5G NPN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用

王鵬 孫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

摘要：結(jié)合5G標(biāo)準(zhǔn)Rel-16版本中NPN（Non-public network）網(wǎng)絡(luò)基本概念的介紹，進(jìn)一步說明NPN組網(wǎng)方案，重點分析NPN網(wǎng)絡(luò)特性以及不同的NPN部署方案對網(wǎng)絡(luò)特性的影響，并通過實際應(yīng)用案例說明部署情況，以期為運營商和垂直行業(yè)企業(yè)未來部署NPN網(wǎng)絡(luò)提供參考。

關(guān)鍵詞：5G；NPN；非公共網(wǎng)絡(luò)

5G通信技術(shù)重點面向千行百業(yè)，是能夠促使物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)。本文針對NPN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，給出NPN的兩種組網(wǎng)形態(tài)和典型組網(wǎng)方案，并結(jié)合在某礦區(qū)部署5G專網(wǎng)的實際案例，以期為垂直行業(yè)如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供參考。

一、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點

4G網(wǎng)絡(luò)主要面向公眾移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但并不能有效地支持差異化、個性化的垂直行業(yè)需求?！按怪毙袠I(yè)”通常是指特定行業(yè)或市場領(lǐng)域，這些領(lǐng)域可能有一些特殊的、與大眾需求不同的需求，例如工業(yè)自動化、醫(yī)療健康等行業(yè)的特殊需求。為了滿足更廣泛的行業(yè)應(yīng)用需求，5G網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（尤其是核心網(wǎng)）進(jìn)行了較大地改進(jìn)，涉及更高的數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的延遲、更好的網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量等?？刂泼鍺F之間采用SBA架構(gòu)（服務(wù)化架構(gòu)），NF之間的信令交互都采用HTTP 協(xié)議。5G更關(guān)注核心網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)和功能，而不是節(jié)點本身。

①NFV虛擬化：控制面是由多個采用虛擬化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)功能（NF）組成的，部署在通用計算機(jī)平臺上，以實現(xiàn)軟件化靈活部署。

②支持網(wǎng)絡(luò)切片：網(wǎng)絡(luò)切片是指3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)特征和功能的集合，能夠向用戶提供端到端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

③CU分離：即控制面與用戶面分離。5G核心網(wǎng)架構(gòu)強(qiáng)調(diào)控制面與用戶面的分離，分地域、分業(yè)務(wù)獨立部署，包括兩種能力的獨立擴(kuò)展。

④支持邊緣計算：專門引入了網(wǎng)絡(luò)分流能力，可以把邊緣網(wǎng)絡(luò)的流量靈活進(jìn)行分流，以滿足邊緣應(yīng)用。

綜上，5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)、虛擬化部署、網(wǎng)絡(luò)切片功能便于企業(yè)基于自身需求部署獨立的核心網(wǎng)并開發(fā)應(yīng)用，CU分離特征也便于企業(yè)在核心網(wǎng)數(shù)據(jù)面（UP）擴(kuò)容和升級，應(yīng)用邊緣計算靈活部署企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用，并保證業(yè)務(wù)時延和數(shù)據(jù)安全隔離。

5G非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN，也稱為專網(wǎng)或者私有網(wǎng)絡(luò)）面向特定垂直行業(yè)用戶提供5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。5G非公共網(wǎng)絡(luò)部署在特定園區(qū)，如礦山、校園或工廠等。其主要需求場景可為：特定的Qos服務(wù)要求；高安全要求，企業(yè)自主維護(hù)、部署應(yīng)用；與其他網(wǎng)絡(luò)隔離，出于性能、安全性和信息安全考慮；獨立資產(chǎn)所有權(quán)和運維權(quán)。

二、NPN介紹

NPN被分為兩種類型：①獨立非公共網(wǎng)絡(luò)（SNPN）。SNPN是基于5G標(biāo)準(zhǔn)的專用網(wǎng)絡(luò)，與運營商的5G公網(wǎng)隔離，PLMN ID公用，NID不同。SNPN具有獨立部署的核心網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，企業(yè)客戶擁有SNPN的所有權(quán)，可以獨立運營或者授權(quán)運營商代維。②非獨立的非公共網(wǎng)絡(luò)（PNI-NPN），也即“公網(wǎng)專用”，沒有獨立的NID。企業(yè)可通過與運營商5G公網(wǎng)共享RAN，或者共享RAN和核心網(wǎng)控制面，或者以端到端共享5G公網(wǎng)（端到端網(wǎng)絡(luò)切片）的方式來部署5G專網(wǎng)。

（一）SNPN網(wǎng)絡(luò)

獨立非公共網(wǎng)絡(luò)是基于5G系統(tǒng)架構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，與公共網(wǎng)絡(luò)PLMN完全分離。SNPN的技術(shù)特點如下：

①SNPN的核心網(wǎng)獨立部署，在SNPN核心網(wǎng)對用戶進(jìn)行簽約管理，AMF根據(jù)簽約信息判斷是否允許UE接入SNPN。

②SNPN通過PLMN+NID（Network Identifier ）的組合來標(biāo)識一個SNPN網(wǎng)絡(luò)，具備唯一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符。NID完全獨立于公共網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識PLMN ID，由基站廣播支持的PLMN以及對應(yīng)的NID列表。

③SNPN使用獨立頻段或與運營商共享頻譜組網(wǎng)，支持SNPN的UE終端需要配置PLMN ID+NID，并根據(jù)配置的PLMN ID+NID和小區(qū)廣播的PLMN+NID選擇無線網(wǎng)絡(luò)，接入到特定的SNPN。

④SNPN用戶只能在SNPN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)移動，SNPN與PLMN互相把對端作為非受信的non-3GPP接入來處理，通過N3IWF方式進(jìn)行互通，以保證網(wǎng)絡(luò)安全。

SNPN主要部署方案有如下幾種：

方案1獨立專網(wǎng)：在獨立部署專用的企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)方案中，企業(yè)在自己的園區(qū)范圍內(nèi)搭建了獨立的無線網(wǎng)絡(luò)（RAN）和承載網(wǎng)和核心網(wǎng)（CN），而這些網(wǎng)絡(luò)都與公共移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）完全隔離。SNPN使用專門的頻譜來提供無線通信服務(wù)，這些頻譜不受公共移動網(wǎng)絡(luò)影響，企業(yè)可以根據(jù)自己的需求和特定的行業(yè)應(yīng)用來配置和優(yōu)化SNPN網(wǎng)絡(luò)，以滿足其差異化和個性化的需求。其關(guān)鍵的優(yōu)勢是SNPN的核心網(wǎng)獨立于公共PLMN，這意味著SNPN的用戶簽約數(shù)據(jù)、信令消息和數(shù)據(jù)流量都保持在SNPN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，不會進(jìn)入公共網(wǎng)絡(luò)，從而確保數(shù)據(jù)的安全性，防止敏感信息被泄露。同時，由于數(shù)據(jù)在企業(yè)園區(qū)內(nèi)進(jìn)行處理，可以實現(xiàn)更低的時延要求，適用于對實時性要求較高的垂直行業(yè)應(yīng)用，比如工業(yè)自動化。這種獨立專網(wǎng)方案旨在為企業(yè)提供更加安全、高效和定制化的通信服務(wù)，滿足特定行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)隱私的特殊需求，它允許企業(yè)在園區(qū)內(nèi)掌控整個網(wǎng)絡(luò)，從而更好地實現(xiàn)自動化、智能化和高質(zhì)量的通信體驗。

方案2混合專網(wǎng)，無線基站共享：NPN在企業(yè)園區(qū)內(nèi)共享運營商的RAN基站網(wǎng)絡(luò)，NPN的核心網(wǎng)獨立部署，單獨管理NPN簽約用戶。SNPN和PLMN仍具有不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識、各自獨立的頻譜。

方案3混合專網(wǎng)，無線基站、頻譜共享：企業(yè)SNPN網(wǎng)絡(luò)與運營商共享RAN基站，同時共享頻譜。核心網(wǎng)獨立部署，SNPN與PLMN保持不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。

（二）PNI-NPN網(wǎng)絡(luò)

PNI-NPN是依賴運營商的全部或者部分5G網(wǎng)絡(luò)組建的NPN，由公共網(wǎng)絡(luò)和非公共網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)組成。公共網(wǎng)絡(luò)包含PLMN提供的網(wǎng)絡(luò)功能，這些功能屬于運營商管理；非公共網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)與PLMN保持隔離的網(wǎng)絡(luò)功能，在專用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署。

PNI-NPN的實現(xiàn)有多種方式，有下面幾種典型方案：

①UPF下沉分流方案。就是部署專用的UPF，RAN與控制面利用運營商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)用戶使用專用DNN通過ULCL、LADN、BP等方式來選擇該下沉UPF，下沉UPF分流企業(yè)應(yīng)用流量至企業(yè)側(cè)應(yīng)用平臺或MEC邊緣計算網(wǎng)絡(luò)，使得企業(yè)的數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

②網(wǎng)絡(luò)切片方案。在運營商的網(wǎng)絡(luò)中，通過切片技術(shù)組成NPN網(wǎng)絡(luò)，切片涉及網(wǎng)絡(luò)單元包括無線、承載和核心網(wǎng)，終端簽約并配置切片選擇輔助信息（NSSAI）來選擇對應(yīng)的NPN。切片方式PNI-NPN的網(wǎng)元是共享現(xiàn)有網(wǎng)元，也可以為切片獨立部署，根據(jù)企業(yè)的實際需要靈活選擇。

③CAG方案。在企業(yè)所在園區(qū)的基站上廣播本企業(yè)CAG ID信息，相同的企業(yè)用戶采用相同的CAG ID來標(biāo)識，并在企業(yè)用戶終端配置上本企業(yè)對應(yīng)的CAG信息就可以構(gòu)建獨立的無線專網(wǎng)，即只允許本企業(yè)用戶接入到本企業(yè)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)。

CAG技術(shù)本身并不提供網(wǎng)絡(luò)隔離能力，為支持網(wǎng)絡(luò)隔離，CAG方案需要結(jié)合UPF下沉或者切片技術(shù)進(jìn)行融合部署，這需要通過統(tǒng)一規(guī)劃CAG以及切片網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

三、應(yīng)用案例

隨著5G賦能產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程不斷深入，陜西聯(lián)通在礦山行業(yè)部署5G專網(wǎng)方面已經(jīng)有了初步的探索和應(yīng)用。某礦區(qū)構(gòu)建以5G為核心的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，形成5G專網(wǎng)和邊緣云的一站式解決方案，為礦區(qū)業(yè)主提供網(wǎng)、云、業(yè)、維一體化的ICT服務(wù)能力。

（一）方案選擇

有兩種不同的網(wǎng)絡(luò)部署方案：SNPN（Specialized Network for Private Network）和PNI-NPN（Public Network Integration - Network for Private Network）。這兩種方案針對不同的場景和需求，旨在滿足企業(yè)對網(wǎng)絡(luò)性能、安全性和成本效益的不同考量。

SNPN是一種獨立部署的企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，適用于對關(guān)鍵性任務(wù)有高要求的場景，比如延遲敏感的工業(yè)應(yīng)用等。在企業(yè)園區(qū)范圍內(nèi)，SNPN建立了自己的無線網(wǎng)絡(luò)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)，完全隔離于公共移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）。這種部署確保了企業(yè)的數(shù)據(jù)和通信完全受控，不受外界影響，保證了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。SNPN的獨立性允許企業(yè)更好地滿足特定的KPI（關(guān)鍵績效指標(biāo)）要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的網(wǎng)絡(luò)定制化。

PNI-NPN是一種與運營商的公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成的私有網(wǎng)絡(luò)部署方案。相比于SNPN，PNI-NPN不需要企業(yè)自行建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，而是依賴于運營商的網(wǎng)絡(luò)部署和運維專網(wǎng)。這種部署降低了企業(yè)的成本，并促進(jìn)了與公共移動網(wǎng)絡(luò)的交互。然而，也相應(yīng)地降低了NPN在性能和管理方面的獨立性，PNI-NPN可能在一定程度上受到公共網(wǎng)絡(luò)的影響，可能給延遲敏感的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用帶來一些限制。

SNPN部署方案適用于對網(wǎng)絡(luò)性能和安全性要求較高、對網(wǎng)絡(luò)控制有較高需求的企業(yè)場景。而PNI-NPN部署方案適用于成本敏感、不需要完全獨立網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)，能夠通過與運營商合作實現(xiàn)更便捷地網(wǎng)絡(luò)部署。因此，選擇哪種方案取決于企業(yè)的具體需求和優(yōu)先考量。

鑒于礦區(qū)對于網(wǎng)絡(luò)完全隔離保證、延遲敏感等要求，受外界影響要盡量少，與大網(wǎng)互通的需求較少，陜西聯(lián)通某礦區(qū)5G專網(wǎng)即采用SNPN中的方案2。

（二）公專網(wǎng)分離方案

為實現(xiàn)某礦區(qū)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與礦區(qū)公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分離、互不影響，使用獨立SNPN組網(wǎng)方案。某礦區(qū)專網(wǎng)用戶和公網(wǎng)用戶的SIM采用不同的PLMN網(wǎng)號，這樣用戶接入5G基站時可以根據(jù)不同的PLMN接入到不同的核心網(wǎng)：公網(wǎng)用戶采用PLMN1，即聯(lián)通大網(wǎng)PLMN號46001，通過5G基站繼續(xù)接入聯(lián)通大網(wǎng)4G/5G核心網(wǎng)，正常使用數(shù)據(jù)、語音和短信業(yè)務(wù)；專網(wǎng)用戶采用PLMN2（46009）作為礦區(qū)PLMN，通過5G基站接入礦區(qū)i5GC核心網(wǎng)，和應(yīng)用服務(wù)器互通。

礦區(qū)中心機(jī)房建設(shè)統(tǒng)一通信云底座，提供5G智慧礦區(qū)通信云、網(wǎng)、業(yè)一站式“聯(lián)結(jié)+計算”能力和端到端的輕資產(chǎn)5G專網(wǎng)云服務(wù)?；谠频鬃渴?套專用5G核心網(wǎng)（簡稱i5GC），1套專用vIMS，1套綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，建設(shè)無線接入網(wǎng)及1套調(diào)度平臺。5G系統(tǒng)可通過vIMS的SBC邊界網(wǎng)關(guān)設(shè)備與現(xiàn)有的有線通信系統(tǒng)、4G通信系統(tǒng)互聯(lián)互通，同時支持與外網(wǎng)通信的功能。

i5GC采用通用X86架式服務(wù)器作為基礎(chǔ)設(shè)施硬件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于標(biāo)準(zhǔn)ETSI NFV架構(gòu)設(shè)計，主要功能組件作為VNF部署在虛擬基礎(chǔ)設(shè)施之上。i5GC對外為以專用硬件一體機(jī)形態(tài)提供服務(wù)，內(nèi)置虛擬化平臺，集成CloudStudio（NFVO/VNFM），部署i5GC控制面（AMF、SMF、UDM、PCF）和i5GC用戶面（UPF）、vIMS 的核心網(wǎng)元（SBC，CSCF，SSS ，MRFP， EMS， HSS）以及管理維護(hù)系統(tǒng)。

i5GC能夠?qū)崿F(xiàn)下面幾項網(wǎng)絡(luò)接口功能：

①5GC控制面對接基站的N2接口；②5GC用戶面對接基站的N3接口；③礦區(qū)之間5GC和IMS訪問對方UDM/HSS的接口；④礦區(qū)訪問極簡i5GC訪問外部語音對接集團(tuán)i5GC部署的vIMS（I-SBC）接口；⑤礦區(qū)訪問極簡i5GC訪問外部數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對接集團(tuán)部署的礦區(qū)外網(wǎng)訪問接入CE接口；⑥礦區(qū)5G專網(wǎng)中，i5GC單套設(shè)備可支持20Gbps吞吐量，下掛512個基站；vIMS支持通過SIP協(xié)議與第三方網(wǎng)關(guān)、軟交換系統(tǒng)、IMS互通，集成多媒體邊際網(wǎng)關(guān)（SBC）功能，單套設(shè)備可支持1萬用戶。

無線專網(wǎng)：部署獨立無線基站接入專網(wǎng)核心網(wǎng)，無線設(shè)備滿足礦業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，并采用獨立頻譜。

語音業(yè)務(wù)的對接：需要從某礦區(qū)專網(wǎng)iIMS中內(nèi)置的I-SBC網(wǎng)元，以SIP中繼的方式對接到陜西聯(lián)通固網(wǎng)IMS的I-SBC，實現(xiàn)和三大運營商的大網(wǎng)語音互通。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：礦區(qū)iUPF通過承載專線和聯(lián)通internet出口路由器互聯(lián)，礦區(qū)用戶產(chǎn)生的internet數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，直接由礦區(qū)融合4G/5G專網(wǎng)疏通至互聯(lián)網(wǎng)。

（三）分析總結(jié)

陜北地區(qū)煤礦資源豐富，智慧礦山發(fā)展?jié)摿Υ?，目?G智慧礦山還處于早期標(biāo)桿案例探索階段。礦區(qū)專網(wǎng)是5G技術(shù)實現(xiàn)煤礦智能開采的重要應(yīng)用場景，應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延、高可靠性的特點和邊緣計算、無縫切換等技術(shù)，發(fā)揮專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隔離和安全、靈活配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提供特定業(yè)務(wù)保障等特性，可以實現(xiàn)實時定位與應(yīng)用服務(wù)、生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)操作以及安全巡檢與防護(hù)，打通生產(chǎn)、運輸、安全環(huán)節(jié)，實現(xiàn)智能開采，提高煤礦業(yè)生產(chǎn)的效率，節(jié)省人力，改善作業(yè)環(huán)境，提高采煤安全，同時踐行了科技保障安全、科技引領(lǐng)進(jìn)步的理念。本次項目方案作為NPN技術(shù)應(yīng)用，具有較為廣泛、深遠(yuǎn)的示范意義。

四、結(jié)束語

SNPN部署方案比較適合對KPI要求高的關(guān)鍵性任務(wù)、延遲敏感的工業(yè)用例等場景，這些用例要求完全隔離保證，并且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相對可靠和穩(wěn)定，受外界影響要盡量少。此方案投資較大，同時SNPN和運營商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通時，還需要運營商的支持，企業(yè)需要自建無線基站還涉及頻譜許可等問題。PNI-NPN相關(guān)的部署方案使NPN更依賴于PLMN，基于運營商的網(wǎng)絡(luò)部署和運維專網(wǎng)，無需企業(yè)自建5G網(wǎng)絡(luò)；多數(shù)情況下并不存在頻譜問題，有助于促進(jìn)兩個網(wǎng)絡(luò)之間的互通，降低縱向市場的進(jìn)入壁壘，對企業(yè)運維要求也比較低，投資成本低，但代價是NPN在性能和管理方面獨立性差。目前PNI-NPN的部署方式中，除了CAG功能外，其他相關(guān)技術(shù)成熟。因此，采用UPF下沉或者網(wǎng)絡(luò)切片方式，是目前適宜部署的方案。

作者單位：王鵬 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司陜西省分公司

孫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 中電科普天科技股份有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]3GPP TS 23.251 v15.1.0 Network sharing; Architecture and functional description.

[2]3GPP TS 22.104 v16.0.0， Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains， Stage 1

[3]3GPP TS23.501 v15.4.0. System architecture for the 5G System， Stage 2

[4]3GPP TS 23.501V15.13.0System architecture for the 5G System.

王鵬（1974.10-），男，漢族，陜西省渭南，本科，高級工程師，研究方向：移動核心網(wǎng)演進(jìn)、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用；

孫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，中電科普天科技，中級工程師，本科，研究方向：核心網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。