王夢曉，方琰崴

（1.東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，廣東 深圳 518055）

0 引言

2021 年5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)邁入商用加速期，目前全球已部署100 多張5G 網(wǎng)絡(luò)，我國部署的5G 基站超過60 萬臺，超過300 個城市實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5G 不但能給消費者帶來更優(yōu)的業(yè)務(wù)體驗和豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用，而且5G 高帶寬、低時延、高可靠性的特性和海量連接擴展能力正快速驅(qū)動垂直行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并不斷在各領(lǐng)域落地實施，5G已然成為推動行業(yè)數(shù)字化經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的核心引擎。據(jù)畢馬威公司預(yù)測，5G 技術(shù)在垂直行業(yè)的全球市場潛在價值超過4 萬億美元。

垂直行業(yè)對通信網(wǎng)絡(luò)的需求存在巨大的差異，甚至同一行業(yè)不同場景的需求也不同。一方面，5G 要能為行業(yè)提供確定性的業(yè)務(wù)體驗，包括帶寬、時延、抖動、可靠性、安全性等方面的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）能力；另一方面具體到個性化應(yīng)用場景，又要求一張網(wǎng)絡(luò)能同時滿足千行百業(yè)的應(yīng)用需求，靈活移動算力。因此，5G 與垂直行業(yè)的結(jié)合并不是簡單的疊加，而是在深刻剖析行業(yè)場景特性基礎(chǔ)上，將5G 能力與行業(yè)需求進行匹配和深度融合，甚至為了滿足行業(yè)訴求，從技術(shù)、功能等方面重新討論定義并標準化。通過解構(gòu)場景和需求，到重構(gòu)方案的復(fù)雜過程，最終在邏輯上和功能上呈現(xiàn)一張適用于行業(yè)的新網(wǎng)絡(luò)[1]。

1 5G ToB專網(wǎng)建設(shè)方案

如圖1 所示，5G ToB 行業(yè)專網(wǎng)可以與5G 公共網(wǎng)絡(luò)融合部署，在每個省份設(shè)置多個大區(qū)，控制面大區(qū)集中，UPF（User Plane Function，用戶平面功能）在省會城市、地市或邊緣園區(qū)部署。

圖1 5G ToB行業(yè)專網(wǎng)的建設(shè)方案

在建設(shè)策略上，可以對不同網(wǎng)元采取不同的建設(shè)方案。對SMSF（Short Message Service Function，短消息業(yè)務(wù)功能），可以全國集中建設(shè)，比如按地域劃分，在南方、北方各自設(shè)置一套。對PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、UDM（Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）、NRF（Network Repository Function，網(wǎng)絡(luò)存儲功能）、NSSF（Network Slice Selection Function，網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能）等網(wǎng)元，按省建設(shè)，大區(qū)之間可以共用；對AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動管理功能）、SMF（Session Management Function，會話管理功能）、CHF（Charging Function，計費功能）等網(wǎng)元，每個大區(qū)分別集中設(shè)置，ToB 與ToC 網(wǎng)絡(luò)共用；對ToB 專線UPF，建議在省會城市集中建設(shè)，每個大區(qū)都有各自專線UPF，同時兼作所在省會城市的邊緣UPF；邊緣UPF 用于業(yè)務(wù)分流，通過N9 口接入專線UPF，接入專線業(yè)務(wù)平臺，可以規(guī)劃5 G、20 G、50 G、100 G 等多種吞吐量模型，提前在地市規(guī)劃部署，滿足業(yè)務(wù)快速上線要求；對邊緣增強UPF，建議將其和MEP（MEC Platform，邊緣計算平臺）合設(shè)，支持第三方APP 部署和管理，省份根據(jù)MEC 需求自行建設(shè)，可以規(guī)劃5 G、20 G、50 G、100 G多種吞吐量模型，一般部署在地市核心機房、各級匯聚機房、無線機房及企業(yè)、園區(qū)邊緣側(cè)等，各省或大區(qū)后續(xù)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展按需建設(shè)[2]。

5G ToB 專網(wǎng)需要采用多維度的可靠性設(shè)計，多路徑和多路數(shù)據(jù)傳輸組合，可以有效提升端到端可靠性，全面保障5G 行業(yè)應(yīng)用。在鏈路級可靠性方面，服務(wù)器配置雙網(wǎng)卡，采取主備或負荷分擔方式，接口冗余備份，防止單鏈路故障；在網(wǎng)元級可靠性方面，硬件系統(tǒng)和模塊、網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余，網(wǎng)絡(luò)平面隔離，構(gòu)建高可靠物理資源池；在網(wǎng)絡(luò)級可靠性方面，網(wǎng)元容災(zāi)方案支持熱備份，確保在線會話不丟失，滿足5G 行業(yè)專網(wǎng)的高可靠需求[3]。

2 5G ToB行業(yè)專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 安全性保障

安全方案是5G ToB 專網(wǎng)建設(shè)的首要關(guān)注點，有必要部署如圖2 所示的安全方案。在終端接入方面，建議使用GUTI/TMSI（Globally Unique Temporary UE Identity，終端全球唯一標識）替代IMSI，支持UE 終端初始接入時使用加密的SUCI（Subcription Concealed Identif ier，用戶隱藏標識）；在空口信令面和用戶面保護方面，對于園區(qū)關(guān)鍵信息采集等操作要區(qū)別于AR、VR 等高速率低時延業(yè)務(wù)，需要開啟空口機密性和完整性保護，提高空口防御性保護，抵御惡意數(shù)據(jù)篡改等空口攻擊；在安全接入方面，需提供身份管理功能，進行多重鑒權(quán)認證，在無線按需提供安全，實施加密完保策略，避免非法入侵；在數(shù)據(jù)安全方面，需保證專網(wǎng)合規(guī)應(yīng)用，制定安全路由策略，數(shù)據(jù)只能在指定區(qū)域流動，并有效控制安全訪問，避免行業(yè)信息泄露；在切片管理方面，做好有效隔離，其他切片資源耗盡不影響行業(yè)專網(wǎng)使用，潛在威脅無法從其他切片發(fā)起跨行業(yè)攻擊，保證攻擊免疫；在統(tǒng)一安全策略方面，需完善安全配套，保證覆蓋邊緣5G網(wǎng)元，強化安全審計，增加邊緣應(yīng)用平臺安全，實現(xiàn)5G ToC 網(wǎng)絡(luò)和ToB 專網(wǎng)在安全上的融合[4]。

圖2 5G ToB專網(wǎng)的安全方案

在安全運維方面，運營商也要加強管理措施，嚴控管理權(quán)限，在ToB 網(wǎng)絡(luò)運營初期就啟用白名單，白名單列表中的用戶才允許接入，對IMSI/IMEI/MSISDN 等企業(yè)敏感信息采用加密或匿名化等方式處理。

5G ToB 行業(yè)專網(wǎng)的建設(shè)方案需要解決諸多實際問題。在規(guī)劃部署方面，合理劃分5G 安全域，規(guī)劃流量策略。在物理安全方面，要加強邊緣物理防護，規(guī)范監(jiān)控等措施。在可信加載方面，通過數(shù)字簽名確保5G 版本可信。在信令安全方面，基于證書認證確保流量安全。在安全防護和組網(wǎng)隔離方面，利用安全設(shè)備實現(xiàn)層次化防御，且ToB 和ToC 網(wǎng)絡(luò)都要部署防火墻和安全網(wǎng)關(guān)，對異常流量進行過濾。在安全加固方面，按合規(guī)要求配置，定期掃描安全漏洞，確保下沉到地市和園區(qū)的網(wǎng)元可信。在合規(guī)監(jiān)管方面，對日志進行加密，不設(shè)明文，并留存分析，全面管控各種信息。在行業(yè)審計方面，整個組網(wǎng)要按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范來設(shè)置，接受行業(yè)安全監(jiān)管。在快速響應(yīng)方面，ToB 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運營商的安全運維體系，及時響應(yīng)安全事件[5]。

2.2 PRB資源預(yù)留

3GPP 在5G 階段引入了網(wǎng)絡(luò)切片，這是重大架構(gòu)創(chuàng)新，它借助網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)和SBA（Service-based Architecture，服務(wù)化架構(gòu)），可實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)端到端系統(tǒng)編排和資源調(diào)度，可以把一個物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入、傳輸和核心網(wǎng)，都是邏輯獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)[6]。

借助5G 網(wǎng)絡(luò)切片功能，運營商可以為各業(yè)務(wù)分區(qū)設(shè)置不同切片，按照業(yè)務(wù)屬性設(shè)置專屬的切片參數(shù)集[7]。網(wǎng)絡(luò)切片將5G 網(wǎng)絡(luò)切出多張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，通過不同切片域隔離來實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的SLA（Service Level Agreement，服務(wù)等級協(xié)議）要求，提供差異化的業(yè)務(wù)分區(qū)、橫向隔離的安全要求，實現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)承載多個分區(qū)業(yè)務(wù)、共享整體資源、降低建設(shè)成本的建設(shè)目標，實現(xiàn)差異化的業(yè)務(wù)支持[8]。

對常見的5G 業(yè)務(wù)如云游戲、AR/VR，3GPP 所定義的端到端切片能夠確保全覆蓋和特定業(yè)務(wù)保障能力，在共享核心網(wǎng)、傳輸和無線基站情況下，通過DNN（Data Network Name，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名）和QoS 結(jié)合，來實現(xiàn)特定業(yè)務(wù)的體驗保障。在5G 系統(tǒng)中，空口資源相對最為緊缺，常規(guī)5G 公網(wǎng)切片一般采用切片ID 和5QI（5G QoS Identifier，5G QoS 標識符）組合進行業(yè)務(wù)調(diào)度的切片管理方式，即所有切片和切片內(nèi)業(yè)務(wù)共享基站PRB 資源，業(yè)務(wù)在搶占PRB（Physical Resource Block）資源發(fā)生沖突時按照5QI 優(yōu)先級進行排序調(diào)度[9]。通過切片和5QI組合標示不同維度用戶分級，針對不同用戶業(yè)務(wù)，可以靈活設(shè)置不同調(diào)度優(yōu)先級來實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)能力保障。同時，為保障高可靠低時延類業(yè)務(wù)，基站側(cè)通過開啟此類業(yè)務(wù)的預(yù)調(diào)度方式實現(xiàn)低時延保障，通過降低目標BLER（Block Error Ratio，誤塊率）來實現(xiàn)高可靠保障[10]。

而5G ToB 的電力生產(chǎn)控制、礦山開采等業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，有必要在5G 傳統(tǒng)切片網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進一步增強對此類業(yè)務(wù)的資源保障。此時，需要通過為特定切片預(yù)留一定PRB 資源的方式來保障該切片業(yè)務(wù)的可靠性。

運營商可以為電力生產(chǎn)類和礦山開采類業(yè)務(wù)的超高優(yōu)先級切片預(yù)留固定的PRB 資源（如10 MHz 的帶寬資源），該部分資源歸該切片獨享，預(yù)留的資源可以確保電力業(yè)務(wù)得到最高資源優(yōu)先級和嚴格的安全隔離，切片內(nèi)的各類子業(yè)務(wù)再基于5QI 優(yōu)先級進行切片內(nèi)的資源調(diào)度，該方式切實保障了電力控制類和礦山開采類切片的系統(tǒng)安全和業(yè)務(wù)優(yōu)先級。而對于其他非生產(chǎn)類業(yè)務(wù)，可以采用常規(guī)的切片共享PRB 調(diào)度方式，所有在網(wǎng)切片共享資源以最大程度提升系統(tǒng)資源利用率。

在切片有超高優(yōu)先級要求時，可以綜合考慮設(shè)置固定PRB 資源、優(yōu)先PRB 調(diào)度、共享調(diào)度機制融合機制等多種方式，這能夠兼顧了5G ToB業(yè)務(wù)的開展和資源利用的有效性。

2.3 服務(wù)等級協(xié)議

（1）垂直行業(yè)典型應(yīng)用的SLA

如表1 所示，5G ToB 行業(yè)專網(wǎng)的建設(shè)需要提供各種不同的SLA 服務(wù)等級，這和5G ToC 網(wǎng)絡(luò)的SLA 要求存在較大的差異。

表1 5G ToB和ToC網(wǎng)絡(luò)的SLA要求

5G ToC 網(wǎng)絡(luò)涉及到關(guān)鍵技術(shù)包括IMS 增強、SRVCC、內(nèi)容計費等，而ToB 行業(yè)專網(wǎng)對控制面功能及用戶面部署位置需求差異比較大，往往控制面按需部署，用戶面既可以集中也可以下沉到園區(qū)靈活部署。

（2）帶寬和時延保障

對焦點會議、運動會賽事等社會熱點事件的實時報道，需要提供確保的端到端帶寬。以往，媒體采集終端和其他終端都只能定義為同樣等級的用戶，其空口資源易被爭搶，速率帶寬沒有保障，而在5G ToB 網(wǎng)絡(luò)中，媒體終端簽約媒體專網(wǎng)用戶eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶）切片，優(yōu)先接入，保障上行帶寬。無線側(cè)識別專網(wǎng)用戶或終端，通過QCI（QoS Class Identif ier，QoS 等級標識）提供GRB保障或者預(yù)留資源，將優(yōu)先級映射到VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)）或者VLAN 優(yōu)先級，保障帶寬[11]。承載接入設(shè)備將指定接口的VLAN 或者VLAN 優(yōu)先級映射到外層標簽的EXP 字段，逐跳保障帶寬，提供基于QoS 的帶寬保障，并能夠提供基于FlexE（Flex Ethernet，靈活以太網(wǎng)技術(shù)）的硬管道保障；核心網(wǎng)為專線專網(wǎng)用戶的每個PDN 會話支持多個QoS f low 的靈活QoS 控制，并為專網(wǎng)用戶提供高可靠N3 接口隧道。

ToB 用戶面下沉到邊緣，再結(jié)合5G 空口技術(shù)，能夠為不同場景的應(yīng)用提供時延保障。在港口岸橋遠程操控場景下，端到端時延要求不大于20 ms[12]。在傳統(tǒng)的4G 覆蓋下，時延大約在100～200 ms，無法滿足操控要求。且遠程操控有多路視頻回傳的特殊需求，低時延疊加高速率，4G 網(wǎng)絡(luò)無法滿足遠程操作要求。而在5G ToB 網(wǎng)絡(luò)中，岸橋遠程操作終端簽約港口專網(wǎng)定制eMBB 切片，單路專線按照上行帶寬大于50 Mbit/s，下行帶寬大于20 Mbit/s，時延小于20 ms 時延指標要求規(guī)劃。在初始階段，可以考慮部署CPE 匯接接入多路有線連接的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并在監(jiān)控系統(tǒng)逐步外接5G 模塊與基站直連，而新部署的攝像頭則全部內(nèi)置5G 模塊。在工業(yè)柔性制造場景下，要求業(yè)務(wù)交互端到端時延要求小于5 ms，這要求ToB 網(wǎng)絡(luò)的UPF、MEP 及APP 服務(wù)器均部署在園區(qū)的邊緣數(shù)據(jù)中心，需要結(jié)合MEC 部署uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠超低時延通信）和eMBB 的混合切片，此時FDD 頻段重耕為5G NR（5G New Radio），采用Mini-Slot 幀結(jié)構(gòu)，空口單向時延小于1 ms。

（3）確定性時延和抖動保障

工業(yè)控制行業(yè)的一些應(yīng)用對報文時延、抖動等指標有精確的要求，如電力場站內(nèi)設(shè)備間通信時延要求250±5 μs，差動保護業(yè)務(wù)時延要求12 ms±600 μs，這也被稱作專網(wǎng)的確定性要求。

圖3 是5G ToB TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）的典型業(yè)務(wù)組網(wǎng)。需要預(yù)先分配uRLLC 切片，同時UPF下沉到邊緣數(shù)據(jù)中心。在專網(wǎng)的確定性要求下發(fā)后，PCF（策略控制功能）配置確定性時延T，而AMF 把QoS 信息和時延T通知到基站DU/CU（Distributed Unit，分部單元；Centralized Unit，集中單元）?；綝U/CU 收到報文計算T-(T2-T1)，根據(jù)剩余的時間，決定是否緊急調(diào)度發(fā)送報文給CPE。系統(tǒng)中的DTU（Data Transmission Unit，數(shù)據(jù)傳輸單元）完成數(shù)據(jù)同步，實現(xiàn)差動保護。5G 空口支持IEEE 802.1AS 對接TSN 時鐘同步，授時精度小于10 ms，實現(xiàn)精準授時。承載硬切片技術(shù)建立FlexE 隧道，保障回傳網(wǎng)絡(luò)的確定性。

圖3 5G ToB TSN的典型業(yè)務(wù)組網(wǎng)

3 5G ToB專網(wǎng)的業(yè)務(wù)經(jīng)營

5G ToB 行業(yè)專網(wǎng)和ToC 網(wǎng)絡(luò)的顯著差異在于，在專網(wǎng)中存在企業(yè)的自服務(wù)要求。如圖4 所示，需要部署ToB行業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與運營商專網(wǎng)管理系統(tǒng)的自服務(wù)接口通道。

圖4 行業(yè)網(wǎng)關(guān)與運營商專網(wǎng)管理系統(tǒng)的自服務(wù)接口通道

企業(yè)自服務(wù)的能力聚焦在業(yè)務(wù)切片的訂購開通、切片監(jiān)控、切片維護優(yōu)化等方面，并需要結(jié)合經(jīng)營數(shù)據(jù)形成合作運營的新模式。企業(yè)通過自服務(wù)門戶獲取免審核的能力集和須審核的能力集。免審核的能力集體包括運營監(jiān)控（查看切片健康狀態(tài)、運行指標等）、資源查看能力、告警能力（上報、確認、清除等），需審核的能力集包括企業(yè)客戶能夠自主管理自己訂購的切片，保障服務(wù)穩(wěn)定，切片實例操作（切片切換、擴容、調(diào)整、隔離等）[13]。

在ToB業(yè)務(wù)場景驅(qū)動下，通過業(yè)務(wù)模板調(diào)用并定義參數(shù)、SLA 拆分、自動部署實例、自動配置網(wǎng)元、自動配置切片、注冊切片、用戶簽約等步驟，即可實現(xiàn)端到端切片的小時級業(yè)務(wù)發(fā)放和自動開通，快速提供高保障網(wǎng)絡(luò)體驗[14]。

企業(yè)通過監(jiān)控自服務(wù)能力接口實現(xiàn)訂購切片的有效監(jiān)控，包括關(guān)鍵KPI 性能監(jiān)控、切片用量監(jiān)控、切片費用查詢、告警實時監(jiān)控等，洞悉業(yè)務(wù)運行狀況。而運營商能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進行實時的智能優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)自動適應(yīng)滿足業(yè)務(wù)動態(tài)要求。在行業(yè)網(wǎng)關(guān)監(jiān)測到異常時，對VIP 用戶發(fā)放臨時權(quán)限，并結(jié)合實時采集的數(shù)據(jù)、切片性能統(tǒng)計和告警統(tǒng)計等信息，分析并調(diào)整切片的信令開銷、帶寬利用率，實現(xiàn)切片負荷優(yōu)化動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，保證業(yè)務(wù)體驗。如在mMTC（Massive Machine Type of Communication，海量機器連接）場景下，根據(jù)切片信令開銷模型，自動調(diào)整切片實例。而在eMBB 場景下，根據(jù)切片資源帶寬利用率，自動調(diào)整SDN 帶寬資源[15]。

4 結(jié)束語

隨著5G 從概念走向現(xiàn)實，垂直行業(yè)市場將成為運營商未來重要的利潤增長點，而行業(yè)伙伴需要借助5G 獲得數(shù)字化生產(chǎn)力來提升行業(yè)競爭力。在與各行各業(yè)的合作和創(chuàng)新的深入的過程中，5G 的潛能與價值正不斷釋放。作為數(shù)字經(jīng)濟中重要的一環(huán)，5G 能為垂直行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)、高效的基礎(chǔ)能力服務(wù)。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算、邊緣計算等新技術(shù)的發(fā)展，人類社會正邁入以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主要特征的第四次工業(yè)革命時代。傳統(tǒng)行業(yè)對新技術(shù)的應(yīng)用有著廣闊的需求，而5G 的特性注定使得垂直行業(yè)超越連接的范疇，與其背后的云計算、AI、大數(shù)據(jù)技術(shù)融合，成為第四次工業(yè)革命的基石。隨著5G 商用進程的全面開啟和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)加速推進，5G 與垂直行業(yè)的融合應(yīng)用實現(xiàn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型將成為未來社會發(fā)展的關(guān)鍵。