蔣崢 劉勝楠 田樹一 陳鵬

【摘? 要】5G無線通信系統(tǒng)除了滿足普通用戶移動寬帶互聯(lián)網業(yè)務需求，還要向垂直行業(yè)、企業(yè)滲透，加快國家工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展和工業(yè)智能化進程。為了更好地實現(xiàn)這一目標，非公共網絡技術（NPN）開始吸引人們的目光，3GPP已在5G Rel-16標準中加入NPN場景需求、功能的研究和標準化工作。介紹了NPN網絡的基本概念，給出5G標準Rel-16版本中NPN的兩種組網形態(tài)和典型組網方案，以及NPN網絡與PLMN網絡互操作方法。在此基礎上，分析了NPN網絡特性和不同的NPN部署方案對網絡特性的影響，為運營商和垂直行業(yè)企業(yè)未來部署NPN網絡提供參考。

【關鍵詞】5G;非公共網絡;獨立非公共網絡;集成非公共網絡

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.003? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0012-07

引用格式：蔣崢，劉勝楠，田樹一，等. 5G非公共網絡技術分析[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 12-18.

The Technical Analysis on 5G Non-Public Network

JIANG Zheng， LIU Shengnan， TIAN Shuyi， CHEN Peng

（China Telecom Research Institute， Beijing 102209， China）

[Abstract]?5G wireless communication system should not only meet the mobile broadband Internet service needs of ordinary users， but also penetrate into the vertical industries and enterprises to accelerate the development of national industrial Internet and industrial intelligence. In order to achieve this goal， non-public network （NPN） technology has begun to attract people's attentions. The NPN scenarios and requirements have been studied and the standardization for NPN functions has been carried out in 3GPP. In this paper， the concept of NPN is introduced， and two kinds of NPN networks and the solutions of NPN development in 5G Rel-16 are given， as well as the interworking between NPN and PLMN. Based on this， this paper analyzed the characteristics of NPN networks and the corresponding impact of different deployment solutions of NPN， which can provide the reference for operators or vertical industry enterprises to deploy NPN networks.

[Key words] 5G; NPN; SNPN; PNI-NPN

0? ?引言

5G通信技術的發(fā)展不僅是為廣大移動互聯(lián)網用戶提供更高速和優(yōu)質的服務，更是成為推動工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的使能技術，而工業(yè)互聯(lián)網也是加快5G商用規(guī)模部署，實現(xiàn)5G商用價值的重要突破口之一。

回顧過去，信息科技（IT）與操作技術（OT）很少有交集，但進入工業(yè)互聯(lián)網時代，透過物聯(lián)網、大數(shù)據與云端智能，使IT與OT兩者最終展開對話，由OT領域的傳感器獲取數(shù)據，上傳IT領域的云端中心執(zhí)行大數(shù)據分析，繁衍出各種創(chuàng)新應用。第五代（5G）網絡可以在這種集成中發(fā)揮關鍵的支持作用，能夠以無處不在的方式連接各種設備[1]。5G發(fā)展不僅使移動運營商受益，也將使制造業(yè)、物流等各行業(yè)從產業(yè)升級中受益[2]。文獻[3]給出了各國產業(yè)升級的側重領域，這些領域的企業(yè)將帶來大量的自動化用例，其中大多數(shù)在可靠性、低延遲、安全性等方面都有嚴格要求，為了以經濟高效的方式滿足這些需求，垂直行業(yè)可以通過5G技術來實現(xiàn)產業(yè)提升[4]。

5G系統(tǒng)的Rel-15版本主要為公共用途而設計，但隨著私有用途的5G網絡部署引起了業(yè)界極大興趣，非公共網絡（Non-Public Network， NPN）的研究被納入5G Rel-16版本[5]。

PLMN由移動網絡運營商操作，而NPN只供私有組織使用，通常是垂直行業(yè)。在工業(yè)互聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)中，垂直行業(yè)可以通過NPN構建端到端的內部5G網絡，從而可以將私有流量限制在NPN內部，而無需到達公共網絡領域。

本文針對NPN網絡的基本概念進行介紹，給出5G標準Rel-16版本中NPN的兩種組網形態(tài)和典型組網方案，以及NPN網絡與PLMN網絡互操作方法。在此基礎上，本文分析了NPN網絡特性和不同的NPN部署方案對網絡特性的影響，為運營商和垂直行業(yè)企業(yè)未來部署NPN網絡提供參考。

1? ?5G網絡架構概述

4G移動網絡架構是面向移動寬帶服務的需求而設計，這種體系結構由大量點對點接口和與這些接口相連的網絡功能單元組成，這種網絡結構相對靜態(tài)，缺乏靈活性，無法有效支持大量差異化的垂直行業(yè)需求。為了滿足更廣泛的行業(yè)應用需求，5G網絡架構（特別是核心網架構）進行了較大改進，主要在以下幾方面進行了增強（如圖1）。

（1）服務化網絡架構?；诜盏木W絡架構是5G核心網變化的基礎，這表明5G更關注的是核心網絡提供的服務和功能，而不是節(jié)點本身。5G的核心網絡已高度虛擬化，核心網功能已經可以運行在通用計算機平臺上，這一特征為企業(yè)獨立部署定制化核心網提供可能。

（2）支持網絡切片。網絡切片是指3GPP定義的網絡特征和功能的集合，可用于向用戶提供端到端網絡服務。運營商可通過網絡切片技術，依托服務化的核心網架構，在共享技術設施上構建多個邏輯上相互獨立的PLMN。切片技術可使企業(yè)方便地獲得定制化且具有隔離性的服務。

（3）控制面與用戶面分離。5G核心網絡體系結構強調控制平面與用戶平面的分離，包括兩種能力的獨立擴展。例如，如果需要更多的控制平面容量，則在不影響網絡的用戶平面的情況下直接添加。

（4）計算和存儲分離。允許任何網絡功能將數(shù)據（例如UE和會話上下文）存儲在一個集中的數(shù)據庫中，以便數(shù)據在網絡功能的不同實例間進行共享，從而使5G系統(tǒng)更具有云存儲的特征。

綜上，5G核心網的新特性便于企業(yè)基于自身需求開展獨立的核心網部署與開發(fā)，控制面與用戶面分離、計算和存儲分離等特征也方便企業(yè)在核心網數(shù)據面擴容和升級。從圖1可見，盡管5G網絡架構中引入服務化架構和切片機制，但框架基礎仍然是無線接入網（RAN）和核心網（CN）兩大部分，而通過N6接口連接到UPF的數(shù)據網絡被3GPP視為外部網絡域。這些外部數(shù)據網絡也是確保以端到端方式有效支持5G服務的關鍵。

本文考慮了兩種類型的數(shù)據網絡：

（1）區(qū)域數(shù)據網絡。該數(shù)據網絡歸網絡運營商所有，屬于PLMN范疇。它允許網絡運營商向UE提供互聯(lián)網連接和增值網絡服務，包括IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）服務等。

（2）局域網數(shù)據網絡。與區(qū)域數(shù)據網絡不同，局域網不提供互聯(lián)網連接，也不具有高計算能力，它由一個或多個邊緣節(jié)點組成，可以應用邊緣云計算（MEC）[7]等模式。這些節(jié)點允許運行對延遲敏感的應用程序，以便這些應用盡可能靠近UE執(zhí)行。本地數(shù)據網絡可以由運營商擁有，也可以由垂直行業(yè)企業(yè)擁有。在后一種情況下，該數(shù)據網絡可以屬于NPN。

2? ?NPN網絡技術分析

在當前3GPP Rel-16標準研究中NPN被分為兩種類型[8-9]：

（1）獨立的非公共網絡（Stand-alone NPN， SNPN），SNPN不依賴網絡運營商的公共網絡提供的功能。一個SNPN可以是一個隔離的不與PLMN之間交互的NPN網絡，NPN和PLMN可部署在不同的網絡基礎設施上。

（2）非獨立的非公共網絡（Public Network Integrated Non-Public Network， PNI-NPN），又稱公共網絡集成的非公共網絡，即在PLMN支持下部署的NPN。PNI-NPN可以完全或部分托管在PLMN基礎設施上，依賴于一些網絡運營商的網絡功能。

2.1? SNPN網絡

獨立非公共網絡（SNPN）是基于5G系統(tǒng)架構的專用網絡，與公共網絡PLMN完全分離。SNPN和PLMN之間的獨立性主要體現(xiàn)在：

（1）SNPN具備唯一網絡標識符，即NID，NID完全獨立于公共網絡標識PLMN ID;

（2）SNPN具有獨立部署的核心網;

（3）SNPN用戶只能在SNPN網絡覆蓋范圍內移動;

（4）用獨立頻段組網。

下面介紹SNPN主要的3種部署方案：

（1）方案S1：企業(yè)在SNPN網絡范圍（例如自動化工廠）內完全部署5G系統(tǒng)，包括無線網（RAN）和核心網（CN），有專用頻譜用于SNPN（如圖2）。由于SNPN的核心網獨立于PLMN，SNPN的用戶簽約數(shù)據、控制面流量和用戶面流量均保持在SNPN網絡內，SNPN網絡設備是非公共網絡設備，使用和維護由部署網絡的企業(yè)負責。

（2）方案S2：NPN企業(yè)通過與運營商共享RAN基站進行SNPN部署（如圖3）[10]。在這種場景下，SNPN和PLMN仍具有不同的網絡標識、各自獨立的頻譜和各自獨立的核心網。本方案的特點是SNPN的基站與PLMN共享，這表明企業(yè)范圍（例如自動化工廠）內為SNPN用戶提供無線接入功能是由MNO提供的共享基站負責，從而形成SNPN子網。

（3）方案S3：NPN運營企業(yè)在部署SNPN時，不僅與運營商共享RAN基站，而且與運營商共享頻譜（如圖4）[10]。在這種方式下，SNPN和PLMN具有不同的網絡標識和各自獨立的核心網，同時NPN的核心網仍然單獨管理NPN簽約用戶。方案S3的特點是SNPN的基站和頻譜均與PLMN共享，共享頻譜歸運營商所有。

2.2? PNI-NPN網絡

PNI-NPN是基于5G系統(tǒng)架構并與PLMN一起部署的專用網絡。PNI-NPN由一個公共網絡和一個或多個非公共網絡子網組成。一方面，公共子網包含PLMN提供的網絡功能，這些功能屬于MNO管理，通常在專用網絡（例如自動化工廠）外部署;另一方面，專用子網中與PLMN保持隔離的網絡功能，這些功能在工廠內部署。

PNI-NPN和PLMN之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在：

（1）PNI-NPN設備（用戶）具備特殊接入標識符，即CAG ID，基站通過CAG ID區(qū)分公網用戶和私網用戶的網絡接入權限;

（2）PNI-NPN沒有獨立部署的核心網;

（3）PNI-NPN用戶可以在PNI-NPN小區(qū)和PLMN小區(qū)間切換。

PNI-NPN網絡主要有2種部署方案：

（1）部署方案P1。PNI-NPN網絡中企業(yè)與網絡運營商共享RAN基站、頻譜和核心網的控制平面（如圖5）。在方案P1中，NPN中唯一與PLMN分離的部分是CN用戶平面。CN控制平面由PLMN提供，這意味著：1）NPN中的網絡控制任務在MNO的管理域中執(zhí)行;2）NPN網絡用戶既是NPN用戶也是PLMN簽約用戶。企業(yè)數(shù)據通過自身UPF管理，并存儲在企業(yè)內部。

（2）部署方案P2。NPN的企業(yè)完全與網絡運營商共享RAN、頻譜和核心網（如圖6）。在方案P2中，NPN完全由運營商托管，NPN所有通信都在PLMN網絡中進行，企業(yè)沒有獨立的數(shù)據需要管理，所有數(shù)據流都通過共享RAN節(jié)點路由到PLMN。在這種架構中，可以通過切片保證NPN業(yè)務的獨立性。在這種方案中，如果企業(yè)有私有數(shù)據需要保密和管理，公網的UPF和企業(yè)數(shù)據間需加入防火墻，保證企業(yè)數(shù)據的安全。

2.3? NPN與PLMN互通

在某些情況下，SNPN設備需要訪問PLMN數(shù)據，或者PLMN用戶需要訪問SNPN網絡的數(shù)據，這種情況下需要SNPN網絡與PLMN網絡具備互通機制。因為這兩種互通機制相互對等，下面主要介紹SNPN用戶訪問PLMN網絡數(shù)據的機制，PLMN用戶訪問SNPN網絡數(shù)據的機制就是反向過程。

SNPN用戶訪問PLMN網絡數(shù)據的機制可根據業(yè)務類型分為兩種。

（1）一種是在SNPN覆蓋范圍內，SNPN設備需要訪問公共互聯(lián)網數(shù)據。在這種情況下需要在SNPN和PLMN之間建立通信路徑即可，如圖2～圖4所示，可在企業(yè)內網建立防火墻連接到外網，此防火墻允許SNPN數(shù)據網絡和PLMN間建立連接。

（2）另一種是在SNPN覆蓋范圍內，SNPN設備需要訪問PLMN相關的特有業(yè)務，如VoLTE通話，應急通信（Emergency Call）等，此時已經注冊到SNPN網絡的SNPN設備，還需要通過SNPN用戶面，使用PLMN憑證執(zhí)行一個PLMN注冊。在這個注冊中，NPN的訪問會扮演“不受信任的非3GPP訪問”（如圖7），具體過程可參考文獻[5]。

與SNPN一樣，PNI-NPN設備也需要訪問PLMN數(shù)據。當PNI-NPN設備訪問公共互聯(lián)網數(shù)據，對于方案P1，需要在PNI-NPN和互聯(lián)網服務器之間通過防火墻建立通信路徑，如圖5和圖6所示;對于方案P2，由于PNI-NPN和PLMN共享UPF，此時PNI-NPN用戶可通過公網UPF直接訪問互聯(lián)網數(shù)據。

如果PNI-NPN設備需要訪問PLMN相關的特有業(yè)務，如VoLTE通話，應急通信（Emergency Call）等，由于這種架構下PNI-NPN設備已經注冊到PLMN網絡，因此可以直接訪問相關業(yè)務。

3? ? NPN特性分析

本節(jié)分析NPN網絡特性，給出與不同NPN部署方案相關的NPN特性差異，供行業(yè)和企業(yè)NPN網絡部署參考。

（1）QoS定制化能力

QoS定制表示NPN網絡能夠靈活配置網絡參數(shù)，向特定用戶或設備提供業(yè)務保障，滿足目標應用需求的能力。這些業(yè)務需求包括覆蓋狀況（例如室內）、業(yè)務模式（例如上行/下行鏈路幀結構）和KPI值（例如吞吐量、時延和抖動、可靠性等），這些參數(shù)因不同的行業(yè)應用和需求千差萬別。

（2）網絡隔離

NPN網絡隔離是使非公共網絡的業(yè)務獨立于PLMN網絡數(shù)據業(yè)務的能力，這種獨立性的評估包括：1）端到端的方式，從設備到數(shù)據網絡;2）跨越不同的網絡平面，包括用戶平面、控制平面和管理平面。

（3）網絡安全

為了保證工業(yè)場景中的安全性，要求NPN網絡提供全面的保密性和數(shù)據完整性，特別是NPN和PLMN共享網絡硬件設備，NPN業(yè)務數(shù)據與PLMN數(shù)據通過相同硬件設備進行傳輸時，更需要考慮網絡安全。

（4）業(yè)務連續(xù)性

服務連續(xù)性是指假設當設備離開NPN覆蓋時，網絡能夠提供該設備的無縫連接（0 ms服務中斷時延），無論是設備暫時移動到NPN覆蓋區(qū)之外的PLMN網絡，還是設備在兩個不同的NPN網絡之間移動。例如，服務于同一垂直行業(yè)，由同一垂直行業(yè)管理的兩個工廠，用戶在兩個廠房之間移動發(fā)生的切換。3GPP定義了如本文2.3節(jié)所述的基于非3GPP的互通功能（N3IWF）[8]的機制，這種類似N3IWF的網關解決方案需要終端具備雙射頻通道的能力才能夠支持。

（5）網絡自主掌控權

網絡自主掌控權表示NPN服務企業(yè)對NPN網絡的自主掌控和維護能力。企業(yè)自主掌控權越高，表明企業(yè)自主擴容和維護能力越強，NPN網絡受外部網絡影響越小，即無論PLMN發(fā)生任何意外（如安全故障、性能下降），NPN都能正常運行。

（6）NPN建設成本

NPN網絡的建設成本與企業(yè)需要NPN提供的業(yè)務KPI能力相關。NPN網絡建設和維護投資需要評估各種各樣的成本來源，包括：

1）頻譜獲取;

2）租賃、購買和維護無線網絡設施和設備;

3）購買、租賃、維護執(zhí)行核心網功能的軟件（如果虛擬化）和硬件設備;

4）租賃、購買和維護NPN網絡內的數(shù)據計算、存儲硬件;

5）NPN管理、維護和網絡編排優(yōu)化的運營支出。

表1分析了不同NPN部署方案對NPN不同屬性的影響。從表1可以看出，與SNPN相關的部署方案S1、S2和S3使NPN在性能、管理和安全性方面完全獨立，但是它們可能需要NPN部署企業(yè)的大量投資，并且可能會引入與PLMN的一些互通問題，這會阻礙用戶移動時的服務連續(xù)性。這些NPN部署方案非常適合對KPI要求高的關鍵型任務、延遲敏感的工業(yè)用例等場景，這些用例要求完全隔離保證，并且網絡設備相當可靠和穩(wěn)定，受外界影響要盡量少。

PNI-NPN相關部署方案P1和P2的部署使NPN更依賴于PLMN行為。這有助于促進兩個網絡之間的互動，降低縱向市場的進入壁壘，但代價是使NPN在性能和管理方面獨立性差。因此PNI-NPN部署降低了成本并促進了與PLMN的交互，同時降低了NPN在性能和管理方面的獨立性。

未來網絡部署時，需要考慮到企業(yè)應用的目標和網絡KPI需求，選擇合適的場景進行部署，最終選擇的部署方案取決于垂直行業(yè)或企業(yè)的成本效益比。

4? ?結束語

本文介紹了3GPP NR標準中Rel-16版本正在標準化的NPN技術，包括PNI-NPN和SNPN，同時介紹了NPN獨立組網和非獨立組網的幾種典型部署場景，包括從完全與PLMN分離的獨立部署的SNPN方案到完全由PLMN托管的PNI-NPN方案，NPN與PLMN網絡互操作方式。本文還根據NPN網絡特征，對不同的NPN部署方案進行了比較分析。這些分析可以幫助垂直行業(yè)或有意愿部署NPN的企業(yè)可根據自己企業(yè)的特定需求，考慮到他們在NPN的設計、部署和運維方面的投入，來決定適合自己的部署方案。

目前3GPP標準化對于NPN已經提供了基本功能框架，在未來NPN部署研究中，還需要研究NPN與網絡切片結合的部署方案和NPN/PLMN之間的互通和無縫切換。NPN為網絡運營商帶來了新的商業(yè)模式，NPN和PLMN的集成實現(xiàn)了一種協(xié)同關系，使行業(yè)垂直企業(yè)有動力投資5G基礎設施，利用這些基礎設施以較低的成本幫助企業(yè)完成產業(yè)升級，促進企業(yè)工業(yè)智能化發(fā)展。

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作者簡介

蔣崢（orcid.org/0000-0002-5743-223X）：

教授級高工，博士畢業(yè)于北京郵電大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司電信研究院，主要研究領域包括無線網絡架構，非公共網絡，大規(guī)模天線等，牽頭并參與多項國家重大專項和中國電信重點項目，3GPP標準會議代表和3GPP立項報告人。

劉勝楠：碩士畢業(yè)于北京郵電大學信息與通信工程學院，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司電信研究院，從事5G標準化與標準仿真的相關工作，研究方向包括5G高層標準化、5G仿真平臺、5G無線網絡架構和V2X技術研究等。

田樹一：碩士畢業(yè)于北京大學信息科學技術學院，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司電信研究院，從事5G標準化工作，研究方向包括5G核心網標準化、5G仿真平臺、人工智能在5G中的應用。

陳鵬：高級工程師，標準團隊總監(jiān)，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司電信研究院，主要從事無線通信研究和標準化相關工作，中國電信3GPP全會代表，承擔多項國家重大專項工作，曾擔任LTE覆蓋增強立項報告人。