划时要有一定的弹性，以适应社区不断增长的网络需求。

2.1  公共网络集成NPN模式

5G面向垂直行业应用，定义了非公共网络NPN（Non-Public Network）。社区里有相当一部分应用是相对独立的，包括高清视频监控、智能停车系统、门禁系统等。特别是高清视频监控，其网络流量消耗比较大，如果在社区里采用NPN的模式进行部署，可以为社区解决大流量高清视频监控稳定可靠的无线接入难题。

工业互联与自动化5G联盟（5G-ACIA）针对工业场景的非公共网络部署场景白皮书中定义了NPN的4种部署场景[1]。

（1）独立封闭网络部署场景：NPN相对于PLMN来说是完全隔离的一个网络。物理上独立的NPN保证了数据安全隔离和本地闭环。

（2）共享无线接入网部署场景：NPN与PLMN共享RAN节点，但拥有独立的核心网设备。NPN与PLMN共享RAN节点的基础设施甚至进一步地共享RAN小区资源，可以减少部署站点并降低部署成本。

（3）共享无线接入网和控制面部署场景：NPN与PLMN共享RAN节点和控制面，只拥有独立的用户面。控制面由运营商统一控制和管理。独立的用户面可以放在贴近企业的地方，既拥有较短用户面的路径，同时也保证了企业数据的安全隔离。

（4）公共网络中部署场景：NPN与PLMN完全共享RAN节点、控制面和用户面。控制面和用户面都由运营商统一控制和管理，移动运营商可以使用特定DNN来支持NPN业务。

针对上述4种场景，建议采用共享无线接入网和控制面部署场景。这一方面可以大大节约网络投资，另外此方案的用户面路径最短，可以大大减轻网络流量符合。

如图1所示，网络中社区内各终端内置5G通信模块，通过无线接入系统进入5G NPN，控制面信息流进入公共网络5GC，实现用户注册、可达性、移动性管理、接入鉴权、授权、IP地址分配、UPF选择与控制等功能。从用户面看，社区应用数据流通过社区的UPF，与社区网络相连，数据直接进入社区数据中心。

在上述部署方案中，NPN依赖于PLMN进行部署。社区5G终端拥有PLMN的签约数据，其中包括在NPN中使用的签约S-NSSAI。社区NPN部署在跟踪区TA的范围内。区域外的终端无法接入使用。社区应用终端移出该范围时，网络指示终端不能在新的注册区域继续使用当前的 S-NSSAI。

考虑到网络的安全性，启用封闭接入组（ Closed Access Group，CAG）[1]。5GC根据签约数据来判断是否允许终端设备接入该CAG小区。

网络带宽需求预测：以高清视频为例，可以进行摄像头数量及网络设备带宽估算。

智慧社区有一些案例可以借鉴。青岛城阳街道小寨子社区现有居民1万人，他们建设了“一体化智慧社区感知安防系统”，在社区各个角落安装了300个高清监控摄像头，具有人脸识别和行为分析功能，可以识别出打架斗殴、意外摔倒、占道停车、招手求救等行为，并自动报警。

参照青岛这个社区的监控建设方案，可以估算出每万人300个摄像头的部署规模。按照每个摄像头4 Mbps的流量，带宽利用率不超过70%来测算，只考虑视频专网流量的话，总的用户面带宽2 Gbps。

对于社区内普通居民的5G终端，经过RAN接入后，通过UPF与大网相连。当然也可以通过5GC中的UPF接入大网。具体采取何种方式，可以依据社区周边网络设备状况而定。

2.2  基于MEC的部署方案

邊缘计算是5G网络引入的最有特色的功能之一。边缘计算通过将用户面网络设备及用户业务处理能力下移到贴近用户的网络接入层，实现了分布式的客户业务流量本地化处理。这种模式的优点显而易见，可以大大降低无效的流量路径，节约上行流量资源，从而大大降低了汇聚层、核心层网络设备的处理负荷，降低设备投资成本。同时因为边缘计算贴近客户，降低了网络传播的路由距离，可以大大降低网络时延，这对客户的时延敏感业务很重要[2]。

社区智慧化网络部署，需要在社区机房部署一套或几套公共的MEC设备，为社区提供高品质的网络及智慧社区信息化应用服务。

基于MEC的部署方案可以有多种分流方案，包括采用基于UL CL的业务分流、基于BP的业务分流、采用专用DNN的业务分流[3]等。下面着重介绍一下基于DNN和UL CL分流的两种方案。

2.2.1  专用DNN部署方案

如图2所示，公共5GC网络为社区配置专用DNN，当客户终端采用该专用DNN接入时，为终端选择特定的边缘社区UPF，用户流量经边缘UPF到达对应的MEC平台应用。

在这种部署方案下，社区中的普通用户终端（如居民手机）的通信不会选择社区UPF，而是根据事先5GC配置的策略，选择公网中心UPF，这样普通用户终端的流量直接接入大网。5GC会依据终端特定的设置，将社区中只有采用了专用 DNN接入的5G终端通信流量选择接入到社区UPF。

社区边缘UPF也可以对接多个MEC平台。UPF可以通过划分子接口方式，基于不同的应用目的地址将流量引导到不同的MEC平台（对应不同子接口）。如UPF不支持划分子接口，则需要基于不同DNN，切片ID等方式实现。

2.2.2  UL CL 部署方案

如图3所示，采用UL CL方案也可以实现ME分流。这种模式下5GC不需要为社区配置专用DNN。可以在网络侧配置策略：进入该MEC平台覆盖社区内的所有用户都默认启用UL CL插入。当然也可以针对特定5G终端启用 UL CL插入[2]。

此部署方案下社区所有用户终端通信可默认接入中心UPF，只有满足 UL CL触发条件的用户才进行UL CL UPF插入。

触发条件的设置可以是进入服务区域的所有5G终端，也可以是进入服务区域并且签约了UL CL策略的5G终端。此方案对终端无特殊需求，网络侧需支持 UL CL及对应触发策略配置、分流规则配置等功能。

2.3  3种方案的比较

上述3种方案应该如何选择，可以从如下几个方面进行考虑。

（1）对终端的要求。

采用DNN方案，5G终端必须支持配置DNN信息，建议支持多PDU会话并发。而选用UL CL方案和NPN方案则对终端没有特殊要求。

（2）网络的成熟度。

从目前产业链发展情况来看，采用DNN分流方式的MEC最为成熟，实现也相对简单。基于UL CL分流方式的MEC也基本成熟，在网络实践中可以采用。但基于NPN的技术方案还尚未成熟，华为公司还未给出具体实现的时间点。

（3）适应场景。

对于部署要求迅速，社区应用相对简单，终端数量不多、网络隔离要求不严格的情况下，可以优先选用DNN模式。此模式对大网要求相对简单，定制化程度相对较低。在急用先行的情况下，如果用户对时延要求不高的话，可以大量采用公网资源为客户提供端到端差异化保障的网络连接。

对于社区有网络时延要求高的应用、社区终端数量较多、社区内部网络规模较大等情况，建议使用UL CL模式。可以为客户部署社区专用MEC平台。同时充分利用无线侧网络优化、5G网络切片等技术，按需定制专用基站、专用频率和专用社区级UPF等网络设备，为社区提供一张隔离的、端到端高性能的5G专用接入网络。

对于社区已经建设有较为成熟的内部专网，并有专业的维护团队的，建议采用NPN模式来部署5G接入网络，将社区侧的建设和维护交给社区自己，运营商做好大网的接入就可以了。

3    结语

相对于4G来说，2B业务是5G最大的亮点。一般根据不同的行业特征，提供针对性的5G行业解决方案。但一般情况下很少有人将社区作为一个专门的行业来对待。本文试图通过对“社区”这个特殊的“行业”做一些简要的分析，按照社区的特征来规划建设相应的5G网络。

社区是大量居民的居住地，是政府最基层的组织，是2C和2B融合密切的覆盖区域，这对网络建设提出了非常大的挑战。社区信息化的建设主体比较复杂，其智慧化程度也在不断提升中，这需要持续地进行跟踪和分析，以期不断逼近社区网络建设的真实需求，能够引起各运营商对于社区5G网络建设的进一步思考。

[参考文献]

[1]杨峰义，张建敏，王海宁.5G网络架构[M].北京：中国工信出版集团，2017.

[2]谭仕勇，倪慧.5G标准之网络架构-构建万物互联的智能世界[M].北京：中国工信出版集团，2020.

[3]何宇锋，林奕琳，单雨威.5G MEC分流方案探讨[J].移动通信，2020（9）： 49-57.

（编辑 何 琳）