F5G和5G技術融合的分析與展望

徐嘉俊，唐 禹，葉 梁

（1.京信網絡系統股份有限公司 吉林分公司，吉林 長春 130000；2.中國移動通信集團吉林有限公司，吉林 長春 130000）

1 F5G和5G技術發展現狀

1.1 F5G介紹

第5代固定網絡（The 5th Generation Fixed Network，F5G）以10G無源光網絡（Passive Optical Network，PON）、Wi-Fi 6、光服務組（Optical Service Unit，OSU）、光傳送網（Optical Transport Network，OTN）等技術為代表。F5G時代，物理光纖網走向全光業務網，包含了全光接入網和全光傳送網2大部分。全光接入網為個人、家庭、企業等各種場景的用戶提供極致的聯接體驗；全光傳送網構建基礎底座并擴展到業務領域，以高品質的下一代光傳送網聯接打造行業數字化升級的堅實基座[1]。全光連接的F5G網絡正在掀起新一輪的基礎設施建設與應用場景發展機遇，激發萬億級市場空間。“光聯萬物”的未來意味著巨大的發展潛力和廣袤的市場空間，無所不在的F5G網絡將成為人工智能、自動駕駛、云計算、區塊鏈等新興技術與應用的堅實支撐，賦能千行百業，推動數字經濟轉型升級，帶動產業共榮。此外，F5G所具備的高帶寬、低延時、傳輸穩定和抗干擾等特性為諸多行業的智能化、數字化提供了可能，促成了各類新興應用場景的落地與蓬勃發展。

1.2 5G介紹

5G是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術，5G通信設施是實現人機物互聯的網絡基礎設施。國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G的 3大類應用場景，即增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時延通信（ultra Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）和海量機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）。eMBB主要面向移動互聯網流量爆炸式增長，為移動互聯網用戶提供更加極致的應用體驗；uRLLC主要面向工業控制、遠程醫療以及自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業應用需求；mMTC主要面向智慧城市、智能家居、環境監測等以傳感和數據采集為目標的應用需求。為滿足5G多樣化的應用場景需求，5G的關鍵性能指標更加多元化。ITU定義了5G的8大關鍵性能指標，其中高速率、低時延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗速率達1 Gb/s，時延低至1 ms，用戶連接能力達100萬連接/km2。

5G也是國家新基建中的重要內容之一，通過基礎無線通信網的建設，打造5G+工業互聯網、5G+農業、5G+交通、5G+醫療、5G+教育等新業態，實現智能化、數字化的升級。5G網絡包括核心網、傳送網以及接入網，核心網的主要功能就是交換、外部互聯、鑒權、計費和網絡切片，應用網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）等關鍵技術；傳送網的主要作用是為數據在核心網和無線接入網之間的交互提供通道與路由；接入網部分就是各種基站單元、天饋系統和基帶控制單元，它們依托無線通信技術來實現，5G信號的發送和接收都在接入網實現。

1.3 5G基站回傳探索

目前，5G基站都是通過切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）傳輸網回傳，類似于4G時代的分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）。傳統5G建站成本高，很多站點傳輸資源受限，設備電費高，運維成本高，這是各大運營商普遍面臨的難題。F5G是通過10G PON網絡實現的新一代有線寬帶數字網絡。SPN和10G PON是2張業務網，1張面向運營商內部私密信息的數據傳送，另1張面向廣大的家寬互聯網用戶。相比而言，10G PON網絡資源更加豐富，因為它從光纖到樓（Fiber to The Building，FTTB）到光纖到戶（Fiber to The Home，FTTH）再到光纖到萬物（Fiber to The X，FTTX），可以說已經延伸到了每1個網絡終端實體；此外，10G PON的傳輸成本也比SPN更為經濟。10G PON網絡通過SPN與5G核心網聯通在技術上是完全可行的，只是出于業務的獨立性和安全性的考量沒有實現融合。如果5G的小基站能夠借助10G PON網絡解決回傳的問題，則能夠為5G網絡的部署提供更為便利的條件和更加經濟的建設方式。

2 F5G與5G技術融合和安全性分析

2.1 皮基站介紹

皮基站是1種小型化、低功率蜂窩系統，可通過固網寬帶接入到移動通信核心網，為用戶提供包括傳統蜂窩移動通信基礎業務在內的固定移動融合業務，是增強室內覆蓋的方案之一[2]。

2.2 安全性分析

早在2009年，國內就有廠家陸續推出了基于PON網絡回傳的小基站產品（Femto），主要解決家庭、餐廳、地下室等小微場景的投訴問題，制式從2G到4G都有相應的產品。因為是通過寬帶開通的，并且需要上端的網關系統與核心網，所以對整個系統的安全性、可靠性以及規范性都有嚴格要求。下面有必要分析這種基于寬帶回傳的皮基站的安全性，具體如下文所述。

2.2.1 皮基站系統組網安全

根據中國移動集團對于小基站系統網絡結構的定義，可以將皮基站系統劃分為3個安全區域，具體見圖1。

圖1 皮基站系統安全區域劃分

皮基站接入網為非安全區域A，皮基站網關系統為安全區域B，無線核心網和運營支撐網為高安全區域C[3]。（1）非安全區域A和安全區域B之間使用防火墻做隔離，防火墻參照移動城域網防火墻標準保護皮基站系統核心網不受外部網絡的攻擊，隔離與中國移動互聯網（China Mobile Network，CMNET）連接的基站到核心網之間的接口（Iuh’接口）的非法訪問。（2）安全區域B和安全區域C可以不使用防火墻設備隔離，因為網關接收到的數據已在Iuh’側進行了過濾和隔離，阻止除業務以外的所有訪問，且與核心網連接的網絡是PTN和IP承載網，是移動內部網絡，屬于信任網絡，所以該部分無需用防火墻隔離。（3）北向接口安全，采用防火墻隔離，保護運營支撐系統安全，防止基站網管被入侵后對移動網造成威脅。

2.2.2 皮基站系統業務安全

（1）皮基站基站身份認證。在皮基站系統中，采用IKEv2來實現鑒權時的安全性。IKEv2用于交換和管理在VPN中使用的加密密鑰，解決了在不安全網絡環境中安全建立或者更新共享密鑰的問題。通過皮基站和安全網關的IKEv2過程實現皮基站與網關的雙向鑒權。皮基站系統采用業界高安全的互聯認證和密鑰分配協議（Extensible Authentication Protocol-Authentication and Key Agreement，EAP-AKA）認證，基于全球用戶識別卡（Universal Subscriber Identity Module，USIM）的EAP-AKA認證遵循IUT.Q3202.1規范，從而防止非授權基站接入。

（2）業務加密傳輸。皮基站與皮基站網關通過雙向鑒權認證后，與安全網關建立互聯網安全協議（Internet Protocol Security，IPSec）安全隧道，之后皮基站與業務網關的所有信令和業務都使用IPSec隧道加密傳輸，從而有效防止用戶被竊聽。

IPSec加密通道會對相應的明文包，包括信令面與用戶面的包進行加密，組成封裝安全協議（Encapsulating Security Protocol，ESP）包。這個包不會攜帶密鑰，只有密鑰的ID值和密文，對端收后會根據這個ID值查詢本地的密鑰庫，找出對應的密鑰，對密文進行解密，得到正確的明文[4]。

（3）皮基站準入策略。網絡安全系統（Authentication、Authorization、Accounting，AAA）對皮基站基站的認證包括基站與安全網關之間建立IPsec隧道時的EAP-AKA鑒權認證、皮基站注冊到網關的位置接入限制認證等。這些流程都是標準的，其中位置管理實現方案大致如下。首先，皮基站開戶時在AAA中錄入其開戶信息，包括設備S序列號硬件地址鑒權、開戶所在地信息等；其次，皮基站注冊時通過注冊請求消息上報位置信息給AAA進行鑒權，按照3GPP標準協議中的注冊流程消息攜帶皮基站基站位置信息；最后，AAA根據皮基站開戶時的錄入信息與基站注冊時上報的信息進行識別認證，從而判斷該皮基站是否在合法的位置接入，如果不合法則拒絕該皮基站的注冊。

目前已經成熟應用的位置接入限制策略如下。一是基于宏網跟蹤區域碼（Tracking Area Code，TAC）的位置接入限制，皮基站通過偵聽周邊宏網的小區TAC信息并通過注冊消息上報給AAA，利用TAC的唯一性，該策略可以實現非孤島場景下的位置接入限制功能；二是基于宏網小區識別碼（Cell Identity，CI）的位置接入限制，皮基站通過偵聽周邊宏網的小區CI信息并通過注冊消息上報給AAA，利用CI的唯一性，該策略可以實現非孤島場景下，并且需要精確到小區級別位置精度的位置接入限制功能；三是基于IP地址的位置接入限制，安全網關通過檢測皮基站的源IP地址，并通過Radius接口消息上報給AAA，可以實現孤島場景下的位置接入限制功能。通過以上策略將可以限制用戶攜帶設備到非開戶地使用，如限制用戶攜帶設備出市、出省非法使用產生的省內或國內漫游。

2.2.3 業務安全檢測

皮基站核心網通過標準的信令面接口、用戶面接口與無線核心網對接，業務網關對收到的信令按照3GPP標準進行合法性校驗，對于非法信令默認丟棄處理，從而保證皮基站業務安全。

皮基站系統具備足夠的安全性，能防止非法的皮基站基站接入網關，同時通過防火墻和網關對從非安全區域進入的數據進行重重嚴格的篩選與攔截，阻止除合法業務外任何的非法數據進入核心網。

下面是收集到的行業及各個運營商對Femto小基站安全性說明和認可的關鍵事項：2013年，國家發布TD-SCDMA小基站的行業標準，明確小基站可通過固定寬接入至移動核心網；2014年，中移動集團網絡部發布《關于做好GSM和TDS無線網絡優化工作的通知》，明確指導各省公司使用Femto產品解決2G和3G網絡質量下滑問題；2019年，中國聯通和中國電信均發布了4G皮基站建設的相關通知。

可以看出，各大運營商都在逐漸接收和認可這種基于寬帶接入的皮基站的應用，以此為抓手做為無線網絡覆蓋的1種有效手段，與傳統的宏站、微站和室分站形成互補，打造多元、化多場景的異構網絡。以此類推，F5G和5G融合的技術可行性與安全性完全沒有問題。

3 F5G與5G技術融合的應用

3.1 技術融合的關鍵點分析

基于2G～4G時代皮基站的成功應用，5G時代的皮基站也必將在無線網絡覆蓋的眾多解決方案中占據一席之地，只不過5G的優勢和特點決定不能使用傳統的吉比特無源光網絡（Gigabit Passive Optical Network，GPON），這是因為一方面GPON的帶寬最大只能到千兆，無法滿足5G大帶寬、萬兆速率的要求；另一方面GPON網絡的時延和可靠性也與5G不相匹配，無法滿足很多場景對低時延和高可靠性的要求。相比之下，較為普及的、技術成熟度也較高的F5G就可有效解決上述問題，為5G皮基站的商用提供了極佳的便利條件。

當然，除了F5G的普及之外，5G小基站的SOC芯片也會成為5G皮基站商用的一個重要因素，畢竟這類產品需要有低成本、高性價比的優勢來保駕護航，而低成本一方面是基于系統級芯片（Systerm On Chip，SOC）的研發進度和成本控制；另一方面也需要有先進的系統架構做支撐。X86架構目前來看是1種明智的選擇，通用接口和通用硬件可以大幅拉低產品的成本。

還有一點極為重要的因素就是5G語音新空口語言（Voice over New Radio，VONR）的大面積商用。目前，5G只能實現數據業務的承載，語音業務還要依托原有的4G網甚至是3G網來實現，主要原因就是5G的覆蓋還沒有達到很好的連續性，過早放開VoNR業務會影響部分用戶的感知。所以這就需要不斷織密5G網絡才能盡快實現5G的高清語音，而織密5G網的前提是要投入大量資金，建設足夠數量的5G基站。

3.2 5G皮基站的種類和適用場景

5G皮基站的開發類型按照設備功率、容量、安裝環境可多種多樣，有適合小微場景的一體化型微功率產品，可解決局部熱點區域的5G覆蓋，起到補盲或者吸熱的作用；有適合中大型室分場景的擴展型產品（具備多臺級聯共組網功能），解決常規室分站點的5G容量覆蓋問題；有適合街道和廣場覆蓋的中功率產品，實現室外中等面積的廣覆蓋；還可以有適合農村、公路、景區覆蓋的大功率產品，類似宏基站一樣實現幾千米范圍內的廣域覆蓋，尤其值得一提的是，如果這種大功率皮基站用于農村場景，可有效加速電信普遍服務的推進進程，積極響應國家號召，助力鄉村振興。5G皮基站的簡易組網架構如圖2所示。

圖2 5G皮基站系統組網結構

3.3 5G皮基站系統的優勢分析

系統的優勢分析：（1）扁平化架構，組網簡單，管理便捷；（2）低成本建設，有效節約建設投資和運維成本；（3）回傳靈活，布放方便，即插即用；（4）覆蓋設備種類豐富，適用場景豐富；（5）可管可控，智能運維[5]。

相信技術條件和市場條件一旦成熟，F5G與5G的相互融合能夠為5G網絡的深度覆蓋和精準覆蓋提供更多的便利。

4 結 論

F5G與5G無線網實現互聯互通在技術上完全具備可行性，安全性方面也有眾多策略和機制保駕護航。更為重要的是，無論在基站設備方面、傳輸光纜資源方面還是傳輸設備方面都可以極大降低5G無線網的建設成本，為運營商節約投資；同時，由于F5G的光纜資源豐富，觸角遍及最后一公里，5G無線網的建設不再受制約，各種5G的終端設備都可以靈活接入5G網絡，為打造萬物互聯的數字城市、數字社會創造極大的便利性。