5G行业专网建设部署的三种方式
随着5g规模商用，利用5g实现生产方式智能化、数字化转型的必要性愈发显现，以5g专网的形式赋能行业数字化转型在现实中被更加广泛应用。
近两年，有关5g网络行业应用的需求不断出现，部分煤矿、医院、工业园区等纷纷向运营商提出建设5g行业专网，不同行业用户其需求也各不相同，主要涵盖以下几方面：upf下沉保证数据不出园，保障终端数据不泄露；5gc控制面下沉保证信令不出园，保障终端行为不泄露；行业生产不受运营商网络调整的影响，比如网络升级、割接等；网络功能可灵活定制；专网可融入行业内部网络，与外部物理隔离，保障行业内部网络数据安全。
5g sa行业专网具有广连接、大带宽、低时延、安全性高等诸多优势。同时，5g行业专网的部署范围可根据区域设计，可面向封闭式的使用场景，如制造业园区、高校、医院、矿山等；可满足行业的个性化需求，对时延要求严苛、可靠性要求高、上行速率需求高、数据安全和隔离要求严格等，5g专网中的网络切片、边缘计算、sdn等技术可实现行业应用网络灵活部署，实现自身的个性化服务；可为不同的行业应用场景就近部署算力并提供能力开放；5g专网可与现有it网络实现兼容互通，网络能力、网络技术可实现演进升级。因此，建设部署5g行业专网可满足目前行业应用的各种需求。
5g行业专网建设部署
为了满足行业应用的需求，目前，运营商在初始进行5g核心网建设时就已分别建设了面向to c（公众客户）和to b（行业应用）的两张5g核心网。针对一些特殊的行业应用需求，如对网络性能、数据的安全性及终端的移动性等有着个性化的特殊需求，运营商还需要在现有核心网的基础上建设5g行业专网。5g行业专网总体架构如图1所示。
图1 5g行业专网总体架构
5g行业专网关键网络功能如下。
udm：用户数据管理功能，实现对用户的认证、授权、注册、位置管理等。
amf：接入和移动性管理功能，包括终端到核心网控制面接入点，实现接入管理和移动性管理等。
smf：会话管理功能，实现ip地址分配和管理、策略控制、计费数据采集等。
upf：用户面管理功能，实现分组报文转发、策略和qos处理及使用量报告等。
根据目前行业应用需求的特点，5g行业专网的建设部署方式可分为以下三类。
1. 虚拟专网
在虚拟专网建设方案中，行业专网网元与运营商5g tob核心网网元共享，企业无独享网元，核心网数据面网元upf与企业内网建立专线连接。企业终端用户签约企业专用切片和定制的dnn(data network name，数据网络名称）。用户终端附着时，终端向基站发出的附着请求中携带切片标识或不携带切片标识，如果不携带切片标识，终端在附着过程中由核心网下发签约的切片标识。企业终端向基站发送数据包，数据经过运营商传输设备及核心网数据面网元，最后由专线发送至企业内网。5g行业虚拟专网架构如图2所示。
图2 5g行业虚拟专网架构
网络中的数据带有加密和完整性保护，核心网数据面逻辑隔离，数据转发过程中只经过运营商设备，不经过互联网，同时数据面网元与企业内网对接可采用gre、l2tp等隧道协议，有效保障行业数据的安全。
2. 混合专网
以5g数据分流技术为基础，通过无线和控制面网元的灵活组合定制，为行业用户构建一张大带宽、低时延、数据不出园的基础连接网络。5g行业混合专网架构如图3所示。
upf、mec下沉至企业的工厂、园区，可提供数据隔离、按需定制的5g专网服务，按需叠加行业应用所需的5g本地网应用，5g融合定位，低时延、高可靠等专网差异化增值业务。
图3 5g行业混合专网架构
在该方案中，行业专网的信令面网元与运营商to b公众网络共用，新建企业独享数据面网元upf。upf采取下沉至企业园区内机房的部署方式，通过n6接口与企业内网对接。企业终端签约企业专用切片标识或者dnn，接入网络时，信令面网元根据终端携带或签约的切片标识、dnn以及终端所处位置，选择企业独享upf，并将数据面承载建立在企业独享upf上。企业终端向基站发送数据包，基站将数据包发送至企业独享upf，此时访问企业内网的数据转发至企业内网。企业终端访问公众网络的数据则有两种可选方案。
一是由运营商的网络出口访问公众网络。企业独享的upf对接运营商网络出口，数据包发送至upf之后，upf根据数据包访问的目的地址进行路由选择，或者将企业独享的upf兼作ulcl（uplink classifier，上行分类器）upf，数据发送至企业独享upf后，该upf进行上行数据分类，将非企业内网业务的数据分流至运营商公众网络upf，再由运营商公众网络upf转发至运营商公众网络出口，如图4所示。
图4 5g行业混合专网架构之一
（运营商网络出口访问公众网络）
二是数据包发送至企业独享upf之后转发至企业内网，数据从企业内的公众网络出口访问公众网络，如图5所示。
图5 5g行业混合专网架构之二
（企业内公众网络出口访问公众网络）
3. 独立专网
利用5g组网、切片和边缘计算等技术，采用专有设备，为行业用户构建一张增强带宽、低时延、物理封闭的基础连接网络，实现用户数据与公众网络数据完全物理隔离，且不受公众网络影响。
在独立专网中，数据面网元以及部分或全部信令面网元下沉独享。结合信令面网元的不同部署方式，本方案可以细分为两种。
一是核心网控制面部分下沉。在园区下沉独享amf、smf网元，用户在运营商to b公众网络udm及pcf签约，原则上udm、pcf网元可不下沉，如图6所示。
图6 5g行业独立专网架构之一（控制面部分下沉）
二是核心网信令面完全下沉。在园区下沉amf、smf、udm、pcf网元，对于控制面完全下沉，核心网本地独立新建，其中，udm、pcf对接运营商的物联网平台，由平台负责用户管理，进行开销户等处理，如图7所示。
图7 5g行业独立专网架构之二（控制面全部下沉）
独享的信令面网元可按需部署在企业园区内。核心网给企业终端签约专属切片标识和dnn，企业终端接入网络时，基站会根据切片标识将信令发送至企业专享信令面网元，信令面网元会根据签约的切片标识和dnn，将数据面承载建立在企业独享upf上。终端发送的数据包转发方式与混合专网一致，采取单节点部署或者异机房容灾等，数据面和信令面均与公众网络隔离。
上述3种部署方式各有优劣，适合不同类型的行业应用，实际部署时应根据具体应用场景选择合适的方式进行建设。
3种部署方案对比分析
5g虚拟专网适用于广域场景，以及对时延和带宽等sla有差异化需求的场景；或者对数据安全有一定要求，需要与公众网络数据隔离的场景。该模式无新建网元，可实现快速上线，资源分配方式灵活，建设成本低。
5g混合专网适用于开放的园区场景，提供增强带宽、低时延、数据不出园的基础连接网络。企业独享upf下沉，减少由于数据转发节点过多导致的时延增加；保证行业资源占用，同时减少行业专网业务对运营商网络的冲击；可满足企业数据不出园区需求，增加了企业数据的安全性；可根据企业需求开放专享upf的数据调度能力以及数据承载的qos调度能力，满足企业一定的定制化需求。
5g独立专网适用于独立封闭企业园区场景，构建一张增强带宽、低时延、物理封闭的基础连接网络，实现用户数据与公众网络数据完全隔离，且不受公众网络变化影响。upf行业用户专用独享；数据面、信令面均与公众网络严格隔离；核心网内的能力可更大限度地开放给行业；可满足行业更多的定制化需求；数据面与信令面的网元可异厂家设备组网，给予运营商和企业更多的产品选择权；行业对网络的自主可控完全掌握在自己手中。
综上所述3种方案各有优劣，适用场景也各不相同。在进行行业专网建设时要充分考虑行业的需求和应用场景，以及运营商的运维管理成本和难度，选择合适的行业专网部署方案。
5g时代行业应用呈现出多元化、复杂化、个性化的趋势，5g为垂直行业的网络建设提供了更为丰富的方案选择，5g专网可为行业应用拓展大带宽、高可靠、低时延、海量物联等丰富的应用场景，同时可提供更强的数据隐私保护、应用数据的安全隔离、灵活可控和稳定的连接性能。随着5g网络标准的进一步完善，以及产品的进一步成熟，5g行业专网在垂直行业的应用前景也会越来越广，让越来越多的企业享受到5g网络带来的优质服务，助各行各业数字化转型。
5g与行业深度融合，5g专网的应用发展已进入深水区，在打造各种可喜成果的同时，5g专网发展仍面临诸多挑战，从标准、设备、终端到业务的5g专网产业链正在快速发展但尚未成熟，需要产业链积极开展融合探索。
聚焦5g专网规模发展面临的挑战，汇聚行业协会组织、运营商、软硬件和行业集成商、芯片模组厂商、设备商等产业链上下游，共商共议，进一步培育应用场景，深挖商业模式，共创5g生态繁荣，奋楫数字经济主航道！
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