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2020年第4期
“5G 增强技术”专题
收稿日期：2020-03-085G非公共网络技术分析
The T echnical Analysis on 5G Non-Public Network
5G 无线通信系统除了满足普通用户移动宽带互联网业务需求，还要向垂直行业、企业渗透，加快国家工业互联网发展和工业智能化进程。为了更好地实现这一目标，非公共网络技术（NPN ）开始吸引人们的目光，3GPP 已在5G Rel-16标准中加入NPN 场景需求、功能的研究和标准化工作。介绍了NPN 网络的基本概念，给出5G 标准Rel-16版本中NPN 的两种组网形态和典型组网方案，以及NPN 网络与PLMN 网络互操作方法。在此基础上，分析了NPN 网络特性和不同的NPN 部署方案对网络特性的影响，为运营商和垂直行业企业未来部署NPN 网络提供参考。
5G ；非公共网络；独立非公共网络；集成非公共网络
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.5G; NPN; SNPN; PNI-NPN
（中国电信股份有限公司电信研究院，北京 102209）
(China Telecom Research Institute, Beijing 102209, China)
【摘  要】
蒋峥，刘胜楠，田树一，陈鹏孙湘
JIANG Zheng, LIU Shengnan, TIAN Shuyi, CHEN Peng
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.003      中图分类号：TN929.5文献标志码：A      文章编号：1006-1010(2020)04-0012-07
引用格式：蒋峥，刘胜楠，田树一，等. 5G非公共网络技术分析[J]. 移动通信, 2020,44(4): 12-18.
[Abstract]
[Key words]
0  引言
5G 通信技术的发展不仅是为广大移动互联网用户提供更高速和优质的服务，更是成为推动工业互联网发展的使能技术，而工业互联网也是加快5G 商用规模部署，
【关键词】
OSID ：
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实现5G 商用价值的重要突破口之一。
回顾过去，信息科技（IT ）与操作技术（OT ）很少有交集，但进入工业互联网时代，透过物联网、大数据与云端智能，使IT 与OT 两者最终展开对话，由OT 领域的传感器获取数据，上传IT 领域的云端中心执行大数据分析，繁衍出各种创新应用。第五代（5G ）网络可以在这
种集成中发挥关键的支持作用，能够以无处不在的方式
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连接各种设备[1]。5G 发展不仅使移动运营商受益，也将使制造业、物流等各行业从产业升级中受益[2]。文献[3]给出了各国产业升级的侧重领域，这些领域的企业将带来大量的自动化用例，其中大多数在可靠性、低延迟、安全性等方面都有严格要求，为了以经济高效的方式满足这些需求，垂直行业可以通过5G 技术来实现产业提升[4]。
5G 系统的Rel-15版本主要为公共用途而设计，但随着私有用途的5G 网络部署引起了业界极大兴趣，非公共网络（Non-Public Network, NPN ）的研究被纳入5G Rel-16版本[5]。
PLMN 由移动网络运营商操作，而NPN 只供私有组织使用，通常是垂直行业。在工业互联网生态系统中，垂直行业可以通过NPN 构建端到端的内部5G 网络，从而可以将私有流量限制在NPN 内部，而无需到达公共网络领域。
本文针对NPN 网络的基本概念进行介绍，给出5G 标准Rel-16版本中NPN 的两种组网形态和典型组网方案，以及NPN 网络与PLMN 网络互操作方法。在此基础上，本文分析了NPN 网络特性和不同的NPN 部署方案对网络特性的影响，为运营商和垂直行业企业未来部署NPN 网络提供参考。
1  5G 网络架构概述
4G 移动网络架构是面向移动宽带服务的需求而设计，这种体系结构由大量点对点接口和与这些接口相连的网络功能单元组成，这种网络结构相对静态，缺乏灵活性，无法有效支持大量差异化的垂直行业需求。为了满足更广泛的行业应用需求，5G 网络架构（特别是核心网架构）进行了较大改进，主要在以下几方面进行了增强（如图1）。
（1）服务化网络架构。基于服务的网络架构是5G 核心网变化的基础，这表明5G 更关注的是核心网络提供的服务和功能，而不是节点本身。5G 的核心网络已高度虚拟化，核心网功能已经可以运行在通用计算机平台上，这一特征为企业独立部署定制化核心网提供可能。
（2）支持网络切片。网络切片是指3GPP 定义的网络特征和功能的集合，可用于向用户提供端到端网络服务。运营商可通过网络切片技术，依托服务化的核心网架构，在共享技术设施上构建多个逻辑上相互独立的PLMN 。切片技术可使企业方便地获得定制化且具有隔离性的服务。
（3）控制面与用户面分离。5G 核心网络体系结构强调控制平面与用户平面的分离，包括两种能力的独立扩展。例如，如果需要更多的控制平面容量，则在不影响网络的用户平面的情况下直接添加。
（4）计算和存储分离。允许任何网络功能将数据（例如UE 和会话上下文）存储在一个集中的数据库中，以便数据在网络功能的不同实例间进行共享，从而使5G 系统更具有云存储的特征。
综上，5G 核心网的新特性便于企业基于自身需求开展独立的核心网部署与开发，控制面与用户面分离、
计算和存储分离等特征也方便企业在核心网数据面扩容和升级。从图1可见，尽管5G 网络架构中引入服务化架构和切片机制，但框架基础仍然是无线接入网（RAN ）和核心网（CN ）两大部分，而通过N6接口连接到UPF 的数据网络被3GPP 视为外部网络域。这些外部数据网络也是确保以端到端方式有效支持5G 服务的关键。
本文考虑了两种类型的数据网络：
（1）区域数据网络。该数据网络归网络运营商所有，属于PLMN 范畴。它允许网络运营商向UE 提供互联网连接和增值网络服务，包括IP 多媒体子系统（IMS ）服务等。
（2）局域网数据网络。与区域数据网络不同，局域
网不提供互联网连接，也不具有高计算能力，它由一个或多个边缘节点组成，可以应用边缘云计算（MEC ）[7]等模式。这些节点允许运行对延迟敏感的应用程序，以便这些应用尽可能靠近UE 执行。本地数据网络可以由运营商拥有，也可以由垂直行业企业拥有。在后一种情况下，该数据网络可以属于NPN 。
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2  NPN 网络技术分析
在当前3GPP Rel-16标准研究中NPN
类型[8-9]：
（1）独立的非公共网络（S t a n d -a l o n e  N P SNPN ），SNPN 功能。一个SNPN 可以是一个隔离的不与PLMN 互的NPN 网络，NPN 和PLMN 础设施上。
（2）非独立的非公共网络（P u b l i c  N e t w o r Integrated Non-Public Network, PNI-NPN 共网络集成的非公共网络，即在PLMN NPN 。PNI-NPN 可以完全或部分托管在PLMN 上，依赖于一些网络运营商的网络功能。
2.1  SNPN 网络
独立非公共网络（SNPN ）是基于5G 用网络，与公共网络PLMN 完全分离。SNPN 和PLMN 间的独立性主要体现在：
（1）SNPN 具备唯一网络标识符，即NID ，NID 全独立于公共网络标识PLMN ID ；
（2）SNPN 具有独立部署的核心网；
（3）SNPN 用户只能在SNPN （4）用独立频段组网。
下面介绍SNPN 主要的3种部署方案：
（1）方案S1：企业在SNPN 工厂）内完全部署5G 系统，包括无线网（RAN 心网（CN ），有专用频谱用于SNPN （如图2SNPN 的核心网独立于PLMN ，SNPN 控制面流量和用户面流量均保持在SNPN 网络内，企业负责。
（2）方案S2：NPN 企业通过与运营商共享RAN 站进行SNPN 部署（如图3）
[10]
。在这种场景下，和PLMN 各自独立的核心网。本方案的特点是SNPN PLMN SNPN 用户提供无线接入功能是由MNO 负责，从而形成SNPN 子网。
工业机器人企业区域
工业机器人
独立频谱
工业机器人
独立频谱(NID)
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据间需加入防火墙，保证企业数据的安全。
2.3  NPN 与PLMN 互通
在某些情况下，SNPN 设备需要访问PLMN 数据，或者PLMN 用户需要访问SNPN 网络的数据，这种情况下需要SNPN 网络与PLMN 网络具备互通机制。因为这两种互通机制相互对等，下面主要介绍SNPN 用户访问PLMN 网络数据的机制，PLMN 用户访问SNPN 网络数据的机制就是反向过程。
SNPN 用户访问PLMN 网络数据的机制可根据业务
工业机器人
共享频谱
工业机器人工业机器人共享频谱
(CAD ID)
企业区域
工业机器人
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（1PLMN 数据网络和（2要访问信（SNPN 执行一个参考文献[5]
与据。当P1，需要在NPN 和UPF 如果务，如NPN 部署方
NPN 网络部署
KPI 值（例如吞吐PLMN 1）端2）跨越不同的网络NPN 网络提供NPN 和PLMN 共享PLMN 数据通过相同硬NPN
覆盖时，网络图7    NPN和PLMN互通方案
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