極簡5G專網(wǎng)技術(shù)方案分析和研究

周進(jìn)青，方紹湖，區(qū) 洋，羅漫江

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

1 當(dāng)前5G專網(wǎng)方案

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片

利用公網(wǎng)覆蓋特性，5G通過網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬專網(wǎng)為行業(yè)用戶提供一般性的普遍接入和服務(wù)，滿足室外、跨地區(qū)行業(yè)在各種場景下的切片應(yīng)用需求，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片專網(wǎng)方案

企業(yè)園區(qū)專網(wǎng)服務(wù)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)共享現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同行業(yè)及用戶的差異化需求，5G基站（gNB）、傳輸網(wǎng)、5G核心網(wǎng)（5GC）需支持端到端的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，企業(yè)園區(qū)數(shù)據(jù)從運營商5GC再回流到企業(yè)園區(qū)。如果行業(yè)用戶需要數(shù)據(jù)流量，通過與運營商協(xié)商進(jìn)行專項定制服務(wù)[1,2]。

1.2 UPF/MEC下沉

為保障數(shù)據(jù)不出園區(qū)的本質(zhì)訴求，5GC用戶面UPF/MEC（集成UPF）下沉至用戶現(xiàn)場，園區(qū)專網(wǎng)與公網(wǎng)之間核心網(wǎng)控制面共享。企業(yè)園區(qū)5G物聯(lián)終端鑒權(quán)后接入到運營商核心網(wǎng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過本地UPF/MEC卸載，為企業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)流量。UPF/MEC下沉專網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 UPF/MEC下沉專網(wǎng)方案

2 5G極簡專網(wǎng)技術(shù)和方案

當(dāng)前，專網(wǎng)建設(shè)存在流量成本高、數(shù)據(jù)安全性不高以及行業(yè)客戶難以自主掌控等問題。在5G垂直行業(yè)應(yīng)用場景中，局域場景占據(jù)了相當(dāng)大的比例，尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，人們對輕量化、極簡化、安全、低時延以及可自我管控的本地專網(wǎng)解決方案具有極大的需求。

2.1 基站本地分流

UPF部署成本較高，對于一些中小場景客戶比較敏感。在基站側(cè)直接卸載本地數(shù)據(jù)，可以快速為垂直行業(yè)提供5G管道流量，從而為行業(yè)應(yīng)用提供大帶寬、低時延的數(shù)據(jù)服務(wù)。基站本地分流方案如圖3所示。

圖3 基站本地分流方案

在gNB基帶單元BBU內(nèi)置本地分流LBO功能，根據(jù)配置的分流規(guī)則，將本地企業(yè)園區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流到本地應(yīng)用服務(wù)器，其他公網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳至運營商核心網(wǎng)。基站本地分流技術(shù)原理如圖4所示。

圖4 基站本地分流技術(shù)原理

基于gNB的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧，在PDCP/SDAP與N3接口協(xié)議棧之間擴展一個本地分流模塊（LBO）實現(xiàn)對本地數(shù)據(jù)流的分流處理。上行的本地數(shù)據(jù)流通過LBO模塊，根據(jù)配置的分流規(guī)則匹配識別后，數(shù)據(jù)包不再進(jìn)行GTP-U封裝，而是直接封裝ETH（以太網(wǎng)）層后發(fā)送到本地網(wǎng)絡(luò)。本地網(wǎng)絡(luò)的下行數(shù)據(jù)流通過LBO模塊，匹配映射到PDCP承載/SDAP QoS flow中，發(fā)往空口協(xié)議棧[3-6]。

2.2 輕量級獨享專網(wǎng)

輕量級獨享專網(wǎng)系統(tǒng)由5G小基站、輕量級5G核心網(wǎng)、輕量級5G MEC以及5G網(wǎng)管等組成，其部署在企業(yè)或園區(qū)內(nèi)，為垂直行業(yè)提供一個獨享的端到端解決方案，如圖5所示。該方案與公網(wǎng)外部完全隔離，數(shù)據(jù)不出園區(qū)。同時系統(tǒng)可以自主可控，只承載本園區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)可靠性和低時延特性。

圖5 獨享5G專網(wǎng)方案

5G小基站具備部署靈活、功耗低等特點，非常適合專網(wǎng)應(yīng)用場景。其中，三級架構(gòu)小基站用于企業(yè)園區(qū)室內(nèi)場景的5G信號覆蓋，包括5G基帶單元、擴展單元以及遠(yuǎn)端單元。兩級架構(gòu)基站用于企業(yè)園區(qū)室外場景的5G信號覆蓋，包括5G基帶單元、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）。

5G核心網(wǎng)包括AMF、SMF、UPF、UDM以及AUSF等網(wǎng)元，輕量級5GC基于服務(wù)化+容器化+無狀態(tài)的云原生設(shè)計架構(gòu)，在單臺服務(wù)器上實現(xiàn)整個核心網(wǎng)的各網(wǎng)元基礎(chǔ)功能，大大簡化了核心網(wǎng)的系統(tǒng)硬件架構(gòu)，具備高集成特性和可擴展性。輕量級MEC部署在園區(qū)的算力平臺，支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地卸載、第三方應(yīng)用等功能[7-10]。

2.3 極簡一體機專網(wǎng)

在上述輕量級獨享專網(wǎng)中，輕量級5GC、輕量級MEC、5G BBU以及5G網(wǎng)管采用通用服務(wù)器硬件，軟硬解耦。為進(jìn)一步簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理單元、降低系統(tǒng)功耗，將上述各網(wǎng)元通過容器化方式高度集成到服務(wù)器的單顆CPU芯片上，提供極簡5G網(wǎng)絡(luò)平臺解決方案，如圖6所示。通過一體化集中部署，減小設(shè)備占地面積，促使網(wǎng)絡(luò)管理更加便捷。

圖6 極簡一體機5G專網(wǎng)解決方案

一體機采用多層架構(gòu)設(shè)計，如圖7所示。其中，L1層承載一體機的硬件資源、CPRI協(xié)議、加速處理等功能；OS層為操作系統(tǒng)，可采用CentOS開源系統(tǒng)，安裝RT實時內(nèi)核滿足通信系統(tǒng)實時性要求；MEP層主要實現(xiàn)邊緣計算平臺的功能，統(tǒng)一進(jìn)行資源編排和容器虛擬化管理；App層為應(yīng)用層，以5GC、BBU、NMS(網(wǎng)管)等其他App作為應(yīng)用實例，以容器鏡像形式進(jìn)行加載部署。

圖7 5G多網(wǎng)元一體機架構(gòu)

由于5G多網(wǎng)元一體機要實現(xiàn)多個邏輯網(wǎng)元共享CPU、內(nèi)存以及接口等，并且每種網(wǎng)元對資源的要求都不同，因此在一體化共享部署中需要重點考慮資源的沖突問題。針對MEP、BBU、5GC、NMS軟件及其他App應(yīng)用，需要定義和計算這些軟件不同性能等級的算力需求，再由MEP分配各軟件系統(tǒng)和硬件資源，以達(dá)到系統(tǒng)性能的平衡。通過增加N2、N3接口適配器來代替原有N2、N3接口協(xié)議棧，進(jìn)一步減少對資源的消耗，降低控制面和用戶面數(shù)據(jù)的傳輸時延。

3 5G專網(wǎng)方案對比

各專網(wǎng)方案優(yōu)劣勢對比如表1所示。

表1 各專網(wǎng)方案優(yōu)劣勢對比表

各種專網(wǎng)方案都有較大的差異性，行業(yè)客戶要從數(shù)據(jù)安全性、成本、可管控性等方面綜合考慮，選擇滿足自身要求的專網(wǎng)方案。通常對于數(shù)據(jù)安全性和時延要求一般并且是廣域覆蓋的行業(yè)，建議選用網(wǎng)絡(luò)切片專網(wǎng)方案；對于數(shù)據(jù)安全性較高、低時延業(yè)務(wù)、成本不敏感以及場景較大的行業(yè)，建議選用UPF下沉專網(wǎng)方案；對于數(shù)據(jù)安全性較高、低時延業(yè)務(wù)、成本敏感以及場景較小的行業(yè)，建議選用基站分流方案；對于數(shù)據(jù)絕對安全、低時延業(yè)務(wù)、成本不敏感、場景較大以及網(wǎng)絡(luò)自主管控的行業(yè)，建議選用輕量級獨享專網(wǎng)方案；對于數(shù)據(jù)絕對安全、低時延業(yè)務(wù)、成本敏感、中小場景以及網(wǎng)絡(luò)自主管控的行業(yè)，建議選用極簡一體化專網(wǎng)方案。

4 結(jié) 論

本文介紹了當(dāng)前幾種主流5G專網(wǎng)方案，并且分析了行業(yè)集成度最高的極簡一體化專網(wǎng)方案和技術(shù)原理。根據(jù)各種方案的對比，總結(jié)出垂直行業(yè)選擇適合自身需求的專網(wǎng)解決方案建議，希望能為相關(guān)研究人員提供參考。