5G LAN應(yīng)用場(chǎng)景與關(guān)鍵技術(shù)分析

陳婉珺，穆 佳（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

4G 改變生活，5G 改變社會(huì)，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷成熟，其越來越多地深入到垂直行業(yè)。而作為“新基建”的代表，5G 與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的融合無疑成為了未來5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。原本工業(yè)場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用的Ethernet 通信、局域網(wǎng)、VPN 等，也作為5G 網(wǎng)絡(luò)的需求場(chǎng)景，寫入了3GPP。3GPP 在R16啟動(dòng)5G LAN 項(xiàng)目研究，旨在增強(qiáng)5G 網(wǎng)絡(luò)，使其支持5G LAN 類型的業(yè)務(wù)，即為企業(yè)提供本地局域網(wǎng)或VPN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

2 5G LAN應(yīng)用場(chǎng)景分析

2.1 5G LAN支持二層通信

傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，都是基于有線傳輸?shù)模掖罅渴褂枚右蕴W(wǎng)協(xié)議。為了對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線化改造，為工業(yè)內(nèi)網(wǎng)剪辮子，在5G LAN 出現(xiàn)之前，人們就已經(jīng)嘗試引入AR 路由器來配置虛擬二層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)終端的5G無線接入。

如圖1所示，以工業(yè)企業(yè)中天車的控制為例，原本天車PLC 和PLC 控制器之間是通過二層通信的，依靠對(duì)端的MAC 地址尋址，但引入5G 無線網(wǎng)絡(luò)后，整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)是依靠IP 尋址的三層協(xié)議，終端地址也是IP地址，不支持二層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為了保證PLC 控制器和PLC 之間能夠正常通信，除了引入CPE 進(jìn)行5G 無線信號(hào)轉(zhuǎn)換外，圖1 中還分別在天車PLC 后面以及PLC 控制器前面增加了移動(dòng)端AR 路由器，發(fā)端AR 路由器負(fù)責(zé)包裝softGRE 隧道，將工業(yè)二層協(xié)議封裝在softGRE隧道中，再與對(duì)端的AR 進(jìn)行通信，接收端的AR 路由器再負(fù)責(zé)將隧道去除，轉(zhuǎn)換為工業(yè)協(xié)議發(fā)送給PLC 或PLC 控制器。同時(shí)5G 網(wǎng)絡(luò)為CPE 分配IP 地址。這種方式相當(dāng)于建立了兩層網(wǎng)絡(luò)，上層是企業(yè)專網(wǎng)，通過softGRE隧道通信，下層是5G網(wǎng)絡(luò)，作為承載層。

圖1 AR方案進(jìn)行層二通信

從圖1可以看出，這種方案組網(wǎng)相對(duì)復(fù)雜，需要引入新的設(shè)備，改造成本較大，而且softGRE 隧道是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，對(duì)于以太網(wǎng)的廣播支持度并不好。而引入5G LAN 之后，這種復(fù)雜程度可以大幅降低。上述天車控制的5G LAN實(shí)際組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 中，5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以支持以太網(wǎng)PDU 會(huì)話類型，在5G網(wǎng)絡(luò)中，可以直接傳輸二層協(xié)議，因此PLC控制器和天車PLC 之間也無需插入AR 路由器來新建隧道，同時(shí)也能夠?yàn)闆]有IP 地址的終端提供路由，UPF可以識(shí)別終端的MAC地址。因此CPE作為5G LAN的終端，直接簽約5G LAN 的DNN 和5G LAN 組，CPE 也不再需要網(wǎng)絡(luò)分配的IP 地址。在這種方式中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是單層網(wǎng)絡(luò)，UPF 自學(xué)PLC 的MAC 地址列表，其作為虛擬交換機(jī)完成二通信。

對(duì)上述2種方案進(jìn)行對(duì)比，具體差異如表1所示。

從表1 可以看出，引入5G LAN 以后，可以簡化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，降低改造成本，更好地支撐二層網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2 5G LAN支持廣播

5G LAN 的另外一個(gè)重要的區(qū)別以往的特性是可以支持廣播、多播。這一特點(diǎn)對(duì)于IP 層通信以及二層通信，同樣適用。

傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，只支持單播，對(duì)于跨UPF的場(chǎng)景依賴于路由打通，對(duì)于有大量UPF 需要互通的場(chǎng)景下拓?fù)鋾?huì)變得比較復(fù)雜，而且對(duì)于業(yè)務(wù)流的策略管理，只能依賴UPF中的ACL來實(shí)現(xiàn)。

而5G LAN，同時(shí)支持單播、組播和廣播，且對(duì)于跨UPF 的交互，可以通過跨UPF 動(dòng)態(tài)創(chuàng)建N19 接口來實(shí)現(xiàn)。N19 接口由SMF 控制，根據(jù)需要隨時(shí)創(chuàng)建或者刪除，組網(wǎng)更加靈活。在策略管理方面，5G LAN 還支持劃分不同的VN 組，靈活構(gòu)建、細(xì)分企業(yè)子網(wǎng)，子網(wǎng)可以設(shè)定自身的QoS、安全等。

圖2 5G LAN方案進(jìn)行二層通信

表1 AR方案與5G LAN方案對(duì)比

2.3 5G LAN其他應(yīng)用場(chǎng)景

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)在需求階段，還列舉了5G LAN 其他很多應(yīng)用場(chǎng)景，包括家居固定接入的結(jié)合、企業(yè)辦公工業(yè)生產(chǎn)等環(huán)境中的應(yīng)用，大體可以分為如下4類，需要說明的是，這些場(chǎng)景是3GPP 設(shè)定5G LAN 項(xiàng)目最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并非現(xiàn)在全部都能夠?qū)崿F(xiàn)。

a）移動(dòng)專線業(yè)務(wù)。如圖3所示，5G LAN可以作為傳統(tǒng)固網(wǎng)專線的補(bǔ)充，作為企業(yè)跨地（市）分支機(jī)構(gòu)或較遠(yuǎn)距離之間的通信專線的備用線路，同時(shí)還可以支持終端的移動(dòng)性，甚至通過插入I-UPF 支持較大范圍的終端移動(dòng)。

圖3 移動(dòng)專線業(yè)務(wù)場(chǎng)景

b）替代Wi-Fi 做園區(qū)覆蓋。如圖4 所示，未來5G LAN 可以替代Wi-Fi 實(shí)現(xiàn)更大范圍的園區(qū)覆蓋，當(dāng)員工在大樓內(nèi)移動(dòng)時(shí)，可以使用WLAN 實(shí)現(xiàn)會(huì)議室或走廊的內(nèi)網(wǎng)訪問。當(dāng)員工在校園的建筑物之間移動(dòng)時(shí)，蜂窩接入可用于提供內(nèi)部網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)使從家庭辦公室到大型多建筑辦公園區(qū)等一系列客戶的可擴(kuò)展接入。能夠方便地在私網(wǎng)中添加設(shè)備，不局限于時(shí)間、位置、接入類型，保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)一致性。

圖4 替代Wi-Fi業(yè)務(wù)場(chǎng)景

c）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。如前文所述，5G LAN 可以取代有線以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)原生二層通信。與uRLLC、TSN等技術(shù)相結(jié)合，在滿足移動(dòng)性的同時(shí)為工業(yè)用戶提供高可靠，低時(shí)延保障（見圖5）。

圖5 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)場(chǎng)景

d）安全接入。5G LAN 會(huì)將用戶劃分為不同的VN 組，不同運(yùn)營商的用戶，也可以劃分在同一個(gè)VN組內(nèi)。VN 組內(nèi)用戶可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及廣播、組播，不同組之間可以實(shí)現(xiàn)組隔離，即屬于不同組的UE 之間不能通信，從而保證用戶的通信安全。此外，客戶可以根據(jù)需要，設(shè)置自己的專網(wǎng)策略，數(shù)據(jù)連接建立時(shí)設(shè)置授權(quán)和認(rèn)證機(jī)制，也可以限制組用戶在一定的區(qū)域內(nèi)，才可以實(shí)現(xiàn)通信。

3 5G LAN關(guān)鍵技術(shù)

3.1 5G VN組管理

為了完成5G LAN 的通信，首先要進(jìn)行VN 組劃分，即根據(jù)需求，將特定的用戶劃分為一個(gè)VN 組，VN組內(nèi)的成員可以進(jìn)行5G LAN 組內(nèi)通信。3GPP 定義了2種VN配置方式，可以由運(yùn)營商通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管直接進(jìn)行VN 組配置，也可以由第三方通過能力開放平臺(tái)等，靈活的進(jìn)行VN組動(dòng)態(tài)簽約管理。

但無論哪種方式，一個(gè)5G VN 組具備以下特征：5G VN 組標(biāo)識(shí)、5G VN 組成員信息、5G VN 組數(shù)據(jù)（如PDU會(huì)話類型、DNN等）。

3.2 流量轉(zhuǎn)發(fā)方式

對(duì)于VN 組內(nèi)，用戶面流量轉(zhuǎn)發(fā)，3GPP 根據(jù)不同的場(chǎng)景需求定義了如圖6 所示3 種轉(zhuǎn)發(fā)方式：基于Lo?cal Switch 的轉(zhuǎn)發(fā)、基于N6 接口的轉(zhuǎn)發(fā)和基于N19 接口的轉(zhuǎn)發(fā)。需要注意的是，目前標(biāo)準(zhǔn)上只定義了同一個(gè)SMF 下，VN 組內(nèi)用戶的流量轉(zhuǎn)發(fā)方式，而跨SMF 的流量轉(zhuǎn)發(fā)，尚未定義。SMF 可以通過給UPF 配置不同的流量轉(zhuǎn)發(fā)方法，使得在一個(gè)5G VN 組內(nèi)的流量可以在PDU會(huì)話間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖6 3種流量轉(zhuǎn)發(fā)方式

為了實(shí)現(xiàn)5G的VN組內(nèi)的流量轉(zhuǎn)發(fā)，3GPP定義了UPF 內(nèi)部接口5G VN Internal。實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)過程，通過2步檢測(cè)和轉(zhuǎn)發(fā)流程實(shí)現(xiàn)。第1 步，UPF 收到5G VN 組內(nèi)成員的數(shù)據(jù)（經(jīng)N3 接口、N6 接口或者N19 接口收到）后轉(zhuǎn)發(fā)到UPF 內(nèi)部接口處理（設(shè)置FAR 中的目的接口為“5G VN Internal”）；第2 步，安裝在UPF 內(nèi)部接口的PDR（源接口設(shè)置為“5G VN Internal”）檢測(cè)到內(nèi)部接口的數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的FAR，通過這個(gè)FAR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到相應(yīng)的目的5G VN 組成員（經(jīng)N3 接口、N6接口或者N19接口發(fā)送）。

從上面的描述來看，3 種轉(zhuǎn)發(fā)方式路徑不同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求不同，適用的場(chǎng)景也不同。

3.2.1 Local Switch轉(zhuǎn)發(fā)

這種轉(zhuǎn)發(fā)方式，又稱為本地轉(zhuǎn)發(fā)模型，是指屬于同一5G VN 組的2 個(gè)UE 之間通過單個(gè)UPF 進(jìn)行的通信。Local Switch 轉(zhuǎn)發(fā)方式，比較適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，參與通信的終端都需要較大的移動(dòng)性。同時(shí)終端設(shè)備也較為分散，Wi-Fi無法滿足其覆蓋需求，同時(shí)也不可能匯聚在幾個(gè)固定的機(jī)房通過N6 口進(jìn)行通信的場(chǎng)景。一般一個(gè)UPF足以覆蓋一個(gè)企業(yè)園區(qū)。

這種轉(zhuǎn)發(fā)方式，終端的移動(dòng)性好，可設(shè)置終端移動(dòng)到園區(qū)外，如果簽約允許的情況下，也可以通過插入I-UPF 等方式，實(shí)現(xiàn)VN 組內(nèi)通信。同時(shí)這種方式，還可以讓組網(wǎng)更加分散，靈活。

但同時(shí)，這種方式也存在一定的限制，因?yàn)榘l(fā)送端和接收端存在2路空口，與傳統(tǒng)有線連接相比，其時(shí)延抖動(dòng)方面的性能較差，因此對(duì)于時(shí)延、抖動(dòng)要求較高的場(chǎng)景并不適用。未來，如果與uRLLC、TSN等技術(shù)結(jié)合，或許可以彌補(bǔ)這方面的缺陷。另外，這種轉(zhuǎn)發(fā)方式，其流量受限于單個(gè)UPF 的性能，對(duì)于服務(wù)器端一對(duì)多，性能要求較高的場(chǎng)景并不適用。

3.2.2 N6接口轉(zhuǎn)發(fā)

N6接口轉(zhuǎn)發(fā)是指UE和N6連接的組成員或DN 內(nèi)的設(shè)備之間轉(zhuǎn)發(fā)通信。這種方式適合星狀拓?fù)?，多個(gè)終端通過N6實(shí)現(xiàn)匯聚，比如企業(yè)服務(wù)器中心部署場(chǎng)景等。另外，這種方式不同于Local Switch 方式，可以適用于Hub 連接的超大流量場(chǎng)景，還可以用于中心機(jī)房和三層通信場(chǎng)景。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在，N6接口能夠支持穩(wěn)定大流量，同時(shí)N6 接口一側(cè)可以適用有線傳輸，時(shí)延穩(wěn)定，容易結(jié)合三層交換機(jī)完成三層通信，有線傳輸也可以節(jié)省CPE 成本。但同時(shí)，N6 接口移動(dòng)性差，N6口的連線匯聚，也會(huì)帶來組網(wǎng)限制或者物理連線不便。

3.2.3 N19接口轉(zhuǎn)發(fā)

N19 接口轉(zhuǎn)發(fā)又稱為跨UPF 轉(zhuǎn)發(fā)模型，是指屬于同一5G VN 組的2個(gè)UE通過不同UPF之間轉(zhuǎn)發(fā)通信。這種轉(zhuǎn)發(fā)方式與Local Switch 方式類似，也是適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。但相比Local Switch 方式，其連接的范圍更廣，Local Switch 模式下，可以實(shí)現(xiàn)局域覆蓋；而N19 接口模式下，可以支持跨域/廣域互聯(lián)。因此，若作為固網(wǎng)專線的補(bǔ)充或備份，N19 接口轉(zhuǎn)發(fā)是比較合適的選擇。

這種轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，可以跨越較大地理范圍。這種方式存在的限制主要來自于2 個(gè)方面：N4 接口尚未解耦，因此目前N19 接口連接的多個(gè)UPF必須與SMF 使用同廠家設(shè)備；另一方面，復(fù)雜度高，時(shí)延大，業(yè)務(wù)感知差，目前尚無明顯的應(yīng)用需求。

3.3 廣播、組播復(fù)制

廣播消息，在二層以太網(wǎng)通信中十分常見，包括最初的終端MAC 地址學(xué)習(xí)等，都依靠廣播消息。5G LAN的定義中，也支持廣播、組播通信。

從技術(shù)角度來看，廣播、組播，需要網(wǎng)絡(luò)支持用戶面流量復(fù)制，SMF 可通過PDR 和FAR 指示UPF 如何復(fù)制用戶面流量。對(duì)于Local Switch 的轉(zhuǎn)發(fā)模型，當(dāng)UPF接收到通過“internal interface”發(fā)送的廣播包時(shí)，將其與所有PDR 相匹配進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于N19 或N6 轉(zhuǎn)發(fā)模型，當(dāng)UPF 從N19 或N6 接收到5G VN 組的廣播包時(shí)，應(yīng)將其分發(fā)給連接到該UPF 的所有5G VN 組成員。組播與廣播類似，但需要將SMF 配置的PDR 的廣播地址改為多播地址。但當(dāng)5G LAN 的實(shí)際組網(wǎng)中同時(shí)存在N19接口和N6接口的轉(zhuǎn)發(fā)模式時(shí)，進(jìn)行廣播可能會(huì)存在環(huán)路問題。

如圖7 所示，UPF1 收到的來自UE X 的廣播消息，復(fù)制后，發(fā)往N6 接口交換機(jī)及N19 接口的UPF2，DN中的交換機(jī)，收到UPF1 發(fā)來的廣播消息后，有可能會(huì)再將此消息轉(zhuǎn)發(fā)給UPF2，此時(shí)UPF2收到來自N6口的廣播消息，會(huì)再次復(fù)制，同時(shí)發(fā)給UE Y 以及N19 接口的UPF1，如此往復(fù)，這條廣播消息就會(huì)在UPF1、UPF2以及N6 接口環(huán)路中不停的發(fā)送，帶來風(fēng)暴。因此，廣播消息的破環(huán)問題也是目前3GPP 在5G LAN 項(xiàng)目中的一個(gè)討論熱點(diǎn)。

從需求場(chǎng)景的角度看，目前以太網(wǎng)廣播需求較為明顯，IP 廣播多用于IPTV 場(chǎng)景，但目前IPTV 的廣播是依靠應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，對(duì)于5G LAN 的需求不明顯。組播暫時(shí)也沒有明顯的需求。

圖7 廣播消息環(huán)路問題

4 結(jié)束語

5G LAN 的引入，尤其是網(wǎng)絡(luò)原生支持層二通信，推動(dòng)了5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的融合，但同時(shí)，5G LAN 無論從技術(shù)實(shí)現(xiàn)，還是從需求場(chǎng)景方面，還有很多有待完善、需要繼續(xù)探索的地方。

技術(shù)方面：一方面，跨SMF 的5G LAN 實(shí)現(xiàn)方式尚未定義；另一方面，N4 接口尚未解耦，導(dǎo)致跨UPF 的N19轉(zhuǎn)發(fā)模型也受到極大的限制。對(duì)于廣播消息的破環(huán)問題也尚未解決。因此，目前國內(nèi)主流廠家的產(chǎn)品大都支持Local Switch的單播消息轉(zhuǎn)發(fā)方式。

需求方面：5G LAN 支持層二通信的需求較為明顯。從前面的分析也可以看到，5G LAN 同樣具備IP層通信能力，可方便地進(jìn)行用戶的群組隔離管理，賦予終端較大的移動(dòng)性，對(duì)于較大范圍、跨多UPF 的通信，5G LAN 還具備簡化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞葍?yōu)勢(shì)，但目前由于現(xiàn)有用戶的使用習(xí)慣、現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)投資，以及5G LAN 技術(shù)、產(chǎn)品尚不成熟等原因，5G LAN 在IP層通信方面，還暫時(shí)沒有十分迫切的需求，但隨著5G LAN 整個(gè)生態(tài)逐步成熟，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐步升級(jí)，未來5G LAN 在二層、三層通信方面都會(huì)得到更大規(guī)模的應(yīng)用。