非公用网络在工业互联网中的部署方案探讨

材料、控制系统、信息系统、产品及人之间的网络互联。

工业互联网的网络连接离不开各类通信技术。目前，工业领域中使用的绝大多数通信技术仍然是有线技术，包括各种专用工业以太网技术和现场总线技术。在一些特殊的工业场景下，移动网络技术可以以其良好的移动性成为有线技术的重要补充。随着5G技术标准的不断推进与发展，工业互联网可以将5G技术作为通信和连接的手段，借助5G技术的发展浪潮，推动无线技术在工业互联网中更加广泛的应用。5G将成为工业互联网业务的重要技术支撑[1]。

NPN（Non-public Network，非公用网络）在3GPP Release 16中作为Vertical LAN（Vertical Local Area Network，垂直局域网）中的研究内容，提供了两种部署方式：SNPN（Standalone NPN，独立NPN）和PNI-NPN（Public network

integrated NPN，公共网络集成NPN）。NPN可以和工业互联网进行很好的融合，不管是SNPN还是PNI-NPN，都可以实现端到端的资源隔离，为垂直行业提供专属接入网络，保障垂直行业客户资源独享。同时NPN可以为LAN服务提供支持，可以满足一些企业、住宅、学校等对于可靠且稳定的私有网络的需求。本文主要探讨NPN在工业互联网中的部署方案[2]。NPN网络为终端提供业务示例如图1所示：

1   NPN概述

NPN通常只供企业等私有实体使用，可以利用虚拟和物理实体将NPN部署在各种配置中。具体来说，NPN可以部署为完全独立的网络，即SNPN，或由PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络）承载，也可以作为PLMN的切片，即PNI-NPN。尽管PLMN覆盖在相同的地理区域，一些企业终端也只允许访问企业的非公用网络。而其他企业终端可访问NPN和被允许的PLMN。同时，还要保证NPN和PLMN之间的服务连续性[3]。

1.1  SNPN

首先，由PLMN ID和NID（Network Identifier，网络标识符）可以确定一个SNPN网络，比如可以使用PLMN ID+NID的方式来作为一个SNPN网络的标识，签约了某一SNPN业务的用户会配置相应的SUPI（Subscriber Permanent Identifier，用户永久标识符）和签约信息，存储在终端和核心网侧。

一个签约了SNPN业务的用户需要支持SNPN access mode（SNPN接入模式），配置为SNPN access mode的用户只能通过SNPN接入网络，未配置为SNPN access mode的用户可以执行PLMN选择流程。其中SNPN access mode的配置方式（激活、去激活等）由终端来实现。

在初始接入和小区重选过程中，NG-RAN node（Next Generation Radio Access Network node，下一代无线接入网节点）需要广播自身支持的NID和相应的PLMN ID信息（每个NG-RAN node最多广播12个NID），配置了SNPN access mode的用户可以根据自己的签约信息选择可接入的SNPN小区，核心网也可以根据用户的签约信息对用户的身份进行认证。

由于SNPN不依赖PLMN的网络功能，因此不支持SNPN和PLMN網络间的切换。用户可以以N3IWF（Non-3GPP Inter Working Function，非3GPP互操作功能）的方式通过SNPN接入PLMN业务或通过PLMN接入NPN业务[4]。

如图2所示，当UE在SNPN的NG-RAN覆盖范围内，为了接入PLMN业务，UE获取IP连接，在PLMN的N3IWF发现和建立连接。如图3所示，当UE在PLMN的NG-RAN覆盖范围内，为了接入NPN业务，UE获取IP连接，在SNPN的N3IWF发现和建立连接。图2和图3中，各个网络功能分别为：AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）、UPF（User Plane Function，用户面功能）和DN（Data Network，数据网络）。

1.2  PNI-NPN

PNI-NPN是通过PLMN网络来提供NPN服务，例如通过为NPN分配一个或多个网络切片实体来实现非公用网络功能。在该类型网络下，UE同样签约PLMN网络。

由于网络切片不能限制终端在其未授权的网络切片区域中尝试接入网络，因此可以选择CAG（Cell Access Group，闭合接入组）用于接入控制。CAG代表一组可以接入一个或多个CAG小区的签约用户组。

首先，可以由PLMN ID和CAG ID来确定一个CAG，用户和CAG的关系与签约类似，启用了CAG的小区只允许签约用户接入。用户在签约CAG时会在签约信息中配置两个信息，一个是该用户的Allowed CAG list（支持的CAG列表），该列表存储当前用户所能接入的全部CAG小区的ID，另一个是该用户是否只能通过CAG小区接入网络的CAG-only indication（CAG唯一标识），配置了该标识的用户只能通过CAG小区接入网络。

在初始接入和小区重选过程中，NG-RAN node需要广播自身支持的CAG ID和相应的PLMN ID信息（每个NG-RAN node最多广播12个CAG ID），未配置CAG-only indication的CAG用户可以根据自己的Allowed CAG list选择可接入的CAG小区，也可以选择签约的公共PLMN小区接入网络。配置了CAG-only indication的CAG用户只能根据自己的Allowed CAG list选择可接入的CAG小区接入网络。核心网可以根据用户的签约信息对用户的身份进行鉴权。

由于PNI-NPN依赖于PLMN的网络功能，因此对于未配置CAG-only indication的用户，支持PNI-NPN和PLMN网络间的切换。其中从CAG小区到PLMN小区的切换需要基站或者核心网确认用户是否配置了CAG-only indication。从PLMN小区到CAG小区的切换需要基站或者核心网判断目标基站的CAG ID是否在用户的Allowed CAG list中。

2   NPN在工业互联网中的部署方案

2.1  SNPN（独立部署）

在此场景下，NPN部署为一个独立的网络。如图4所示，所有的网络功能在逻辑区域内（如工厂范围），同时NPN与公共网络相互隔离。NPN和公共网络唯一的通信路径是通过防火墙。防火墙是一个定义明确的、可识别的分界点[5]，由该分界点，OT（Operational Technology，运营技术）公司对运营NPN和所有业务属性负唯一责任。SNPN网络部署可看作为区域性的PLMN，核心网和基站都是独立部署。

2.2  PNI-NPN部署

（1）共享RAN（Radio Access Network，無线接入网）

在此场景中，NPN和公共网络共享部分RAN，而其他网络功能仍隔离。所有与NPN流量相关的数据流都在逻辑区域内（例如工厂内），用户访问公共网络的流量都传输到公共网络。图5为在定义范围内共享RAN的部署方式：

（2）共享RAN和CP（Control Plane，控制面）

在此场景中，NPN和公共网络在定义范围内共享RAN，网络控制任务都在公共网络中完成。同样地，所有访问NPN的流量仍在NPN的逻辑范围内，访问公共网络的流量传到公共网络。此方案可以通过网络切片的方式实现，即通过建立一个共享物理设施的逻辑上的独立网络。公共网络和NPN的隔离是通过采用不同的网络切片标识符实现的，此方案也可通过DNN（Data Network Name，接入点名称）来实现，DNN指示最终目标网络（流量路由到哪里）来区分不同流量。图6为工厂RAN的共享基站及共享控制面的部署示意图：

（3）由公共网络托管的NPN

如图7所示，此场景中通过云环境中的虚拟化网络功能来实现。该场景可通过网络切片或DNN功能实现。该部署方案中NPN签约用户也是公共网络签约用户，因为所有数据都通过公共网络路由，所以当NPN和公共网络运营商有协议时，就可以很容易接入公共网络业务和漫游。

2.3  部署方案分析

表1中从几个方面对比了SNPN和PNI-NPN的各优劣势，总体来说，SNPN独立性更强，但部署成本上也会更高，PNI-NPN灵活性更好，且部署和运营成本也更低。NPN可以由运营商来部署，也可以由大型企业部署并管理。运营商在部署NPN上有资源优势，可以依赖现有PLMN网络资源，如在5G SA网络的基础上利用切片等技术部署NPN。对于PNI-NPN的三个方案，方案二和方案三都可通过切片的形式部署，且NPN的签约用户也同时签约了PLMN网络，方案一中，NPN和PLMN需要达成RAN共享的协议。

在3GPP Release 17中，eNPN将作为独立研究课题进一步研究SNPN的第三方认证，增强用于NPN的5GS以支持视听内容制作和支持如业务连续性等业务需求，考虑不同部署场景，例如，当NPN在PLMN的支持下部署和管理时，或当NPN针对不同覆盖和设备密度部署时，研究5G的定制化或优化，未来NPN将在5G网络下更好地服务于垂直行业。

3   结束语

5G与前几代蜂窝网络的主要区别之一在于，5G非常注重机器通信和IoT（Internet of Things，物联网），因此，随着数据速率的不断提高，5G的能力远远超出了移动宽带业务需求。特别是5G支持前所未有的可靠性和低时延通信，以及大规模的物联网连接，这为许多不同的垂直领域，包括汽车、医疗保健、农业、能源和制造业，为许多新的场景和应用提供了方法。NPN作为在5G的研究方向之一，可用在工厂、学校、企业等各个领域，并且可以按需部署，既可以满足不同行业的QoS（Quality of Service，服务质量）需求，又保证了企业网络的独立性、私密性和安全性，未来会广泛应用于各个垂直场景中。

参考文献：

[1]     工业互联网产业联盟. 工业互联网体系架构[R]. 2016.

[2]      3GPP. 3GPP TR 23.734 V16.2.0： 3rd Generation Partnership  Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on enhancement of 5G System （5GS） for vertical and Local Area Network （LAN） services （Release 16）[S]. 2019.

[3]    3GPP. 3GPP TS 22.261 V16.8.0： 3rd Generation Partner-ship Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Service requirements for the 5G system; Stage 1 （Release 16）[S]. 2019.

[4]    3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.2.0： 3rd Generation Partner-ship Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System; Stage 2 （Release 16）[S]. 2019.

[5]    5G Alliance for Connected Industries and Automation. White Paper on 5G Non-Public Networks for Industrial Scenarios[R]. 2019.

作者簡介

孙悦（orcid.org/0000-0001-8688-6890）：移动通信核心网技术员，硕士毕业于哈尔滨工业大学，现任职于中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院移动通信研究所，主要研究方向为工业互联网相关核心网技术及其标准化。

龙彪：工程师，硕士毕业于华南理工大学通信与信息系统专业，现任中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院移动通信研究所标准副总监，主要研究方向为移动通信网络架构、关键技术及其标准化。

王庆扬：高级通信工程师，博士毕业于华南理工大学电信学院，现任中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院移动通信研究所所长，主要研究方向为移动通信系统的关键技术及应用、移动网络规划和优化。

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