化工园区5G专网的研究与实践

吴一锋 唐甸伟 曾楠诺 吴俊强

建设制造强国，离不开新一代5G通信传输技术。目前传统有线传输逐渐无法适应未来的工业互联网转型发展，不利于打造数字化工园区和无线工厂。本论文结合实际化工园区5G专网建设原则，创新采用“5G宏站+MEC（移动边缘计算）”的SA独立组网方式为解决生产信息高质量、高安全、高可靠的无线传输问题。

一、项目背景

由于制造企业的高速发展，能源行业炼化园区建设规模久，且业务规模越来越大，传统的有线传输逐渐无法适应未来的工业互联网转型发展，不利于打造数字园区和无线工厂。以海南某油气接收处理终端园区为例，企业存在未建设企业级无线高可靠专网、人工录入业务风险高、生产供应环节信息“孤岛”等诸多问题。在这种背景下，企业急需要一套新型的企业专网系统来提高园区的无线数字化管理水平，通过专网将园区内的现有的安防监控、门禁管理、人员管理、智能巡检等数据流进行统一管理，实现整体核心数据不出厂的安全平滑升级。

二、化工园区5G专网设计原则及目标

项目实施的油气处理终端化工园区布局紧凑，金属设施繁多，为保证无线网络覆盖效果和组网安全性，原则上本次规划使用“5G宏站+MEC”独立组网模式，通过高密度大功率天线对划定区域进行均匀连续覆盖，最大程度减少金属设施对无线覆盖效果的影响，根据化工园区5G手持终端巡检、5G摄像头、5G机器人巡检等的实际承载业务需求和5G网络的特性功能，以先进技术为支撑，以协同生产、保障安全构建作为无线网络建设重点，建设安全、可控的5G无线专网。

网络计算能力方案的设计原则是将5G核心网和边缘云服务器下沉到终端化工园区机房，将化工园区5G应用搭载在5G边缘云平台上，减少网络链路的迂回和拥堵现象，缩短传输路径，能够有效提升传输带宽、降低网络时延和保证数据安全。同时，为了保障数据的安全性，要求5G专网与运营商公众网物理隔离，实现核心数据不出园区，来访和生活数据不影响。具体设计原则要求如下：

（一）化工园区5G基站与运营商大网基站以及室内分布系统物理隔离。

（二）5G核心网和边缘云须实现核心业务数据不出园区。

（三）5G专网须具备5G大带宽、低时延、广连接功能。

（四）5G专网建设须考虑选址问题，不得部署在防爆区域。

三、化工园区5G专网组网解决方案

（一）整体组网说明

项目整体采用5G 2.6GHz组网，本期工程新建MEC设备，实现5G用户在4G/5G无线网络的媒体面业务处理和转发等功能。通过在终端化工园区部署海南移动5G基站、室分系统和MEC边缘计算节点，实现业务数据分流和保障数据不出园区。企业内部用户通过覆盖园区的基站附着网络，MEC通过APN和访问服务器地址进行业务分流。访问内部业务的用户，经MEC后被指向企业服务器。企业用户访问大网内容，经MEC后正常访问Internet；外部用户无法访问企业内部网络。可通过APN或企业鉴权管理来控制，外部用户附着园区基站仍可正常访问Internet。

（二）无线及传输网建设方案

化工园区5G基站可采用160M频宽，传输采用SPN网络的全新5G传输网络。为实现园区域全覆盖，可在园区大门、办公楼等地新立20米景观灯杆安装AAU设备；园区通信机房内新增BBU设备；通信机房至远端AAU之间需要使用12芯光缆。

（三）核心网建设方案

5G核心网建设内容包括边缘增强型一体化UPF、服务器、配套交换机、配套防火墙和管理域MEPM设备。5G核心网安装在终端化工园区公司办公楼机房内。

5G SA核心网络采用了虚拟层NFV+MANO+容器+网络SDN技术，SA核心网控制面和用户面分离，用户面在省内部署并可靠近用户下沉建设，实现减小网络时延和节约传输成本目标；控制面集中在全国八大区域集中建设，确保网络的安全、先进和高效。在SA核心网技术下，网络时延可控制在30ms以内，并具备网络切片等技术能力。具体实现如下：

1.UPF与5G NR间通过SPN网络实现互联。UPF与AMF优先同厂家，其覆盖的无线服务区属于本厂家AMF无线服务区的子集。

2.UPF与5G SA控制面通过SPN连接到海口IP承载网，通过IP承载网分别与华南、华中大区的控制面设备互联。

3.UPF与运维管理域OMC通过SPN连接到海口IP承载网，通过IP承载网與海口核心网机房新建的OMC设备互联。

4.UPF通过现有光缆连接到本地园区。

四、化工园区5G专网运行情况

经实际使用测试，本项目终端化工园区5G专网能够由MEC进行业务分流。使用专网卡访问内部业务的用户，经MEC后被指向企业服务器，可以进行内网访问。专网卡不能访问公网。园区外部用户无法访问园区内部网络。运营商大网基站数据流不经过本化工园区的MEC。5G互联设备安全性符合要求。具体运行指标如表1所示。

五、化工园区5G专网创新点

本项目通过5G技术与智能化技术融合，实现了作业环境监测、现场5G视频、5G巡检、现场机器人作业管控、提升作业人员管理效能，助力实现接收站少人化、无人化的智能化建设目标。

（一）简易组网

减少了企业内部组网的复杂性，以移代固，部署快捷方便，采用即插即用的基础设施。降低网络、计算、存储和外设的复杂性，同时实现更高的可扩展性和更低的成本。

（二）灵活可靠的MEC平台

同时支持虚机和容器双核，提供IaaS、CaaS、FaaS、PaaS等服务；除可以提供天生的网络服务外，还提供对应用流的优化和七层分发服务。

（三）云原生的APP应用

部署于MEC平台的APP从一开始设计时就考虑了云原生应用或能演进到云原生应用。

（四）灵活的安全服务

MEC部署于网络管道内部，并且提供本地化的计算，同云端计算的协同，并考虑企业数据的隐私和安全。在虚拟化实现的隔离及网络隔离的基础上，考虑了数据安全以及同云端和现场边缘计算的安全协同。

六、商业分析及未来展望

本次海南某终端化工园区5G专网的无线、传输、核心网、通信卡设备都严格按照海上作业要求施工，如期保质保量完成项目开通，技术完全国产化自主化。本化工园区5G专网可以向全国渤海、北海、东海等海域平台作业以及港口接收站作业规模复制，同时海南作为自贸港的国际展示窗口，可以向“一带一路”东南亚国家推广，助力国家通信技术海外推广和5G联合海油出国创汇。

作者单位：吴一锋、唐甸伟 中国移动通信集团海南有限公司

曾楠诺 中海石油（中国）有限公司海南分公司

吴俊强 华为技术有限公司