基于3GPP非公共網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)框架提出5G應(yīng)急通信的解決方案

引言

基于5G公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建面向區(qū)域性應(yīng)急通信專用網(wǎng)絡(luò)，滿足快捷組網(wǎng)、配置簡單、切片部署靈活、無須UE/公共網(wǎng)絡(luò)/非公共網(wǎng)絡(luò)考慮兼容性和協(xié)作性等要求，是當(dāng)前5G應(yīng)急通信解決方案總的的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有解決方案采用標(biāo)準(zhǔn)定義的非公共網(wǎng)絡(luò)(Non-Public Network，NPN)架構(gòu)，規(guī)范尚未成熟。同時(shí)，不同廠商的公共網(wǎng)絡(luò)和非公共網(wǎng)絡(luò)兼容性差，網(wǎng)絡(luò)切片規(guī)劃和參數(shù)配置較為復(fù)雜，尚無法滿足應(yīng)急通信的場景需求。

本文從分析臨時(shí)現(xiàn)場應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)和永久區(qū)域性內(nèi)部調(diào)度業(yè)務(wù)專網(wǎng)等應(yīng)急通信場景需求入手，基于3GPP非公共網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)框架，分析了其存在的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和兼容性差等不足，提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的非公共網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)方案，并就其實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1、區(qū)域應(yīng)急通信場景需求

應(yīng)急通信通常包括兩種基本類型：(1)針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被破壞時(shí)，為達(dá)到特殊通信保障需求的臨時(shí)緊急通信網(wǎng)絡(luò);(2)企業(yè)或應(yīng)急機(jī)構(gòu)構(gòu)建可以獨(dú)立管控和安全隔離的區(qū)域性業(yè)務(wù)專網(wǎng)。國家應(yīng)急管理部2018年提出打造“公?；パa(bǔ)、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。無論是臨時(shí)現(xiàn)場應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，還是永久區(qū)域性內(nèi)部調(diào)度業(yè)務(wù)專網(wǎng)等應(yīng)急通信場景，均希望能夠提供更強(qiáng)的安全可靠性和更低的建設(shè)維護(hù)成本。5G公共網(wǎng)絡(luò)與非公共網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的部署方案必將發(fā)揮重要的作用。

區(qū)域應(yīng)急通信場景主要包括：

(1)臨時(shí)性的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建場景

無論是舉行重要集會(huì)、慶?；顒?dòng)和重大賽事等人員密集場景，還是對(duì)于自然災(zāi)害導(dǎo)致公共無線通信網(wǎng)絡(luò)受損的災(zāi)害場景，通常會(huì)采用應(yīng)急通信車或室內(nèi)分布系統(tǒng)構(gòu)建區(qū)域性的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在對(duì)負(fù)責(zé)指揮調(diào)度和公共安全的現(xiàn)場專業(yè)人員進(jìn)行有效保障的同時(shí)，也存在滿足部分公眾用戶基本通信業(yè)務(wù)需求，這必然對(duì)臨時(shí)的區(qū)域性應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。從建設(shè)成本角度考慮，需要充分利用公眾網(wǎng)絡(luò)資源(傳輸和核心網(wǎng)資源)減少投入;從安全性和網(wǎng)內(nèi)資源保障的角度，需要為現(xiàn)場專業(yè)人員提供高優(yōu)先級(jí)別設(shè)置?；诠簿W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的非公共保障網(wǎng)絡(luò)將是優(yōu)選解決方案。

(2)永久性應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建場景

為了滿足企業(yè)或應(yīng)急通信行業(yè)內(nèi)部的指揮調(diào)度，需要構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部可以獨(dú)立管控和安全隔離的應(yīng)急業(yè)務(wù)專網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)需要較高的安全隔離性和較低的建設(shè)維護(hù)成本，同時(shí)一旦出現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，專網(wǎng)用戶能夠及時(shí)通過公共網(wǎng)絡(luò)保障業(yè)務(wù)連續(xù)性?；诠簿W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建臨時(shí)的非公共行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，保證兩網(wǎng)具備雙向切換能力的同時(shí)，將進(jìn)一步降低成本投入。

2、非公共網(wǎng)絡(luò)

2.1 3GPP標(biāo)準(zhǔn)方案

區(qū)別于公共網(wǎng)絡(luò)的概念，非公共網(wǎng)絡(luò)是一種為特定用戶提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)3GPP協(xié)議TS23.501 R16的定義[1-2]，非公共網(wǎng)絡(luò)主要包括兩種類型：

(1)獨(dú)立組網(wǎng)的NPN網(wǎng)絡(luò)(Standalone NPN，SNPN)，該網(wǎng)絡(luò)不依賴于公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(Public Land Mobile Network，PLMN)，由SNPN專屬運(yùn)營商運(yùn)營，不考慮與PLMN網(wǎng)絡(luò)之間的切換。

獨(dú)立組網(wǎng)的NPN網(wǎng)絡(luò)可以通過公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(PLMN Identifier，PLMN ID)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(Network Identifier，NID)共同確定一個(gè)SNPN網(wǎng)絡(luò)，訂閱SNPN服務(wù)的用戶會(huì)配置相應(yīng)的訂閱參數(shù)標(biāo)識(shí)(Subscriber Permanent Identifier，SUPI)和訂閱信息，并存儲(chǔ)在終端和核心網(wǎng)側(cè)。在初始接入和小區(qū)重選過程中，5G基站需要廣播自身支持的NID和相應(yīng)的PLMN ID信息，配置了SNPN訪問模式的用戶可以根據(jù)自己的訂閱信息選擇可接入的SNPN小區(qū)，核心網(wǎng)也可以根據(jù)用戶的訂閱信息對(duì)用戶的身份進(jìn)行鑒權(quán)。

(2)非獨(dú)立組網(wǎng)的NPN網(wǎng)絡(luò)(Public Network Integrated NPN，PNI-NPN)，該網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)運(yùn)營商運(yùn)營，可以對(duì)PLMN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訂閱，依賴于PLMN的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)PNI-NPN和PLMN網(wǎng)絡(luò)間的切換。

PNI-NPN是通過PLMN網(wǎng)絡(luò)來提供NPN服務(wù)，通常基于5G網(wǎng)絡(luò)切片的方式，通過為NPN分配一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)體來實(shí)現(xiàn)非公共網(wǎng)絡(luò)功能。在該類型網(wǎng)絡(luò)下，UE具有對(duì)PLMN網(wǎng)絡(luò)的訂閱。相應(yīng)的3GPP PNI-NPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

由于網(wǎng)絡(luò)切片不能限制終端在其未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)切片區(qū)域中嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，因此可以選擇閉合接入組(Cell Access Group，CAG)用于接入控制。CAG代表一組可以接入一個(gè)或多個(gè)CAG小區(qū)的訂閱用戶組。

CAG可以由PLMN ID和CAG ID來共同確定，啟用CAG的小區(qū)只允許簽約用戶接入。用戶在簽約CAG時(shí)會(huì)在訂閱信息中配置兩個(gè)信息：(1)可支持的接入組列表信息(Allowed CAG List)，包含可以接入的全部CAG ID;(2)該用戶是否只能通過CAG小區(qū)接入網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)(CAG-

only Indication)。

在初始接入和小區(qū)重選過程中，5G基站需要廣播自身支持的CAG ID和相應(yīng)的PLMN ID信息，未配置CAG-only Indication的CAG用戶可以根據(jù)自身Allowed CAG List選擇可接入的CAG小區(qū)，也可以選擇訂閱的公共PLMN小區(qū)接入網(wǎng)絡(luò)。配置了CAG-only indication的CAG用戶只能根據(jù)自己的Allowed CAG list選擇可接入的CAG小區(qū)接入網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)可以根據(jù)用戶訂閱信息對(duì)用戶身份進(jìn)行鑒權(quán)。

2.2 當(dāng)前方案存在不足

針對(duì)當(dāng)前3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的模型，主要存在以下方面的問題，對(duì)于應(yīng)急通信場景下過于繁瑣和復(fù)雜，且不能滿足應(yīng)急場景下達(dá)到快速應(yīng)急通信的方案：

(1)PLMN運(yùn)營商需要為NPN服務(wù)提供商提供管理NPN網(wǎng)絡(luò)切片;

(2)PLMN集成NPN需要非公共網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元融合到公共網(wǎng)絡(luò)，公共網(wǎng)絡(luò)支持選擇非公共網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元，并支持公共網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元和非公共網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元上下文同步;

(3)CAG按照小區(qū)級(jí)進(jìn)行分組，UE根據(jù)CAG策略接入到CAG對(duì)應(yīng)的基站，無論是終端用戶，還是基站與核心網(wǎng)均需要感知，部署成本較大;

(4)UE需要支持配置CAG信息，PLMN網(wǎng)絡(luò)需要感知CAG，并支持CAG廣播。PLMN網(wǎng)元需要訂閱UE CAG變化事件，并觸發(fā)配置更新流程到UE，這對(duì)于不同UE兼容性以及基站能力均提出較高要求。

3、基于網(wǎng)絡(luò)切片的改進(jìn)方案

基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的改進(jìn)方案主要思路是終端用戶通過應(yīng)急通信基站接入到PLMN公共網(wǎng)絡(luò)，基站針對(duì)用戶會(huì)話過程中提供的切片信息，檢查判斷此切片是否支持非公共網(wǎng)絡(luò)訪問。如果支持，則需要到非公共網(wǎng)絡(luò)建立會(huì)話，后續(xù)數(shù)據(jù)通過基站分流將流量導(dǎo)入到非公共網(wǎng)絡(luò)的GTP-U隧道，如圖2所示。

較之3GPP PNI-NPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，本方案優(yōu)點(diǎn)包括：

(1)PLMN網(wǎng)絡(luò)：無須任何改動(dòng);

(2)5G基站：基于會(huì)話流程交互過程，從5G應(yīng)用協(xié)議NGAP(NG Application Protocol)消息中提取切片信息，并與配置指定的切片進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配;

(3)非公共網(wǎng)絡(luò)：非公共網(wǎng)絡(luò)和5G基站之間只是增加少量消息，用于將非公共網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)應(yīng)的會(huì)話參數(shù)提供給基站。

3.1 方案框圖

整個(gè)系統(tǒng)由公共網(wǎng)絡(luò)5GC和非公共網(wǎng)絡(luò)5GC兩個(gè)核心網(wǎng)部分組成。UE通過非公共網(wǎng)絡(luò)基站接入到公共網(wǎng)絡(luò)，UE訪問不需要感知網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)DN(Data Network)的存在，由基站基于訪問切片信息決定建立到非公共網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)會(huì)話。非公共網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)起到非公共網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話建立成功，上行數(shù)據(jù)通過基站分流重定向到非公共網(wǎng)絡(luò)、下行數(shù)據(jù)通過DN端的路由器分流到非公共網(wǎng)絡(luò)。

3.2 切片規(guī)劃

公共網(wǎng)絡(luò)需要為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱(Data Network Name，DNN)分配切片，非公共網(wǎng)絡(luò)需要為DNN分配切片。公共網(wǎng)絡(luò)和非公共網(wǎng)絡(luò)對(duì)于同一DNN切片ID相同，根據(jù)配置部署支持多個(gè)切片對(duì)應(yīng)一個(gè)DN。

基站連接的公共網(wǎng)絡(luò)和非公共網(wǎng)絡(luò)，基站側(cè)處理會(huì)話時(shí)如果切片一致則說明該切片流量可以導(dǎo)入非公共網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 配置規(guī)則

(1)非公共網(wǎng)絡(luò)RAN配置

配置命令：ran npn endpointor x.x.x.x配置非公共網(wǎng)絡(luò)AMF關(guān)聯(lián)，用于匹配非公共網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，從該地址收到的報(bào)文說明來自于非公共網(wǎng)絡(luò)。

(2)非公共網(wǎng)絡(luò)5G核心網(wǎng)配置

配置切片、DNN、會(huì)話和服務(wù)連續(xù)(Session and Service Continuity，SSC)模式用于提供給基站，基站建立非公共網(wǎng)絡(luò)PDU會(huì)話時(shí)用這些信息構(gòu)建會(huì)話建立消息。

配置非公共網(wǎng)絡(luò)支持的不同跟蹤區(qū)(Trace Areas，TAs)，新增消息NG NPN SETUP通過響應(yīng)消息帶給基站側(cè)，可以基于TA的粒度，限制用戶通過非公共網(wǎng)絡(luò)訪問DN。

3.4 新增消息

(1)NG NPN SETUP消息

此消息用于組網(wǎng)配置階段和運(yùn)行過程中非公共網(wǎng)絡(luò)配置修改，非公共網(wǎng)絡(luò)向基站提供支持的切片信息，如圖3所示。例如：一個(gè)切片對(duì)應(yīng)的DNN和SSC模式以及非公共網(wǎng)絡(luò)支持的TA列表。

當(dāng)收到NG設(shè)置響應(yīng)消息，如果是收到來自配置指定的npn endpoint，提取npn網(wǎng)絡(luò)提供的切片信息、DNN，建立切片上下文關(guān)聯(lián)到非公共網(wǎng)絡(luò)AMF網(wǎng)元[3]。

(2)NG NPN UE CONFIGURE UPDATE

用于向非公共網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)提供UE信息，公共網(wǎng)絡(luò)分配的5G-S-TMSI標(biāo)識(shí)[4]。尋呼流程中基于5G-S-TMSI標(biāo)識(shí)，需要將該標(biāo)識(shí)通過私有消息提供給非公共網(wǎng)絡(luò)，基站需要提取并發(fā)送NG NPN UE CONFIGURE UPDATE消息帶給非公共網(wǎng)絡(luò)的接入移動(dòng)管理功能網(wǎng)元(Access and Mobility Management Function，AMF)[5]，如圖4所示。

當(dāng)非公共網(wǎng)絡(luò)收到更新消息，建立UE與切片之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.5 基站消息

(1)UE RRC設(shè)置

RRCSetupComplete消息將UE的5G-S-TMSI和支持的S-NSSAI帶給基站，后續(xù)基站尋呼策略基于5G-S-TMSI?；拘枰獙M足切片的5G-S-TMSI通知到非公共網(wǎng)絡(luò)，用于非公共網(wǎng)絡(luò)建立用戶和切片的關(guān)系。

(2)會(huì)話創(chuàng)建

在會(huì)話建立過程，用戶按照標(biāo)準(zhǔn)流程到公共網(wǎng)絡(luò)建立PDU會(huì)話，如果此會(huì)話對(duì)應(yīng)的切片支持非公共網(wǎng)絡(luò)訪問(NG NPN SETUP消息RAN和NPN協(xié)商支持非公共網(wǎng)絡(luò)訪問)，則由基站單獨(dú)向非公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)起PDU會(huì)話建立流程;否則不需要建立到非公共網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話[6-7]。會(huì)話建立改動(dòng)點(diǎn)還是在基站，UE和核心網(wǎng)都不感知也不需要改動(dòng)。到非公共網(wǎng)絡(luò)成功建立會(huì)話設(shè)置標(biāo)記(設(shè)置flags)。

(3)會(huì)話修改

會(huì)話修改過程中，終端用戶按照標(biāo)準(zhǔn)流程到公共網(wǎng)絡(luò)修改PDU會(huì)話，如果此會(huì)話對(duì)應(yīng)的切片已經(jīng)在非公共網(wǎng)絡(luò)建立會(huì)話，則由基站單獨(dú)向非公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)起PDU會(huì)話修改流程;否則不需要到非公共網(wǎng)絡(luò)修改會(huì)話。

(4)會(huì)話釋放

UE發(fā)起的釋放流程同建立流程類似，需要先釋放公共網(wǎng)絡(luò)側(cè)的會(huì)話，在基站收到消息時(shí)根據(jù)會(huì)話ID找到PDU會(huì)話上下文，判斷是否支持非公共網(wǎng)絡(luò)訪問，如果支持則向非公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)起會(huì)話釋放流程。

(5)基站切換

由于非公共網(wǎng)絡(luò)本身基于邊緣部署，為了體現(xiàn)非公共網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，非公共網(wǎng)絡(luò)不會(huì)涉及跨非公共網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)切換，跨網(wǎng)絡(luò)的場景通過公共網(wǎng)絡(luò)訪問即可。同時(shí)，針對(duì)5G N2接口切換暫不考慮。對(duì)于邊緣非公共網(wǎng)絡(luò)的AMF和5G核心網(wǎng)的會(huì)話管理網(wǎng)元(SMF)既可以滿足控制面管理需求，也可以支持多UPF。

(6)網(wǎng)絡(luò)側(cè)尋呼

公共網(wǎng)絡(luò)側(cè)觸發(fā)的尋呼按照標(biāo)準(zhǔn)流程[8]，如果涉及會(huì)話建立參考本節(jié)(1)說明。

如果非公共網(wǎng)絡(luò)側(cè)下行數(shù)據(jù)觸發(fā)的尋呼，根據(jù)基站側(cè)記錄的TMSI，提取尋呼paging消息中的UE信息，然后根據(jù)其UE上下文中記錄的TA list向下發(fā)起尋呼[9]。后續(xù)尋呼流程觸發(fā)的服務(wù)請(qǐng)求經(jīng)公共網(wǎng)絡(luò)激活會(huì)話后，再經(jīng)過非公共網(wǎng)絡(luò)激活。

3.6 流量轉(zhuǎn)發(fā)

3.6.1上行數(shù)據(jù)

上行流量到達(dá)基站后，針對(duì)該條PDU會(huì)話判斷是否支持非公共網(wǎng)絡(luò)訪問，如果支持則采用非公共網(wǎng)絡(luò)GTP隧道封裝并發(fā)送到非公共網(wǎng)絡(luò)UPF。

非公共網(wǎng)絡(luò)UPF收到第一個(gè)包，提取到內(nèi)層的UE IP地址，并設(shè)置UE IP對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)表(Forwarding Information Base，F(xiàn)IB)，F(xiàn)IB關(guān)聯(lián)到GTP-U隧道(提供下行查表并關(guān)聯(lián)到隧道)，如圖5所示。

3.6.2 下行數(shù)據(jù)

當(dāng)DN連接到承載網(wǎng)時(shí)，支持通過公共網(wǎng)絡(luò)訪問的場景，需要考慮下行數(shù)據(jù)如何分流的問題，組網(wǎng)場景如圖6所示。

對(duì)于下行數(shù)據(jù)，本地DN需要通過路由器控制分流，路由器配置默認(rèn)路由控制，未在非公共網(wǎng)絡(luò)建立的PDU會(huì)話、已在非公共網(wǎng)絡(luò)建立的PDU會(huì)話需要通過非公共網(wǎng)絡(luò)UPF聯(lián)動(dòng)路由策略[5，10]。當(dāng)會(huì)話建立成功后，非公共網(wǎng)絡(luò)通過UE IP地址生成一個(gè)靜態(tài)路由，并通過開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First，OSPF)路由重分發(fā)通告到路由器。會(huì)話刪除需要聯(lián)動(dòng)刪除靜態(tài)路由，并通過OSPF路由重分發(fā)通告到路由器。

路由器流量選擇策略，如果有OSPF路由優(yōu)先采用OSPF路由轉(zhuǎn)發(fā)(到非公共網(wǎng)絡(luò))，否則按照默認(rèn)路由送到公共網(wǎng)絡(luò)。

4、結(jié)論

本文從區(qū)域性應(yīng)急通信場景需求分析入手，針對(duì)3GPP非公共網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的不足，提出了基于切片技術(shù)改進(jìn)方案。該方案基于5G公共網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口，通過網(wǎng)絡(luò)切片分流屏蔽不同廠商之間的接口協(xié)議，規(guī)避了公共網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)和UE對(duì)非公共網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜感知，具有兼容性強(qiáng)、部署成本低和快捷簡單的優(yōu)勢(shì)。

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