趙婧博 ，張學(xué)智 ，鄒禮寧

(1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.北京郵電大學(xué)，北京 100876)

0 引言

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為各行各業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展共識(shí)，行業(yè)對于利用5G 等新技術(shù)助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求愈發(fā)迫切。而不同行業(yè)的業(yè)務(wù)特征迥異，業(yè)務(wù)網(wǎng)聯(lián)化和安全性等需求程度各不相同，一張5G 公共網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱5G 公網(wǎng))無法在滿足公眾業(yè)務(wù)的同時(shí)提供性價(jià)比更高的的差異化能力，5G 專網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。3GPP 在R16標(biāo)準(zhǔn)中提出了NPN 技術(shù)，結(jié)合5G 技術(shù)的多維度組合和演進(jìn)，能夠使5G 專網(wǎng)成為千行千面的數(shù)字化信息基礎(chǔ)設(shè)施底座[1-3]。同時(shí)，為了能夠更好地利用5G 公網(wǎng)的廣覆蓋和低成本特性，提高5G 專網(wǎng)的性價(jià)比和普及速度，公網(wǎng)與專網(wǎng)融合(以下簡稱公專融合)部署將逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)。本文針對5G 專網(wǎng)的NPN 技術(shù)的對比，針對當(dāng)前企業(yè)更關(guān)注的SNPN 方案，分析其在兩種公專融合部署場景中面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的技術(shù)方案。

1 5G 專網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3GPP 在R16 標(biāo)準(zhǔn)中提出的NPN 技術(shù)是利用5G 技術(shù)構(gòu)建的獨(dú)立于服務(wù)大眾的PLMN 網(wǎng)絡(luò)的5G 專網(wǎng)，用于企業(yè)業(yè)務(wù)(例如：企業(yè)生產(chǎn)控制等)。NPN 包括兩種技術(shù)方案：獨(dú)立的非公共網(wǎng)絡(luò)(Stand-alone NPN，SNPN)和公共網(wǎng)絡(luò)集成的非公共網(wǎng)絡(luò)(Public Network Integrated NPN，PNI-NPN)[4-7]。

利用SNPN 技術(shù)可以部署一張完全獨(dú)立的5G 專網(wǎng)，不依賴于PLMN 提供的網(wǎng)絡(luò)功能。SNPN 可以通過3GPP定義的技術(shù)手段與PLMN 互通。在SNPN 網(wǎng)絡(luò)注冊的UE(User Equipment)可以通過SNPN 網(wǎng)絡(luò)以非受信任的非3GPP 方式接入PLMN 網(wǎng)絡(luò)，使用PLMN 提供的服務(wù)；在PLMN 注冊的UE 可以以非受信任的非3GPP 方式通過PLMN 接入SNPN 網(wǎng)絡(luò)，使用SNPN 提供的服務(wù)[2-3]。SNPN由PLMN ID 和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(Network Identifier，NID)的組合來標(biāo)識(shí)。提供對SNPN 的訪問權(quán)限的下一代無線接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(Next Generation Radio Access Network node，NG-RAN)廣播一個(gè)或多個(gè)PLMN ID 以及每個(gè)PLMN ID的NID 列表，用于標(biāo)識(shí)NG-RAN 提供的非公共網(wǎng)絡(luò)訪問。NG-RAN 節(jié)點(diǎn)也可以廣播用于無線資源控制的信息等其他信息，以防止不支持SNPN 的用戶訪問小區(qū)。用戶被設(shè)置為以SNPN 接入模式運(yùn)行時(shí)，用戶從NG-RAN廣播系統(tǒng)信息中讀取可用的PLMN ID 和可用的NID 列表，用于網(wǎng)絡(luò)選擇。

而PNI-NPN 技術(shù)是通過PLMN(例如：通過專用DNN)或通過為NPN 分配的一個(gè)(或多個(gè))PLMN 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例來提供的NPN。此時(shí)UE 簽約為PLMN 用戶。在該類型網(wǎng)絡(luò)下，用戶具有對PLMN 網(wǎng)絡(luò)的訂閱能力。由于網(wǎng)絡(luò)切片不能限制終端在其未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)切片區(qū)域中嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，因此可以選擇閉合接入組(Cell Access Group，CAG)用于接入控制。CAG 用于PNI-NPN 網(wǎng)絡(luò)，以防止UE 通過自動(dòng)選擇接入關(guān)聯(lián)的小區(qū)，進(jìn)而接入NPN。

由于PNI-NPN 必須基于運(yùn)營商PLMN 的網(wǎng)絡(luò)來部署，且運(yùn)營商的5G 公網(wǎng)部署策略和進(jìn)度與企業(yè)專網(wǎng)需求之間存在較大差異。在當(dāng)前階段，很多企業(yè)客戶已使用PDT (Professional Digital Trunking)、B -TrunC (Broadband Trunking Communication)、Wi-Fi 等傳統(tǒng)無線專網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建企業(yè)專網(wǎng)，且由于業(yè)務(wù)特殊性和安全等方面的原因，大多采用獨(dú)立部署的模式[8-15]。因此，曾經(jīng)有過專網(wǎng)部署和運(yùn)營運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)客戶更加關(guān)注SNPN 技術(shù)，并且更加關(guān)注5G 專網(wǎng)相對傳統(tǒng)無線專網(wǎng)技術(shù)所不具備的公專融合優(yōu)勢。以下將重點(diǎn)關(guān)注基于SNPN 技術(shù)的5G 專網(wǎng)與5G 公網(wǎng)融合場景下的挑戰(zhàn)和技術(shù)方案。

2 5G 公專融合部署模式及挑戰(zhàn)

從企業(yè)客戶需求角度來看，5G 專網(wǎng)相對傳統(tǒng)專網(wǎng)，希望能滿足5 大升級(jí)需求：(1)以更高性價(jià)比承載多類業(yè)務(wù)，尤其是對帶寬要求更高、時(shí)延要求更低的移動(dòng)性業(yè)務(wù)和普通通信業(yè)務(wù)的差異化承載；(2)可提供差異化的數(shù)據(jù)安全隔離與保護(hù)；(3)可動(dòng)態(tài)提供差異化獨(dú)享的網(wǎng)絡(luò)資源，且成本足夠低；(4)可以部分自主進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維；(5)借助5G 公網(wǎng)擴(kuò)大5G 專網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍，幫助企業(yè)突破地理區(qū)域經(jīng)營的瓶頸，為不同區(qū)域提供差異化業(yè)務(wù)能力。借助5G 公專融合的天然差異化特性，可以更高性價(jià)比地滿足這5 大升級(jí)需求，因此5G 公專融合場景將成為5G 專網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。相比組網(wǎng)架構(gòu)固定的4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 支持面向服務(wù)的SBA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠更加靈活地定制，有利于5G 賦能眾多行業(yè)差異化需求，且由于公網(wǎng)和專網(wǎng)采用相同的3GPP 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，能夠更加容易地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的漫游和切換。

以智能化社會(huì)縮影的園區(qū)為例，園區(qū)是工作與生活的載體，但園區(qū)內(nèi)企業(yè)的專網(wǎng)和運(yùn)營商公網(wǎng)各自獨(dú)立建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)，且傳統(tǒng)企業(yè)的數(shù)字化和網(wǎng)聯(lián)化建設(shè)往往會(huì)形成多個(gè)孤立的子系統(tǒng)建設(shè)，數(shù)據(jù)不互通、業(yè)務(wù)難融合，長期面臨著運(yùn)營效率低和管理成本高等痛點(diǎn)。引入5G 公專融合部署有助于把運(yùn)營商的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和企業(yè)定制業(yè)務(wù)深度融合，打造定制化園區(qū)專網(wǎng)，滿足園區(qū)內(nèi)企業(yè)多樣化通信需求?；?G 的園區(qū)公專融合方案一般呈現(xiàn)為如圖1 所示的兩種部署模式：一種是園區(qū)非核心區(qū)域部署公網(wǎng)，園區(qū)內(nèi)核心區(qū)域部署專網(wǎng)的連續(xù)模式；另一種是公網(wǎng)覆蓋整個(gè)園區(qū)，同時(shí)園區(qū)內(nèi)仍部署專網(wǎng)的重疊模式。這兩種模式對應(yīng)著運(yùn)營商5G 公網(wǎng)部署策略和企業(yè)5G 專網(wǎng)部署的協(xié)同機(jī)制。

圖1 基于5G 的園區(qū)公網(wǎng)與專網(wǎng)融合部署的兩種模式

5G 公網(wǎng)和5G 專網(wǎng)的之間的協(xié)同將是5G 公專融合部署的長期挑戰(zhàn)，隨著專網(wǎng)客戶對移動(dòng)性專網(wǎng)業(yè)務(wù)范圍的逐漸擴(kuò)大，終端(UE)由固定式向移動(dòng)式轉(zhuǎn)換，相應(yīng)對UE 的移動(dòng)性要求是速度更快且范圍更大。而往往限于企業(yè)投資規(guī)模和成本原因，企業(yè)使用SNPN 技術(shù)獨(dú)立部署的5G 專網(wǎng)所能覆蓋的范圍都比較小，這就導(dǎo)致UE的業(yè)務(wù)需要在5G 公網(wǎng)與5G 專網(wǎng)之間進(jìn)行切換，因此保證切換前后業(yè)務(wù)的連續(xù)性就尤為關(guān)鍵。另外，隨著UE向通用化和智能化發(fā)展，智能手機(jī)公私合用的場景越來越多，企業(yè)為員工定制的智能手機(jī)往往既需要通過5G公網(wǎng)保持私人業(yè)務(wù)連接，也需要通過5G 專網(wǎng)執(zhí)行企業(yè)的高機(jī)密高安全性的業(yè)務(wù)，同時(shí)還要保證兩個(gè)業(yè)務(wù)之間的高隔離度。因此，需要UE 能夠并發(fā)連接公網(wǎng)與專網(wǎng)也將成為公專融合網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵。

以下將重點(diǎn)討論5G 公專融合場景下當(dāng)前最緊迫的兩個(gè)挑戰(zhàn)：隨著移動(dòng)終端所處位置的變化，既需要支持同一業(yè)務(wù)在兩種網(wǎng)絡(luò)間切換時(shí)保證更高質(zhì)量的業(yè)務(wù)連續(xù)性，又需要支持5G 公網(wǎng)和5G 專網(wǎng)上的兩種業(yè)務(wù)并發(fā)。

3 業(yè)務(wù)連續(xù)

在連續(xù)模式和重疊模式下，在公網(wǎng)和專網(wǎng)交界的邊緣地帶UE 會(huì)出現(xiàn)頻繁移動(dòng)的場景。例如物流企業(yè)的貨車在運(yùn)輸過程中連接5G 公網(wǎng)，將行車監(jiān)測視頻通過5G公網(wǎng)發(fā)送到統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)，而進(jìn)入園區(qū)或倉庫內(nèi)則需要使用5G 專網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而降低流量費(fèi)用并提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全保密性。如果公專網(wǎng)的覆蓋區(qū)域是連續(xù)不重疊的，就會(huì)極易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接中斷一段時(shí)間才能傳輸監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)，或者引入更高的切換時(shí)延，影響了車輛調(diào)度控制指令的及時(shí)下發(fā)，導(dǎo)致貨車入園前后調(diào)度效率的降低。因此需要在UE 移動(dòng)到公網(wǎng)和專網(wǎng)覆蓋的邊緣區(qū)域時(shí)提供更優(yōu)的業(yè)務(wù)連續(xù)性方案，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的流暢。

目前5G 公網(wǎng)部署使用的業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案是基于移動(dòng)期間錨點(diǎn)保持不變的原則。但是當(dāng)UE 移動(dòng)至5G公網(wǎng)覆蓋區(qū)域之外時(shí)，維持這一原則會(huì)帶來額外的時(shí)延。例如，當(dāng)UE 從PLMN 移動(dòng)到SNPN，為了保持業(yè)務(wù)連續(xù)性，UE 需要斷開現(xiàn)有的PLMN 連接并注冊到SNPN 上，在SNPN 中建立PDU 會(huì)話，隨后UE 需要再重新注冊到原來的PLMN 連接中，通過SNPN 與PLMN 建立PDU 會(huì)話(經(jīng)過UE 和PLMN 非3GPP 互通功能(N3IWF)之間的IPSEC 隧道)保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性，這個(gè)重復(fù)注冊的過程會(huì)帶來額外的時(shí)延。

因此，3GPP 在R17 中提出允許錨點(diǎn)的變化的技術(shù)方案：當(dāng)UE 從PLMN 移動(dòng)到SNPN 時(shí)，為了保證其業(yè)務(wù)連續(xù)性，首先在UE 離開PLMN 覆蓋之前，UE 在PLMN 上注冊到SNPN(通過UE 和SNPN N3IWF 之間的IPSEC 隧道實(shí)現(xiàn)非3GPP 接入)，并在SNPN 中建立PDU 會(huì)話。此步驟不會(huì)導(dǎo)致額外的時(shí)延，因?yàn)橛脩羧匀槐３诌B接到PLMN 并接收業(yè)務(wù)。然后當(dāng)UE 移出PLMN 覆蓋范圍時(shí)，UE 注冊到SNPN 上(通過SNPN 3GPP 接入)，將之前建立的PDU 會(huì)話轉(zhuǎn)移到3GPP 訪問上。以上過程中，UE 首先基于應(yīng)用層中的業(yè)務(wù)連續(xù)性機(jī)制將業(yè)務(wù)從PLMN 中的PDU 會(huì)話移動(dòng)到SNPN 中的新PDU 會(huì)話，并在之后通過非3GPP 接入和3GPP 接入之間的切換過程恢復(fù)業(yè)務(wù)連接[1]。

假設(shè)UE 從PLMN 移動(dòng)到SNPN 的具體切換過程如圖2 所示，當(dāng)UE 從SNPN 移動(dòng)到PLMN 或其他SNPN 時(shí)，切換機(jī)制類似。

(1)步驟1 是PLMN 基于網(wǎng)絡(luò)中UE 位置、網(wǎng)絡(luò)部署、服務(wù)等級(jí)協(xié)議(Service-Level Agreement，SLA)、來自應(yīng)用功能(AF)的請求等可用信息發(fā)送激活信號(hào)指示UE 通過PLMN 激活非3GPP 訪問SNPN，激活信號(hào)中指示了連接到SNPN 的UE 行為信息(例如注冊、PDU 會(huì)話建立和相應(yīng)參數(shù)(參數(shù)包括目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符、訪問類型、SSC 模式、UE 行為的適用區(qū)域等))。

(2)步驟2 到步驟3 是UE 基于在步驟1 中接收到的激活信號(hào)和其他本地信息，在UE 移出PLMN 覆蓋到NPN之前，通過SNPN N3IWF 對SNPN 執(zhí)行注冊。并通過SNPN N3IWF 在SNPN 中建立PDU 會(huì)話。

(3)當(dāng)PLMN NG-RAN 覆蓋仍然可用，但信號(hào)強(qiáng)度減弱時(shí)，UE 可以通過應(yīng)用層機(jī)制將業(yè)務(wù)從PLMN 網(wǎng)絡(luò)中的PDU 會(huì)話(即圖2 中步驟0 中的PDU 會(huì)話)移動(dòng)到SNPN 網(wǎng)絡(luò)中的PDU 會(huì)話(即圖2 中步驟3 中的PDU 會(huì)話)，作為向SNPN 切換的準(zhǔn)備。

圖2 保持業(yè)務(wù)連續(xù)性的切換過程[1]

(4)當(dāng)UE 檢測到PLMN NG-RAN 的覆蓋丟失且進(jìn)入SNPN NG-RAN 的覆蓋時(shí)，它通過SNPN NG-RAN 注冊到SNPN。UE 使用SNPN 3GPP 訪問建立一個(gè)新的PDU 會(huì)話并把步驟3 中建立的現(xiàn)有PDU 會(huì)話切換到SNPN 3GPP訪問。從步驟3 到步驟5，通過3GPP 訪問和非3GPP 訪問之間的切換過程來確保UE 業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4 業(yè)務(wù)并發(fā)

在重疊模式的中心地帶，UE 有支持5G 公網(wǎng)與5G專網(wǎng)上兩種業(yè)務(wù)并發(fā)連接的需求。例如，企業(yè)為員工定制的智能手機(jī)，在企業(yè)園區(qū)內(nèi)對生產(chǎn)和生活方面的聯(lián)網(wǎng)需求是同時(shí)存在的，既需要在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)能夠安全地通過5G 專網(wǎng)接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，也希望通過5G 公網(wǎng)保持生活類業(yè)務(wù)的暢通。但由于生產(chǎn)和生活業(yè)務(wù)使用都可能會(huì)非常頻繁，如果采用根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求在5G 公網(wǎng)和5G 專網(wǎng)之間切換的技術(shù)方案，勢必會(huì)給業(yè)務(wù)帶來更大的時(shí)延，因此需要重點(diǎn)考慮UE 能夠并發(fā)連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)來同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)的技術(shù)。由于一般重疊模式下PLMN的范圍較SNPN 更大，且SNPN 資源更加有限和寶貴，需要并發(fā)連接的專網(wǎng)業(yè)務(wù)很可能非企業(yè)核心業(yè)務(wù)，因此本文僅探討基于UE 初始注冊在PLMN 的NG-RAN 上，且5G 公網(wǎng)業(yè)務(wù)不占用5G 專網(wǎng)資源的情況。

3GPP 的R16 和R17 中根據(jù)當(dāng)前UE 收發(fā)天線常見的配置1Tx/1Rx、2Tx/2Rx、2Tx/1Rx 分別提出了技術(shù)方案[1]。在可以預(yù)見的未來可能會(huì)出現(xiàn)更多的天線配置，此技術(shù)方案將隨之持續(xù)演進(jìn)。

(1)UE 的天線配置只有1Tx/1Rx，可以用R16 中給出的“未信任的非3GPP 訪問”的解決方案，如圖3 所示，UE 在駐留在PLMN 上時(shí)，同時(shí)通過N3IWF 使用IPSec 隧道發(fā)送或接收來自SNPN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。

圖3 1Tx/1Rx UE 同時(shí)連接到SNPN 和PLMN 的結(jié)構(gòu)

(2)UE 的天線配置是2Tx/2Rx，UE 可以用其2Tx 和2Rx 信道同時(shí)對兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)制與1Tx/1Rx 類似。UE 需要具備將業(yè)務(wù)路由到不同的路徑的能力，如圖4 所示。

圖4 2Tx/2Rx UE 同時(shí)連接到SNPN 和PLMN 的結(jié)構(gòu)

(3)UE 的天線配置是2Tx/1Rx，R17 中提出UE 的1Tx 可為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)(SNPN 和PLMN)共享UL 流量，并將2Rx 拆分接收每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的DL 用戶平面流量，如圖5 所示。

圖5 2Rx/1Tx UE 同時(shí)連接到SNPN 和PLMN 的結(jié)構(gòu)

在UE 的Tx 連接到PLMN 的情況下，UE 通過PLMN將SNPN 的UL 流量發(fā)送到SNPN 的N3IWF，而UE 使用1Rx 直接從SNPN NG-RAN 接收SNPN DL 用戶面流量。同時(shí)還允許UE 在需要時(shí)通過SNPN 的N3IWF 從PLMN的NG-RAN 接收SNPN DL 用戶面流量。另外，UE 可以使用另一個(gè)Rx 以及共享Tx 來接收和發(fā)送PLMN 的用戶流量。UE 需要具備基于終端的能力和PLMN/SNPN 運(yùn)營商的策略來實(shí)現(xiàn)流量分割的能力。

5 結(jié)論

5G 專網(wǎng)的部署需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和終端能力、產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、客戶慣性等因素綜合選擇技術(shù)方案，當(dāng)前應(yīng)聚焦在當(dāng)前企業(yè)客戶更加關(guān)注的SNPN 技術(shù)演進(jìn)上，尤其需要關(guān)注5G 公專融合部署的兩種模式下的技術(shù)方案。除了本文介紹的的業(yè)務(wù)連續(xù)性和并發(fā)連接技術(shù)方案之外，還需加強(qiáng)研究漫游注冊、鑒權(quán)認(rèn)證、Qos 協(xié)同、資源協(xié)調(diào)等一系列技術(shù)方案。從5G 專網(wǎng)的發(fā)展中深刻地意識(shí)到場景刺激技術(shù)、技術(shù)支撐場景，公專融合的場景優(yōu)勢將會(huì)成為5G 專網(wǎng)的差異化核心競爭力，因此需要加快推進(jìn)其在3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)和完善，并盡快推動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商的能力實(shí)現(xiàn)。