姜元山，王建偉，劉 霞，王運付

（1.中國聯(lián)通中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048；2.中國聯(lián)通山東聯(lián)通公司，山東 濟南 250031）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是各種先進技術(shù)的融合。在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的情況下由物聯(lián)網(wǎng)和移動通信形成的移動物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)。在網(wǎng)絡(luò)安全和快速組網(wǎng)場景中，利用5G和WiFi6自身的優(yōu)勢進行融合組網(wǎng)，能夠有效優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)并為移動物聯(lián)網(wǎng)提供支持[1-4]。因此，針對5G和WiFi融合組網(wǎng)技術(shù)進行研究具有重要的意義，也是未來企業(yè)以及行業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。

1 物聯(lián)網(wǎng)和5G終端的概念介紹

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和基本架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是將不同類型的終端設(shè)備通過不同的通信網(wǎng)絡(luò)進行連接。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)已滲透到社會中的各行各業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上由終端、移動網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展形成移動互聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的方向。移動物聯(lián)網(wǎng)的主要特點是網(wǎng)絡(luò)的無處不在、無縫覆蓋，通過5G、WiFi6等新的無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)萬物互聯(lián)[5-6]。

基于5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及特點，在IoT通用參考架構(gòu)模型基礎(chǔ)上定義了5G移動物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，如圖1所示，由設(shè)備層、連接層、管理應(yīng)用層構(gòu)成。

圖1 5G移動物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型

（1）設(shè)備層主要包含物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用終端，如：移動類終端、工業(yè)類DTU、工業(yè)類CPE、傳感器、PLC等設(shè)備。終端設(shè)備的主要功能是進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)通過WiFi、5G接收和發(fā)送。

（2）連接層主要依托5G網(wǎng)絡(luò)，形成移動網(wǎng)絡(luò)管道，實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備層安全接入控制功能以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）管理應(yīng)用層通過連接層接收和發(fā)送設(shè)備層所采集的數(shù)據(jù)信息，最終到達管理應(yīng)用層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、共享、處理、分析決策以及與外部系統(tǒng)的擴展對接。

1.2 5G WiFi6工業(yè)網(wǎng)關(guān)

5G WiFi6網(wǎng)關(guān)是將5G轉(zhuǎn)換為WiFi的一種5G終端設(shè)備。如圖2所示，5G網(wǎng)關(guān)收到5G數(shù)據(jù)后通過NAT轉(zhuǎn)為本地的WiFi數(shù)據(jù)。終端側(cè)的電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、手機可以通過WiFi接入訪問5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。5G網(wǎng)關(guān)應(yīng)用通常包括兩種形態(tài)：面向toC場景的5G CPE或5G手機和面向toB場景的5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)或5G DTU。5G網(wǎng)關(guān)集成的WiFi6功能，增加了MIMO天線數(shù)量，頻譜拓展到160 MHz，引入MUMIMO、OFDM、OFDMA等新技術(shù)，能夠大幅提升網(wǎng)絡(luò)能力，同時能夠面向移動物聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)[7-9]。

圖2 5G WiFi6 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)框圖

1.3 5G物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的需求分析

在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》中，確立了我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標。5G作為新一代信息通信技術(shù)被寄予厚望，客戶可以通過融合應(yīng)用5G和WiFi新型技術(shù)，實現(xiàn)公司精益化、智能化管理，降低生產(chǎn)運營成本，提高生產(chǎn)效益。5G+WiFi6融合組網(wǎng)在智慧廠區(qū)數(shù)字化改造、設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)化中需求迫切。

目前，傳統(tǒng)企業(yè)普遍面臨著有線網(wǎng)絡(luò)部署難度高、廠區(qū)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多、WiFi用戶接入安全性低等問題。隨著企業(yè)的數(shù)字化改造不斷取得進展，更多的終端設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，這種情況下就對組網(wǎng)速度、網(wǎng)絡(luò)安全性和穩(wěn)定性提出了更高要求。而5G+WiFi6的融合組網(wǎng)方案為解決企業(yè)的痛點提供了參考。

2 5G+WiFi6融合組網(wǎng)方案研究

2.1 5G WiFi6網(wǎng)絡(luò)中的接入認證技術(shù)

傳統(tǒng)的5G網(wǎng)關(guān)中的認證機制基于單臺設(shè)備，由于在企業(yè)場景中使用人數(shù)多，存在WiFi密碼被泄露的風(fēng)險，并且更改每臺設(shè)備的密碼存在維護成本高的問題[10]。本文提出了基于5G網(wǎng)絡(luò)的802.1X和Portal的融合接入認證技術(shù)，WiFi加密認證流程依托5G網(wǎng)絡(luò)進行，如圖3所示，WiFi認證過程分接入認證和上網(wǎng)認證兩步完成。

圖3 WiFi 認證接入上網(wǎng)交互流程

第一步，進行IEEE802.1X WiFi接入流程認證。當(dāng)用戶需要通過WiFi連接5G網(wǎng)關(guān)時，輸入預(yù)先分配的用戶名和密碼進行WiFi連接。5G網(wǎng)關(guān)接收用戶設(shè)備的請求后，會給用戶設(shè)備發(fā)送請求用戶信息的數(shù)據(jù)包，用戶設(shè)備收到數(shù)據(jù)后將用戶信息發(fā)給5G網(wǎng)關(guān)；5G網(wǎng)關(guān)將該信息發(fā)送給Radius Server并查詢管理數(shù)據(jù)庫中的用戶信息，如果查詢到該用戶信息對應(yīng)的密碼就產(chǎn)生秘鑰，并將秘鑰發(fā)給用戶設(shè)備；用戶設(shè)備收到秘鑰后，使用秘鑰對密碼加密，通過5G網(wǎng)關(guān)將加密數(shù)據(jù)發(fā)給Radius Server；Radius Server收到加密數(shù)據(jù)后與本地密碼數(shù)據(jù)進行比對，如果結(jié)果一致則該用戶合法，Server給用戶設(shè)備發(fā)送認證通過的消息并由DHCP服務(wù)器分配IP。至此，WiFi客戶端連接上5G網(wǎng)關(guān)。

第二步，進行WiFi上網(wǎng)接入認證。用戶設(shè)備接入到5G網(wǎng)關(guān)后需要進行Portal認證后才能訪問外部網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)啟動后5G網(wǎng)關(guān)會重新初始化防火墻規(guī)則，禁止用戶訪問外部網(wǎng)絡(luò)；用戶設(shè)備HTTP請求的IP和端口會重定向至5G網(wǎng)關(guān)內(nèi)HTTP服務(wù)器的IP和端口上；用戶設(shè)備的瀏覽器接收到5G網(wǎng)關(guān)返回的重定向請求后，會重定向顯示Portal Server的訪問頁面，并且在URL鏈接中會攜帶5G網(wǎng)關(guān)參數(shù)以及接入設(shè)備的MAC地址和用戶設(shè)備訪問的源URL；Portal Server收到訪問請求后進行數(shù)據(jù)處理，返回重定向到5G網(wǎng)關(guān)，用戶設(shè)備的瀏覽器被重定向至5G網(wǎng)關(guān)上的HTTP服務(wù)上，進行合法性校驗；Portal Server會根據(jù)返回的校驗結(jié)果對用戶設(shè)備進行放行。至此用戶設(shè)備可以訪問外部網(wǎng)絡(luò)。

采用IEEE802.1X+Portal認證方案，在5G邊緣服務(wù)器側(cè)實現(xiàn)了密碼和接入認證流程的統(tǒng)一管理，增強了用戶的安全性。WiFi統(tǒng)一認證服務(wù)器下沉到邊緣機房，5G本身具有低時延特點，端到端延時少，經(jīng)過測試證明客戶端與認證服務(wù)器的時延滿足認證要求。

2.2 5G WiFi6 Mesh無縫切換技術(shù)

在5G WiFi Mesh融合組網(wǎng)中，每個5G WiFi網(wǎng)關(guān)都可以作為一個用戶設(shè)備接入節(jié)點，也可以作為一個與外部通信的節(jié)點，通過5G發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。每個5G WiFi網(wǎng)關(guān)都可以通過Mesh鏈路與其他5G WiFi網(wǎng)關(guān)直接進行通信。在Mesh網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)和形成機制中，當(dāng)一個5G網(wǎng)關(guān)開啟時，首先會設(shè)置其中網(wǎng)關(guān)為Mesh模式，再探測周邊5G WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)，然后在網(wǎng)關(guān)上選擇有相同Mesh ID的設(shè)備進行組網(wǎng)。

5G+WiFi Mesh組網(wǎng)中，有多個網(wǎng)絡(luò)出口與外界連接，網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計為難點方向。本文采用了OLSR協(xié)議，OLSR不斷地收集5G網(wǎng)關(guān)之間能相互通信的數(shù)據(jù)，5G網(wǎng)關(guān)通過拓撲信息的定期交換來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲的探測以及路由計算，并對每個5G網(wǎng)關(guān)保持一個最優(yōu)的路由表。被選為MPR的5G網(wǎng)關(guān)在5G WiFi6融合網(wǎng)絡(luò)中廣播鏈路信息，計算出最短的設(shè)備訪問路徑。當(dāng)一個網(wǎng)關(guān)的5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，會選擇其他的5G網(wǎng)關(guān)作為MPR重新計算最短路徑。這種情況下如果設(shè)備當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，就會通過其他的5G WiFi網(wǎng)關(guān)進行5G網(wǎng)絡(luò)訪問。

如圖4所示，本文5G +WiFi6 Mesh無線自組網(wǎng)方案覆蓋區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備均連接5G網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)WiFi覆蓋區(qū)域上網(wǎng)，同時在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以進行無縫漫游，提高了5G WiFi6融合組網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性，讓5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)WiFi6區(qū)域內(nèi)帶寬有更高的利用率以及業(yè)務(wù)均衡性，避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞或網(wǎng)絡(luò)故障而導(dǎo)致客戶業(yè)務(wù)中斷或者設(shè)備訪問的高時延，達到了用戶的廣覆蓋、終端網(wǎng)內(nèi)互通、無縫漫游需求。通過5G WiFi的融合組網(wǎng)，最大限度發(fā)揮5G大帶寬、低延時、高可靠的優(yōu)勢。如果其中一個5G WiFi網(wǎng)關(guān)因為故障掉線，導(dǎo)致該節(jié)點無法正常訪問網(wǎng)絡(luò)，此時該節(jié)點會自動計算路由并對經(jīng)過它的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包通過其他的5G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。相比于傳統(tǒng)WiFi頻段分離的模式，WiFi6 Mesh組網(wǎng)可實現(xiàn)2.4 GHz和5.8 GHz雙頻合一，也實現(xiàn)了對傳統(tǒng)AC+AP網(wǎng)絡(luò)方案的替代和產(chǎn)品的低成本改造。

圖4 5G WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)

3 5G+WiFi6應(yīng)用場景研究

采用5G+WiFi6融合組網(wǎng)搭建5G專網(wǎng)智慧園區(qū)。智慧園區(qū)應(yīng)用場景主要分為辦公、生產(chǎn)運營兩類。針對辦公場景，面向內(nèi)部職工和管理人員，采用5G VPDN方式承載，對手機或者WiFi用戶通過簽約配置專用DNN，實現(xiàn)對客戶辦公系統(tǒng)的安全訪問。針對生產(chǎn)運營場景，主要面向產(chǎn)線、園區(qū)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)單元，采用5G專網(wǎng)加切片方式承載，通過配置專用DNN實現(xiàn)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，并根據(jù)應(yīng)用類型提供面向大帶寬、低時延、大連接、高安全的差異化服務(wù)。采用UPF現(xiàn)場部署方式構(gòu)建混合專網(wǎng)，同時部署MEP邊緣云為客戶創(chuàng)新應(yīng)用提供IAAS和SAAS層能力。網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖5所示。

圖5 5G+WiFi6應(yīng)用場景

UPF現(xiàn)場部署過程中，5G手機或5G WiFi6網(wǎng)關(guān)通過無線到達基站，其中WiFi設(shè)備在5G WiFi6網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實現(xiàn)無縫漫游，5G基站數(shù)據(jù)通過智能城域網(wǎng)和N3接口上送上行IP報文到UPF，UPF直接通過N6接口和5G VPDN專線路由到客戶網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與辦公系統(tǒng)的互通。5G WiFi6融合組網(wǎng)所需的接入認證數(shù)據(jù)通過5G專網(wǎng)到達客戶園區(qū)部署的Radius Server或者Portal Server，由于使用VPDN專線，最大限度保證了高帶寬、低時延、高安全的特性，能夠可靠地完成WiFi認證功能。

通過5G+WiFi6組網(wǎng)搭建5G專網(wǎng)智慧園區(qū)，賦能客戶實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型。針對客戶日常辦公、生產(chǎn)運維、園區(qū)運營提供面向連接、計算、應(yīng)用、安全的綜合服務(wù)能力，降低碳排放水平，提高生產(chǎn)效率，對企業(yè)打造5G+智慧園區(qū)、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)起到示范和標桿的作用。

4 結(jié) 語

在移動物聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)生產(chǎn)方式從過去的機械式生產(chǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的智能化生產(chǎn)為主，如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)組網(wǎng)模式，勢必會存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量不佳、網(wǎng)絡(luò)頻繁擁塞的問題，無法保證企業(yè)多場景、多業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求?；?G+WiFi6 融合組網(wǎng)的解決方案，能充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)大連接、高帶寬、低時延特性與WiFi網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)勢，為企業(yè)帶來安全便捷的網(wǎng)絡(luò)體驗，從而支撐企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型成功，實現(xiàn)人、物、網(wǎng)絡(luò)間的全面互聯(lián)互通，提升企業(yè)的管理運營水平。