張建忠

摘 要：在5G網(wǎng)絡建設方興未艾之際，如何建設社區(qū)邊緣5G網(wǎng)絡，以適應智慧社區(qū)各信息化應用的需要，是擺在網(wǎng)絡建設者面前的一個課題。文章先對AR/VR、高清視頻、智慧養(yǎng)老等社區(qū)信息化各類場景進行分析，并根據(jù)智慧社區(qū)對于移動網(wǎng)絡的相關要求，提出了基于NPN的5G網(wǎng)絡部署方案、基于DNN分流的MEC 5G邊緣網(wǎng)絡部署方案及基于UL CL分流的MEC 5G邊緣網(wǎng)絡部署方案，并對這3種方案從終端要求、產(chǎn)業(yè)成熟度、適應場景等3個方面做了比較分析，供網(wǎng)絡建設者參考。

關鍵詞：智慧社區(qū);5G;NPN;MEC;網(wǎng)絡部署

0? ? 引言

社區(qū)管理涉及最廣大人民的幸福感和獲得感，國家非常重視社區(qū)信息化的建設。如何用先進的科技手段賦能社區(qū)信息化建設，打造智慧社區(qū)，是必須面對的挑戰(zhàn)。

社區(qū)是個小社會，智慧社區(qū)的服務功能可概括為9個方面，即社區(qū)基礎信息管理、社區(qū)交流服務、社區(qū)電子商務、社區(qū)物流服務、社區(qū)物業(yè)與綜合監(jiān)管、社區(qū)電子政務、社區(qū)智慧家居、社區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生和社區(qū)家政服務。其中涉及的技術包括高清視頻監(jiān)控、海量數(shù)據(jù)傳輸與存儲，還有水電抄表、停車位等大量物聯(lián)網(wǎng)設備聯(lián)網(wǎng)、VR應用等。

智慧社區(qū)服務系統(tǒng)的用戶涉及居委會、物業(yè)公司、居民、商貿(mào)企業(yè)以及相關政府部門。信息化系統(tǒng)的建設離不開一張先進、高效的網(wǎng)絡。智慧社區(qū)在其規(guī)劃中就要充分借助光纖網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡及物聯(lián)網(wǎng)相關技術，完成社區(qū)內(nèi)的信息傳遞與共享，從而實現(xiàn)智慧社區(qū)內(nèi)各組成單元之間，包括人與人、人與物、物與物之間的通信。

目前在通信領域，主要是運營商提供的光纖到戶接入以及4G移動通信網(wǎng)，現(xiàn)有網(wǎng)絡條件應該說能夠滿足部分社區(qū)信息化的基本需求。但考慮到將來VR等在智慧社區(qū)中的應用以及大規(guī)模高清視頻監(jiān)控所需要的海量數(shù)據(jù)傳輸及存儲需求，為確保全網(wǎng)的高效性，在5G移動通信網(wǎng)絡建設中，要有計劃地開展適合未來智慧小區(qū)需求的網(wǎng)絡布局和規(guī)劃，以期保護投資并適應智慧社區(qū)未來的發(fā)展。

1? ? 智慧社區(qū)的5G應用

5G的高帶寬、低時延、廣覆蓋的特征，決定了其將在智慧社區(qū)中發(fā)揮更大的作用。5G智慧化社區(qū)應用很多，這里列舉幾項。

1.1? AR情景互動

AR情景互動是利用影像及3D立體成像技術的高科技展示系統(tǒng)，其核心是一種實時計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套入現(xiàn)實世界并進行互動。

它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等），通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

實現(xiàn)方式：將攝像機放置于屏幕或是液晶屏幕上方，在屏幕前端仿真AR互動標識，當參觀者進入攝像區(qū)域，視頻上就會呈現(xiàn)出真實的拍攝場景，并出現(xiàn)3D互動內(nèi)容，參觀者可以進行互動交互。

使用場景：社區(qū)內(nèi)部交流、學生在家學習。

網(wǎng)絡要求：帶寬需求是20～50 Mbps，時延要小于20 ms。

1.2? 高清視頻監(jiān)控及在線圖形識別

高清視頻監(jiān)控是指1 600×1 200甚至更高視頻圖像分辨率的監(jiān)控系統(tǒng)。高清視頻監(jiān)控相對于普通視頻監(jiān)控來說具有監(jiān)控范圍大、目標設別率高、存儲容量大、傳輸速率高等特征。

智能圖像識別系統(tǒng)是基于人工智能、算法等新技術，對圖像進行識別并根據(jù)所識別的結果給出相應的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過前端高清網(wǎng)絡攝像機進行監(jiān)控攝像，再傳輸?shù)皆贫送ㄟ^AI系統(tǒng)進行詳細分析，并給出相應的反饋。

使用場景：車牌識別、人臉識別、高空拋物告警取證、小偷爬窗告警等。

網(wǎng)絡要求：1 080 P（200萬像素）每路攝像頭4 Mbps。網(wǎng)絡時延小于300 ms。

1.3? 智能垃圾桶

智能垃圾桶是利用傳感器、通信技術、無線傳輸技術及自動控制技術和物聯(lián)網(wǎng)技術而實現(xiàn)的具有自動開蓋、滿箱上報等功能的新型社區(qū)用垃圾收集箱。具體來說有如下功能。

（1）桶蓋開啟：采用紅外傳感技術，在感應到人手接近時，自動開啟桶蓋，延遲數(shù)秒后關閉。

（2）語音提示：做好環(huán)保宣傳、提醒垃圾分類等信息。

（3）狀態(tài)信息上報：在垃圾桶安裝傳感器，垃圾桶里面的垃圾量數(shù)據(jù)會被采集，并通過5G網(wǎng)絡上傳云端，供環(huán)衛(wèi)工人查看。

網(wǎng)絡要求：要求NB-IOT網(wǎng)絡覆蓋。

1.4? 小區(qū)智能停車系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術，將小區(qū)車位進行有效管理，一方面可以大大提高車位的利用率，同時也能方便車輛尋找到空的車位。另外智能停車系統(tǒng)還可以有效管理車輛亂?，F(xiàn)象，保證小區(qū)消防通道的暢通。

具體解決方案如下。

（1）在應急消防通道路面安裝地磁車位檢測器，當車輛亂停時，即時通過5G網(wǎng)絡將報警信息上傳云端，并發(fā)送到小區(qū)物業(yè)管理人員手機。

（2）在小區(qū)公共車位安裝地磁車位檢測器，所有車位狀況實時上傳，整個小區(qū)車位情況一目了然。

（3）車位可以用手機預約及計費，在業(yè)主車位空閑時段，可以將車位共享給需要的人，這樣可以大大提高車位的利用率，有效緩解車位緊張的狀況。

網(wǎng)絡要求：要求NB-IOT網(wǎng)絡覆蓋。

1.5? 智慧養(yǎng)老

中國老齡化日益加劇，智慧養(yǎng)老將是社區(qū)的一項重要服務。利用信息化、傳感網(wǎng)等技術，面向居家老人、社區(qū)及養(yǎng)老機構，可以提供實時、高效、智能化的養(yǎng)老服務。具體可以提供的服務如下。

（1）老人摔倒遠程監(jiān)控。老人在家中摔倒，地面的傳感器就會通過物聯(lián)網(wǎng)技術，向醫(yī)護人員或者家屬發(fā)出信息通知。

（2）老人健康監(jiān)測。通過手環(huán)、血壓計、智能手表等設備，將老人的血壓、心率等數(shù)據(jù)實時上傳云端，供醫(yī)生參考。

（3）老人活動軌跡監(jiān)測。通過GPS手環(huán)、視頻監(jiān)控設備、門磁感應設備等，實時監(jiān)控老人的活動狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可以發(fā)送信息給家屬，防止老人出現(xiàn)意外。

（4）視頻通信系統(tǒng)。老人與親戚朋友可以通過視頻通信系統(tǒng)進行聊天，排解孤獨與寂寞。

網(wǎng)絡要求：要求NB-IOT網(wǎng)絡覆蓋，光纖寬帶或5G接入，帶寬要求50 Mbps以上。

1.6? 虛擬現(xiàn)實（VR）

虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機系統(tǒng)模擬三維世界，用現(xiàn)實的數(shù)據(jù)，通過計算機系統(tǒng)的處理與傳輸，將可感知的三維圖像進行存儲與傳輸，讓不在現(xiàn)場的人也能身臨其境。

具體來說，VR有如下幾個特征。

（1）沉浸性。讓用戶成為并感受到自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分，真正有身臨其境的感覺。

（2）交互性。使用者可以與虛擬的環(huán)境進行互動，虛擬環(huán)境可以對使用者的語言或動作進行反應。

（3）多感知性。系統(tǒng)有很多感知方式，比如聽覺，視覺、觸覺、動作等等。

（4）構想性。使用者可以拓寬認知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能發(fā)生的環(huán)境。

（5）自主性。虛擬環(huán)境可以和現(xiàn)實世界一樣，依據(jù)客觀規(guī)律對各種刺激進行反應。

VR最大的問題就是眩暈，而產(chǎn)生眩暈最大的原因就是時延。一般圖像處理都在云端，網(wǎng)絡對于VR的影響是至關重要的。

使用場景：虛擬旅行、購物、學習、社交、游戲等。

網(wǎng)絡要求：4 K畫質(zhì)，25 Mbps;8 K畫質(zhì)，100 Mbps;12 K畫質(zhì)，400 Mbps。時延要小于20 ms。

2? ? 智慧社區(qū)5G網(wǎng)絡部署方案

結合上述智慧社區(qū)的相關應用場景及網(wǎng)絡需求，在部署5G網(wǎng)絡時可以做如下考慮。

（1）社區(qū)有大流量高清視頻傳送需求。數(shù)據(jù)中心（DC）一般設置在社區(qū)內(nèi)部或邊緣區(qū)域，如果用公共5G網(wǎng)絡傳輸，勢必會大大增加網(wǎng)絡負荷，占用大量網(wǎng)絡資源。

（2）考慮到AR/VR等應用對網(wǎng)絡時延嚴苛要求，網(wǎng)絡部署也要響應做出優(yōu)化。

（3）社區(qū)管理中物聯(lián)網(wǎng)應用相對普遍，要考慮NB-IOT的全覆蓋。

（4）社區(qū)是個特殊的場所，聚集了大量的居民，網(wǎng)絡要兼顧考慮2B，2C的需求。

（5）5G接入要結合小區(qū)現(xiàn)有光纖接入網(wǎng)絡狀況，與固網(wǎng)相互補充與融合。

（6）根據(jù)社區(qū)居民的入住率、社區(qū)信息化應用建設的現(xiàn)狀，在網(wǎng)絡規(guī)劃時要有一定的彈性，以適應社區(qū)不斷增長的網(wǎng)絡需求。

2.1? 公共網(wǎng)絡集成NPN模式

5G面向垂直行業(yè)應用，定義了非公共網(wǎng)絡NPN（Non-Public Network）。社區(qū)里有相當一部分應用是相對獨立的，包括高清視頻監(jiān)控、智能停車系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等。特別是高清視頻監(jiān)控，其網(wǎng)絡流量消耗比較大，如果在社區(qū)里采用NPN的模式進行部署，可以為社區(qū)解決大流量高清視頻監(jiān)控穩(wěn)定可靠的無線接入難題。

工業(yè)互聯(lián)與自動化5G聯(lián)盟（5G-ACIA）針對工業(yè)場景的非公共網(wǎng)絡部署場景白皮書中定義了NPN的4種部署場景[1]。

（1）獨立封閉網(wǎng)絡部署場景：NPN相對于PLMN來說是完全隔離的一個網(wǎng)絡。物理上獨立的NPN保證了數(shù)據(jù)安全隔離和本地閉環(huán)。

（2）共享無線接入網(wǎng)部署場景：NPN與PLMN共享RAN節(jié)點，但擁有獨立的核心網(wǎng)設備。NPN與PLMN共享RAN節(jié)點的基礎設施甚至進一步地共享RAN小區(qū)資源，可以減少部署站點并降低部署成本。

（3）共享無線接入網(wǎng)和控制面部署場景：NPN與PLMN共享RAN節(jié)點和控制面，只擁有獨立的用戶面?？刂泼嬗蛇\營商統(tǒng)一控制和管理。獨立的用戶面可以放在貼近企業(yè)的地方，既擁有較短用戶面的路徑，同時也保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全隔離。

（4）公共網(wǎng)絡中部署場景：NPN與PLMN完全共享RAN節(jié)點、控制面和用戶面?？刂泼婧陀脩裘娑加蛇\營商統(tǒng)一控制和管理，移動運營商可以使用特定DNN來支持NPN業(yè)務。

針對上述4種場景，建議采用共享無線接入網(wǎng)和控制面部署場景。這一方面可以大大節(jié)約網(wǎng)絡投資，另外此方案的用戶面路徑最短，可以大大減輕網(wǎng)絡流量符合。

如圖1所示，網(wǎng)絡中社區(qū)內(nèi)各終端內(nèi)置5G通信模塊，通過無線接入系統(tǒng)進入5G NPN，控制面信息流進入公共網(wǎng)絡5GC，實現(xiàn)用戶注冊、可達性、移動性管理、接入鑒權、授權、IP地址分配、UPF選擇與控制等功能。從用戶面看，社區(qū)應用數(shù)據(jù)流通過社區(qū)的UPF，與社區(qū)網(wǎng)絡相連，數(shù)據(jù)直接進入社區(qū)數(shù)據(jù)中心。

在上述部署方案中，NPN依賴于PLMN進行部署。社區(qū)5G終端擁有PLMN的簽約數(shù)據(jù)，其中包括在NPN中使用的簽約S-NSSAI。社區(qū)NPN部署在跟蹤區(qū)TA的范圍內(nèi)。區(qū)域外的終端無法接入使用。社區(qū)應用終端移出該范圍時，網(wǎng)絡指示終端不能在新的注冊區(qū)域繼續(xù)使用當前的 S-NSSAI。

考慮到網(wǎng)絡的安全性，啟用封閉接入組（ Closed Access Group，CAG）[1]。5GC根據(jù)簽約數(shù)據(jù)來判斷是否允許終端設備接入該CAG小區(qū)。

網(wǎng)絡帶寬需求預測：以高清視頻為例，可以進行攝像頭數(shù)量及網(wǎng)絡設備帶寬估算。

智慧社區(qū)有一些案例可以借鑒。青島城陽街道小寨子社區(qū)現(xiàn)有居民1萬人，他們建設了“一體化智慧社區(qū)感知安防系統(tǒng)”，在社區(qū)各個角落安裝了300個高清監(jiān)控攝像頭，具有人臉識別和行為分析功能，可以識別出打架斗毆、意外摔倒、占道停車、招手求救等行為，并自動報警。

參照青島這個社區(qū)的監(jiān)控建設方案，可以估算出每萬人300個攝像頭的部署規(guī)模。按照每個攝像頭4 Mbps的流量，帶寬利用率不超過70%來測算，只考慮視頻專網(wǎng)流量的話，總的用戶面帶寬2 Gbps。

對于社區(qū)內(nèi)普通居民的5G終端，經(jīng)過RAN接入后，通過UPF與大網(wǎng)相連。當然也可以通過5GC中的UPF接入大網(wǎng)。具體采取何種方式，可以依據(jù)社區(qū)周邊網(wǎng)絡設備狀況而定。

2.2? 基于MEC的部署方案

邊緣計算是5G網(wǎng)絡引入的最有特色的功能之一。邊緣計算通過將用戶面網(wǎng)絡設備及用戶業(yè)務處理能力下移到貼近用戶的網(wǎng)絡接入層，實現(xiàn)了分布式的客戶業(yè)務流量本地化處理。這種模式的優(yōu)點顯而易見，可以大大降低無效的流量路徑，節(jié)約上行流量資源，從而大大降低了匯聚層、核心層網(wǎng)絡設備的處理負荷，降低設備投資成本。同時因為邊緣計算貼近客戶，降低了網(wǎng)絡傳播的路由距離，可以大大降低網(wǎng)絡時延，這對客戶的時延敏感業(yè)務很重要[2]。

社區(qū)智慧化網(wǎng)絡部署，需要在社區(qū)機房部署一套或幾套公共的MEC設備，為社區(qū)提供高品質(zhì)的網(wǎng)絡及智慧社區(qū)信息化應用服務。

基于MEC的部署方案可以有多種分流方案，包括采用基于UL CL的業(yè)務分流、基于BP的業(yè)務分流、采用專用DNN的業(yè)務分流[3]等。下面著重介紹一下基于DNN和UL CL分流的兩種方案。

2.2.1? 專用DNN部署方案

如圖2所示，公共5GC網(wǎng)絡為社區(qū)配置專用DNN，當客戶終端采用該專用DNN接入時，為終端選擇特定的邊緣社區(qū)UPF，用戶流量經(jīng)邊緣UPF到達對應的MEC平臺應用。

在這種部署方案下，社區(qū)中的普通用戶終端（如居民手機）的通信不會選擇社區(qū)UPF，而是根據(jù)事先5GC配置的策略，選擇公網(wǎng)中心UPF，這樣普通用戶終端的流量直接接入大網(wǎng)。5GC會依據(jù)終端特定的設置，將社區(qū)中只有采用了專用 DNN接入的5G終端通信流量選擇接入到社區(qū)UPF。

社區(qū)邊緣UPF也可以對接多個MEC平臺。UPF可以通過劃分子接口方式，基于不同的應用目的地址將流量引導到不同的MEC平臺（對應不同子接口）。如UPF不支持劃分子接口，則需要基于不同DNN，切片ID等方式實現(xiàn)。

2.2.2? UL CL 部署方案

如圖3所示，采用UL CL方案也可以實現(xiàn)ME分流。這種模式下5GC不需要為社區(qū)配置專用DNN。可以在網(wǎng)絡側配置策略：進入該MEC平臺覆蓋社區(qū)內(nèi)的所有用戶都默認啟用UL CL插入。當然也可以針對特定5G終端啟用 UL CL插入[2]。

此部署方案下社區(qū)所有用戶終端通信可默認接入中心UPF，只有滿足 UL CL觸發(fā)條件的用戶才進行UL CL UPF插入。

觸發(fā)條件的設置可以是進入服務區(qū)域的所有5G終端，也可以是進入服務區(qū)域并且簽約了UL CL策略的5G終端。此方案對終端無特殊需求，網(wǎng)絡側需支持 UL CL及對應觸發(fā)策略配置、分流規(guī)則配置等功能。

2.3? 3種方案的比較

上述3種方案應該如何選擇，可以從如下幾個方面進行考慮。

（1）對終端的要求。

采用DNN方案，5G終端必須支持配置DNN信息，建議支持多PDU會話并發(fā)。而選用UL CL方案和NPN方案則對終端沒有特殊要求。

（2）網(wǎng)絡的成熟度。

從目前產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況來看，采用DNN分流方式的MEC最為成熟，實現(xiàn)也相對簡單?；赨L CL分流方式的MEC也基本成熟，在網(wǎng)絡實踐中可以采用。但基于NPN的技術方案還尚未成熟，華為公司還未給出具體實現(xiàn)的時間點。

（3）適應場景。

對于部署要求迅速，社區(qū)應用相對簡單，終端數(shù)量不多、網(wǎng)絡隔離要求不嚴格的情況下，可以優(yōu)先選用DNN模式。此模式對大網(wǎng)要求相對簡單，定制化程度相對較低。在急用先行的情況下，如果用戶對時延要求不高的話，可以大量采用公網(wǎng)資源為客戶提供端到端差異化保障的網(wǎng)絡連接。

對于社區(qū)有網(wǎng)絡時延要求高的應用、社區(qū)終端數(shù)量較多、社區(qū)內(nèi)部網(wǎng)絡規(guī)模較大等情況，建議使用UL CL模式?？梢詾榭蛻舨渴鹕鐓^(qū)專用MEC平臺。同時充分利用無線側網(wǎng)絡優(yōu)化、5G網(wǎng)絡切片等技術，按需定制專用基站、專用頻率和專用社區(qū)級UPF等網(wǎng)絡設備，為社區(qū)提供一張隔離的、端到端高性能的5G專用接入網(wǎng)絡。

對于社區(qū)已經(jīng)建設有較為成熟的內(nèi)部專網(wǎng)，并有專業(yè)的維護團隊的，建議采用NPN模式來部署5G接入網(wǎng)絡，將社區(qū)側的建設和維護交給社區(qū)自己，運營商做好大網(wǎng)的接入就可以了。

3? ? 結語

相對于4G來說，2B業(yè)務是5G最大的亮點。一般根據(jù)不同的行業(yè)特征，提供針對性的5G行業(yè)解決方案。但一般情況下很少有人將社區(qū)作為一個專門的行業(yè)來對待。本文試圖通過對“社區(qū)”這個特殊的“行業(yè)”做一些簡要的分析，按照社區(qū)的特征來規(guī)劃建設相應的5G網(wǎng)絡。

社區(qū)是大量居民的居住地，是政府最基層的組織，是2C和2B融合密切的覆蓋區(qū)域，這對網(wǎng)絡建設提出了非常大的挑戰(zhàn)。社區(qū)信息化的建設主體比較復雜，其智慧化程度也在不斷提升中，這需要持續(xù)地進行跟蹤和分析，以期不斷逼近社區(qū)網(wǎng)絡建設的真實需求，能夠引起各運營商對于社區(qū)5G網(wǎng)絡建設的進一步思考。

[參考文獻]

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[2]譚仕勇，倪慧.5G標準之網(wǎng)絡架構-構建萬物互聯(lián)的智能世界[M].北京：中國工信出版集團，2020.

[3]何宇鋒，林奕琳，單雨威.5G MEC分流方案探討[J].移動通信，2020（9）： 49-57.

（編輯 何 琳）