極簡5G專網技術方案分析和研究

周進青，方紹湖，區 洋，羅漫江

（京信網絡系統股份有限公司，廣東 廣州 510663）

1 當前5G專網方案

1.1 網絡切片

利用公網覆蓋特性，5G通過網絡切片的虛擬專網為行業用戶提供一般性的普遍接入和服務，滿足室外、跨地區行業在各種場景下的切片應用需求，如圖1所示。

圖1 網絡切片專網方案

企業園區專網服務與公網業務服務共享現有的5G網絡，根據不同行業及用戶的差異化需求，5G基站（gNB）、傳輸網、5G核心網（5GC）需支持端到端的網絡切片服務，企業園區數據從運營商5GC再回流到企業園區。如果行業用戶需要數據流量，通過與運營商協商進行專項定制服務[1,2]。

1.2 UPF/MEC下沉

為保障數據不出園區的本質訴求，5GC用戶面UPF/MEC（集成UPF）下沉至用戶現場，園區專網與公網之間核心網控制面共享。企業園區5G物聯終端鑒權后接入到運營商核心網，業務數據通過本地UPF/MEC卸載，為企業應用提供數據流量。UPF/MEC下沉專網方案如圖2所示。

圖2 UPF/MEC下沉專網方案

2 5G極簡專網技術和方案

當前，專網建設存在流量成本高、數據安全性不高以及行業客戶難以自主掌控等問題。在5G垂直行業應用場景中，局域場景占據了相當大的比例，尤其是在工業互聯網領域，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。在基站側直接卸載本地數據，可以快速為垂直行業提供5G管道流量，從而為行業應用提供大帶寬、低時延的數據服務。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內置本地分流LBO功能，根據配置的分流規則，將本地企業園區業務數據分流到本地應用服務器，其他公網業務數據回傳至運營商核心網。基站本地分流技術原理如圖4所示。

圖4 基站本地分流技術原理

基于gNB的標準協議棧，在PDCP/SDAP與N3接口協議棧之間擴展一個本地分流模塊（LBO）實現對本地數據流的分流處理。上行的本地數據流通過LBO模塊，根據配置的分流規則匹配識別后，數據包不再進行GTP-U封裝，而是直接封裝ETH（以太網）層后發送到本地網絡。本地網絡的下行數據流通過LBO模塊，匹配映射到PDCP承載/SDAP QoS flow中，發往空口協議棧[3-6]。

2.2 輕量級獨享專網

輕量級獨享專網系統由5G小基站、輕量級5G核心網、輕量級5G MEC以及5G網管等組成，其部署在企業或園區內，為垂直行業提供一個獨享的端到端解決方案，如圖5所示。該方案與公網外部完全隔離，數據不出園區。同時系統可以自主可控，只承載本園區內的業務數據，確保數據可靠性和低時延特性。

圖5 獨享5G專網方案

5G小基站具備部署靈活、功耗低等特點，非常適合專網應用場景。其中，三級架構小基站用于企業園區室內場景的5G信號覆蓋，包括5G基帶單元、擴展單元以及遠端單元。兩級架構基站用于企業園區室外場景的5G信號覆蓋，包括5G基帶單元、射頻拉遠單元（RRU）。

5G核心網包括AMF、SMF、UPF、UDM以及AUSF等網元，輕量級5GC基于服務化+容器化+無狀態的云原生設計架構，在單臺服務器上實現整個核心網的各網元基礎功能，大大簡化了核心網的系統硬件架構，具備高集成特性和可擴展性。輕量級MEC部署在園區的算力平臺，支持業務數據本地卸載、第三方應用等功能[7-10]。

2.3 極簡一體機專網

在上述輕量級獨享專網中，輕量級5GC、輕量級MEC、5G BBU以及5G網管采用通用服務器硬件，軟硬解耦。為進一步簡化網絡設備物理單元、降低系統功耗，將上述各網元通過容器化方式高度集成到服務器的單顆CPU芯片上，提供極簡5G網絡平臺解決方案，如圖6所示。通過一體化集中部署，減小設備占地面積，促使網絡管理更加便捷。

圖6 極簡一體機5G專網解決方案

一體機采用多層架構設計，如圖7所示。其中，L1層承載一體機的硬件資源、CPRI協議、加速處理等功能；OS層為操作系統，可采用CentOS開源系統，安裝RT實時內核滿足通信系統實時性要求；MEP層主要實現邊緣計算平臺的功能，統一進行資源編排和容器虛擬化管理；App層為應用層，以5GC、BBU、NMS(網管)等其他App作為應用實例，以容器鏡像形式進行加載部署。

圖7 5G多網元一體機架構

由于5G多網元一體機要實現多個邏輯網元共享CPU、內存以及接口等，并且每種網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分配各軟件系統和硬件資源，以達到系統性能的平衡。通過增加N2、N3接口適配器來代替原有N2、N3接口協議棧，進一步減少對資源的消耗，降低控制面和用戶面數據的傳輸時延。

3 5G專網方案對比

各專網方案優劣勢對比如表1所示。

表1 各專網方案優劣勢對比表

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

4 結 論

本文介紹了當前幾種主流5G專網方案，并且分析了行業集成度最高的極簡一體化專網方案和技術原理。根據各種方案的對比，總結出垂直行業選擇適合自身需求的專網解決方案建議，希望能為相關研究人員提供參考。