5G專網(wǎng)在校園2C業(yè)務(wù)中的應(yīng)用部署研究

馮忠義 楊福理 苗玉斌

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司江蘇省分公司

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)深入發(fā)展，移動無線終端接入成為校園網(wǎng)建設(shè)關(guān)注的重點，目前WLAN無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是校園網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，但隨著校園網(wǎng)環(huán)境下智能終端的增多，以及高帶寬應(yīng)用的廣泛使用，無線校園網(wǎng)建設(shè)關(guān)注的首要問題是無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬問題，解決多終端、高并發(fā)、大流量的接入；其次是無線網(wǎng)絡(luò)需要做到全校覆蓋，使用戶真正能無縫漫游。由于WLAN無線網(wǎng)絡(luò)方案在技術(shù)上的先天性限制，無法達到高質(zhì)量要求。隨著5G網(wǎng)絡(luò)全面鋪開建設(shè)，5G網(wǎng)絡(luò)擁有大帶寬速率，且資費大幅下降，已逐步被大眾接受。對于封閉的園區(qū)來說，分流解決方案能將園區(qū)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)流量進行本地分流，實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的本地管理和本地運營，滿足園區(qū)內(nèi)部的移動辦公、視頻監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等業(yè)務(wù)的實時性、高帶寬和高安全訴求。從這些應(yīng)用場景分析來看，校園網(wǎng)絡(luò)是典型封閉的專網(wǎng)場景，重點是滿足內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)訪問。近年來，不少高校在建設(shè)校園無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，提出5G專網(wǎng)方案為主的可選解決方案。本研究根據(jù)5GC體系架構(gòu)，結(jié)合實際現(xiàn)網(wǎng)情況，分析討論針對校園2C業(yè)務(wù)的5G校園專網(wǎng)建設(shè)方案。

1 5G校園專網(wǎng)的架構(gòu)

1.1 5G SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和分流技術(shù)方案

在標(biāo)準(zhǔn)的5G SA系統(tǒng)架構(gòu)中，5G核心網(wǎng)控制面功能進行了融合和統(tǒng)一，并分解為多個獨立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行靈活組合，每個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和其他服務(wù)在業(yè)務(wù)功能上解耦，統(tǒng)一服務(wù)調(diào)用方式，提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性?；贑/U分離式的架構(gòu)，UPF作為用戶數(shù)據(jù)面可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要部署在不同網(wǎng)絡(luò)位置，實現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)靈活本地分流。

分流技術(shù)主要有三種方式：（1）基于ULCL（Uplink Classifier，上行分類器）核心網(wǎng)方案，ULCL分流方案通過動態(tài)分流策略實現(xiàn)，以URLUE位置目的IP端口為分流維度實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。（2）DNN分流方案，通過設(shè)置不同的DNN，以位置信息、網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識為分流維度實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。（3）基于IPv6 Multi-homing（BP）分流，以源IPv6地址前綴為分流維度實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。

當(dāng)前比較多的場景是基于DNN的無線上行N3接口分流和基于ULCL的核心網(wǎng)分流。當(dāng)然還可以基于PCF疊加各種策略的分流方式，以滿足不同業(yè)務(wù)場景需求。

基于DNN分流，終端用戶根據(jù)從核心網(wǎng)獲得的DNN信息、網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識以及用戶自身位置信息等，請求并建立本地會話接入，當(dāng)終端用戶不在位置區(qū)域時，則無法本地接入，從而實現(xiàn)用戶只能在企業(yè)園區(qū)使用企業(yè)應(yīng)用，且基于DNN實現(xiàn)和Internet業(yè)務(wù)的隔離，保障業(yè)務(wù)安全。

基于ULCL分流方案下，客戶可以不用提前做特殊簽約策略，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活進行分流策略配置，適用性和靈活性更好（上行和下行數(shù)據(jù)流如圖1所示），因此是邊緣節(jié)點UPF下沉部署主要推薦的分流方式。

圖1 ULCL數(shù)據(jù)分流工作方式

1.2 聯(lián)通5G專網(wǎng)架構(gòu)

5G專網(wǎng)利用運營商網(wǎng)絡(luò)頻譜資源及移動網(wǎng)絡(luò)運營優(yōu)勢，針對不同行業(yè)場景，為客戶打造專有網(wǎng)絡(luò)，提供以5G為核心技術(shù)的綜合型專網(wǎng)，融合切片、MEC等技術(shù)，為客戶提供具有定制化QoS保障、業(yè)務(wù)隔離的安全獨立網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)大帶寬、低時延、安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，滿足客戶生產(chǎn)、辦公、管理等應(yīng)用的通信服務(wù)需求。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定制化程度，聯(lián)通5G專網(wǎng)分為5G獨立專網(wǎng)、5G混合專網(wǎng)、5G虛擬專網(wǎng)三種模式。

在完成校園5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋后，運營商一般不會再拿出頻段單獨建設(shè)獨立5G校園專網(wǎng)。因此，校園5G專網(wǎng)建設(shè)一般采用混合專網(wǎng)或虛擬專網(wǎng)模式。對于混合專網(wǎng)模式，一般也僅是單獨建設(shè)下沉專用的UPF。當(dāng)前階段，主推5G共享型虛擬專網(wǎng)模式，配置多個校園客戶或其他行業(yè)類客戶專用的共享UPF，共享專用UPF至校園開通專線，該方案投入小，專網(wǎng)品質(zhì)效果明顯。5G校園專網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G校園專網(wǎng)基本架構(gòu)示意圖

在5G虛擬專網(wǎng)模式下，專網(wǎng)用戶終端開機搜索到5G無線信號，通過認(rèn)證后，用戶可正常使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。訪問內(nèi)網(wǎng)時，數(shù)據(jù)流如下：校園專網(wǎng)用戶—＞聯(lián)通公網(wǎng)基站—＞聯(lián)通共享專用UPF—＞校園內(nèi)部應(yīng)用。

2 5G校園專網(wǎng)部署實施方案

目前，校園客戶對5G校園專網(wǎng)的業(yè)務(wù)訴求主要是相對現(xiàn)有WLAN無線網(wǎng)絡(luò)使用習(xí)慣和問題來說，關(guān)鍵包含如下幾點：（1）5G校園專網(wǎng)可替代校園WLAN；（2）校園用戶手機不換卡不換號；（3）既能訪問校園內(nèi)網(wǎng)，也可以訪問公網(wǎng)；（4）校園內(nèi)或外部特定區(qū)域內(nèi)可訪問校園內(nèi)網(wǎng)。討論確定5G共享專網(wǎng)架構(gòu)，考慮不同網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）用戶差異，提出以下幾種實施方案來解決校園客戶需求，

2.1 方案一 部署校園客戶共享式專網(wǎng)UPF，基于位置+PCF簽約插入ULCL分流

按照5G共享虛擬專網(wǎng)架構(gòu)，部署校園客戶共享式專網(wǎng)UPF，基于位置+PCF簽約插入ULCL分流來滿足專網(wǎng)需求，如圖3所示。校園用戶配置公共DNN，并簽約分流業(yè)務(wù)策略；PCF都會基于簽約+位置觸發(fā)下發(fā)分流策略，通過ULCL UPF將內(nèi)網(wǎng)流量分流到校園內(nèi)網(wǎng)。簽約校園分流業(yè)務(wù)的用戶可以同時訪問校園內(nèi)網(wǎng)和Internet，未簽約的用戶只能訪問Internet，不能訪問校園內(nèi)網(wǎng)。以校園在江蘇南京為例，范圍可以是南京或江蘇省內(nèi)或者校園區(qū)域。

圖3 基于位置+PCF簽約插入ULCL分流技術(shù)方案（以南京為例）

方案優(yōu)點：簽約5G用戶訪問的區(qū)域可調(diào)整；用戶漫游不受影響；網(wǎng)絡(luò)配置簡單。

方案缺點：僅支持5G網(wǎng)絡(luò)接入，回落4G網(wǎng)絡(luò)后無法訪問校園內(nèi)網(wǎng)，可訪問公網(wǎng)；可能存在私網(wǎng)地址沖突，需要提前規(guī)劃好方案；SMF新增資源消耗，每個用戶會多一個N9會話，建議單獨新建專用SMF。

對于IP地址沖突，可以通過防火墻對源和目的IP地址均進行雙向NAT從而解決問題。校園的DNS服務(wù)器可以通過重定向方式解決地址沖突。

2.2 方案二 部署校園客戶共享式專網(wǎng)UPF，配置ULCL專網(wǎng)DDN方案

如同方案一方式，部署校園客戶共享式專網(wǎng)ULCL UPF，但為避免終端地址與企業(yè)側(cè)地址沖突，校園用戶采用專有DDN，規(guī)劃專有IP地址，地址由AAA進行分配；進入規(guī)定范圍內(nèi)接入的5G手機用戶可以同時訪問校園內(nèi)網(wǎng)和Internet，離開范圍之后，只能訪問公網(wǎng)。該共享式專網(wǎng)ULCL UPF需要開通至互聯(lián)網(wǎng)通道和校園客戶的專線。該專用的ULCL UPF與主輔錨點UPF合設(shè)如圖4所示，可以主、輔錨點UPF分設(shè)，輔錨點UPF可部署到園區(qū)或校園。

圖4 ULCL專網(wǎng)DDN方案分流技術(shù)方案

方案優(yōu)點：解決地址沖突問題，方案配置簡單。

方案缺點：用戶漫游必須回歸屬地接入，時延較大；ULCL UPF增加互聯(lián)網(wǎng)出口，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加；另外，如果主、輔錨點UPF分設(shè)，等于再增加一個專用UPF，投資建設(shè)成本加大。

2.3 方案三 部署共享式專網(wǎng)UPF，通過防火墻分流

部署共享式專網(wǎng)UPF，通過防火墻分流。該方案為校園2C客戶規(guī)劃一個5G專用的DNN，簽約校園用戶4/5G網(wǎng)絡(luò)接入時，根據(jù)DNN選擇到共享式專網(wǎng)UPF，UPF通過不同的VPN區(qū)分不同的客戶，所有業(yè)務(wù)流量通過UPF，經(jīng)防火墻分流至互聯(lián)網(wǎng)和校園內(nèi)網(wǎng)，大客戶交換機通過專線與校園內(nèi)網(wǎng)互通，采用三層VPN（如圖5所示）。該方案要求4G用戶需要遷轉(zhuǎn)UDM轉(zhuǎn)成5G用戶，才能實現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)分流。

圖5 通過防火墻分流技術(shù)方案

方案效果：終端發(fā)起訪問時，公網(wǎng)、專網(wǎng)訪問流量均由核心網(wǎng)UPF統(tǒng)一匯聚到防火墻，公網(wǎng)訪問由China169網(wǎng)承載，專網(wǎng)流量通過專線引流至學(xué)校機房內(nèi)，最終實現(xiàn)終端的公網(wǎng)、專網(wǎng)自切換無感訪問。

方案優(yōu)點：簽約5G用戶在4/5G接入均能訪問公網(wǎng)和校園內(nèi)網(wǎng)。訪問的區(qū)域在省內(nèi)。

方案缺點：不能限定具體范圍，默認(rèn)就是全?。欢矣捎谒袠I(yè)務(wù)回歸屬地接入，存在用戶漫游外省，訪問互聯(lián)網(wǎng)時延感知可能下降；需要新增接入CE路由器、大客戶接入交換機，投資成本增加；公網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)分流需要手工配置，操作復(fù)雜，不便于運營維護。

3 5G校園專網(wǎng)2C業(yè)務(wù)方案對比選擇

前述三種方案都有各自的優(yōu)缺點。方案一，完全使用5G SA標(biāo)準(zhǔn)分流特性，可以實現(xiàn)靈活的分流策略，網(wǎng)絡(luò)管理配置標(biāo)準(zhǔn)，維護管理方便，但由于5G網(wǎng)絡(luò)目前正在大規(guī)模建設(shè)推廣中，特別是室內(nèi)覆蓋部分很多地方還沒有建設(shè)到位，存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全、沒有信號的問題，影響客戶使用。方案二，實際上是方案一的延伸，方案一的優(yōu)缺點均存在，雖可以解決地址沖突問題，但又會產(chǎn)生漫游外地感知下降和增加成本等問題。方案三，4G/5G網(wǎng)絡(luò)用戶均可以實現(xiàn)分流，但是需要人工在防火墻配置分流策略，網(wǎng)絡(luò)維護不方便，當(dāng)校園用戶較多時，很難及時響應(yīng)，業(yè)務(wù)調(diào)整不靈活。

綜合分析比較來說，在5G網(wǎng)絡(luò)完全到位的情況下，建議選擇方案一。在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全，或者覆蓋投資巨大的情況下，由于4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)早，覆蓋已比較全面，可使用方案三。兩種方案均要求用戶簽約5G套餐，才能進行分流。

4 具體實施部署測試情況

根據(jù)南京浦口某高?？蛻魷y試要求，采用5G ULCL技術(shù)方案來搭建5G校園專網(wǎng)。本次采用共享專用分流UPF搭建5G校園專網(wǎng)，使用ULCL和輔錨點合設(shè)場景分流UPF部署模式，主錨點使用2C大網(wǎng)UPF。策略采用基于PCF簽約+位置的ULCL分流方式。如圖6所示。

圖6 校園專網(wǎng)測試方案

測試業(yè)務(wù)流程：

（1）5G用戶終端開機，主錨點UPF分配IP地址給終端，用戶完成激活，建立會話，可以上互聯(lián)網(wǎng)。

（2）用戶在特定位置，終端上報位置信息給PCF，PCF下發(fā)分流策略給SMF，SMF基于分流策略選擇ULCL UPF和輔錨點UPF插入到會話中。

（3）ULCL基于目的IP或者DNS將訪問本地內(nèi)網(wǎng)的流量分流到輔錨點，訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，將訪問公網(wǎng)的流量通過N9分流到主錨點，訪問互聯(lián)網(wǎng)。

對該方案中存在的手機終端和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)地址沖突問題，采用防火墻方案解決。即防火墻實現(xiàn)IP包源地址和目的地址雙向NAT，如圖7所示；對DNS應(yīng)答的域名解析地址，防火墻通過DNS ALG功能將DNS應(yīng)答報文中攜帶的私網(wǎng)業(yè)務(wù)地址進行轉(zhuǎn)換。

圖7 防火墻實現(xiàn)雙向NAT示意圖

測試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖8所示，圈出的部分為本次測試涉及到的部署網(wǎng)元。

圖8 測試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)鋱D

測試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和準(zhǔn)備工作：（1）SMF共用大網(wǎng)，主錨點共用大網(wǎng)2C UPF；（2）ULCL/輔錨點UPF新建，本次試點可以用VPDN UPF；（3）防火墻共用2C人網(wǎng)防火墻；（4）新增一臺客戶接入?yún)R聚交換機，對接客戶網(wǎng)絡(luò)；（5）開通至校園內(nèi)網(wǎng)一條萬兆專線；（6）開通覆蓋校園的公網(wǎng)5G基站。

測試結(jié)果：實現(xiàn)了方案預(yù)期目標(biāo)。用戶可使用原號卡，無需換卡；終端接入點DNN只需完成首次設(shè)置，公網(wǎng)/內(nèi)網(wǎng)的訪問無需切換DNN。

5 結(jié)束語

利用5G網(wǎng)絡(luò)滿足校園專網(wǎng)2C業(yè)務(wù)需求，是一種比較節(jié)省成本的方案，發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)特性，逐步替代WLAN無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)校園信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)升級。該方案的最大特點是實現(xiàn)校園客戶不換卡不換號，在校園區(qū)域內(nèi)無感知差異訪問校園內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)。但是由于5G行業(yè)應(yīng)用終端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟，筆記本電腦、平板電腦等2C終端大多沒有5G模組配置，導(dǎo)致必須外接5G CPE或者5G手機作為AP來使用5G網(wǎng)絡(luò)。另外，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋投資巨大，存在投入和收益問題，運營商會慎重決策。因此，利用5G網(wǎng)絡(luò)完全替代WLAN無線網(wǎng)絡(luò)還需要一定時間。

從業(yè)務(wù)發(fā)展角度來講，可以結(jié)合智慧校園建設(shè)，2C業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可同時兼顧2B業(yè)務(wù)需求。未來UPF既可掛接人網(wǎng)又可掛接物網(wǎng)，可支持智慧園區(qū)，擴展應(yīng)用空間，利用UPF的虛擬化和切片技術(shù)來實現(xiàn)校園不同業(yè)務(wù)。利用5G校園專網(wǎng)優(yōu)勢，后期可開展用戶的精細(xì)化管理、無線定位、無線大數(shù)據(jù)等增值應(yīng)用，助力智慧校園建設(shè)。