【2022年第8期】5G行业虚拟专网驱动应用规模化发展
5G行业虚拟专网是基于公网优化形成的面向行业服务的专用虚拟网络。通过研究5G行业虚拟专网的演进过程、组网架构和技术与产业现状，为5G行业融合应用发展提供参考，助力5G应用规模化发展。主要从政策与产业两个方面研究分析驱动5G行业虚拟专网发展的背景。在5G行业虚拟专网的演进过程方面，依据行业数据保护、业务承载及网络管理等需求，5G行业虚拟专网1.0形成三种面向2B的新型组网架构；依据行业原有信息系统架构、业务承载和安全接入要求，形成了面向特定行业的5G行业虚拟专网2.0，通过构建端到端SLA传输要求，可保障各类业务的安全、稳定传输。在技术及产业现状方面，通过跟踪最新标准进展、技术探讨研究以及产业探索，发现目前我国已形成5G行业虚拟专网政策、技术、产业多维度协同推动的良好局面。
5G技术凭借大带宽、低时延、高可靠等特性，正成为行业数字化转型的关键使能技术，面对各行业需求差异化、运维自主化等需求，5G行业虚拟专网以提供差异化、可部分自主运营、高安全、低成本等独特优势，赋能行业应用创新、落地及规模复制。本文首先从政策与产业两方面，分析驱动5G行业虚拟专网发展的背景；然后从行业需求出发，探究5G行业虚拟专网的演进过程；最后通过跟踪最新标准进展、技术探讨研究及产业探索，研究5G行业虚拟专网的技术及产业现状。
随着5G与千行百业融合应用的不断加深，5G承载的业务也逐步从辅助性业务走向核心业务，5G与行业原有的信息化基础设施逐渐融合，形成新的行业信息化基础设施。在融合的过程中，原有面向消费者用户所形成的“集中建设、集中运维、集中部署、统一配置”的5G网络建设、运营模式等已不足以满足行业的需求。行业用户提出数据不出园、网络资源专享、网络自运维、安全性保障及网络使用低价化等诉求，都驱动5G网络在网络部署架构、系统配置、建设模式、运维管理模式等发生改变，从而形成5G行业虚拟专网。
5G行业虚拟专网是指基于5G公网向行业用户更好的提供的能满足其业务及安全需求的高质量专用虚拟网络，是为行业用户更好的提供差异化、可部分自主运营等网络服务的核心载体。5G行业虚拟专网的优势包括两个方面：一是基于运营商授权频段，可以复用公网产业链，网络建设成本降低；二是按照每个用户需求进行弹性组网，利用虚拟化核心网下沉至园区、核心网组件裁剪、基站同公网基站复用等多种形式，满足企业节省本金或本地化自运维自管理等诉求。
2020年3月，中国工业与信息化部印发《关于推动5G加快发展的通知》，首次明白准确地提出“组织并且开展5G行业虚拟专网研究和试点，打通标准、技术、应用、部署等关键环节”，成为推动5G行业虚拟专网发展的首份国家级政策文件。2021年7月，中国工业与信息化部联合九部门共同发布了《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，明白准确地提出“建成超过3 000个5G行业虚拟专网”。2021年11月，中国工业与信息化部印发《“十四五”信息通信行业发展规划》，将5G虚拟专网作为重要发展指标，明确到2025年网络数量要达到5 000个。
在政策和产业一同推动下，全国5G行业虚拟专网的建设数量持续迅速增加，截至2022年5月，5G行业虚拟专网超过5 325个。此外，在第四届“绽放杯”5G应用征集大赛的参赛项目中，超过47%的项目明白准确地提出使用了5G行业虚拟专网部署模式，涵盖了工业、能源、医疗、港口、车联网、教育、智慧城市、媒体、文旅、农业等行业领域，覆盖全部参赛的32个省/直辖市/自治区/特别行政区。
5G行业虚拟专网1.0阶段是实现5G网络从2C向2B转变，解决公网5G定制化成本高、行业融合难度高、企业自主运营需求高的“三高”难题。传统5G网络是面向消费者进行的网络规划设计，主要是采用核心网集中式大区部署、高容量/高价格的核心网设备、运营商独立运营运维、“尽力而为”的独立的网络服务。该方式不足以满足行业数据安全、自主运维、低成本网络使用需求。
5G行业虚拟专网根据行业业务特征、安全和管理需求，提出园区业务和广域业务这两种5G行业虚拟专网网络架构，并构建了对外能力服务平台，如图1所示：
面向园区5G行业虚拟专网实现5G部分核心网网元如UPF（User Plane Function，用户面功能）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）等下沉至企业园区，打破了2C网络核心网集中式部署的模式。其大致上可以分为用户面UPF下沉模式和核心网下沉模式，具体如下：
（1）UPF下沉模式是通过用户面UPF下沉至园区，实现行业业务数据不出园区；利用网络切片、DNN（Data Network Name，数据网络名称）、ULCL（Uplink Classifier，上行分类器）等本地分流技术，实现企业业务与公网业务的隔离，同时缩短业务传输路径，极大地保障行业数据安全和业务体验。
（2）核心网下沉模式是将UPF和部分核心网控制网元如AMF（Authentication Management Function，认证管理功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）等下沉至园区，为公司可以提供用户数据和信令两个层面的数据隔离，以提供更高的安全性，同时还保障运营商公网出现一些明显的异常问题时下沉的5G网络能够自主运行，保障服务。
面向广域的5G行业虚拟专网利用网络切片、物理资源预留等技术对行业业务进行隔离，保证行业业务的安全性和业务承载能力。其大致上可以分为网络资源共享、物理资源独享两种模式，具体如下：
（1）网络资源共享模式是各行业用户使用运营商5G公网的网络资源，行业用户通过逻辑专用切片实现核心网控制面资源的虚拟专用，用户面网元UPF则能够准确的通过是否虚拟化分为虚拟专用或者物理专用。
（2）物理资源独享模式是行业企业用户使用运营商提供的物理隔离的专用切片方式来满足业务传输需求，核心网控制面物理资源独享，用户面网元UPF则能够准确的通过是否虚拟化分为虚拟专用或者物理专用，实现业务流量隔离。物理资源独享模式如图2所示。
由于行业原有信息化系统和业务需求的差异性，5G网络本身没办法实现通用化的使用。“价值最大化、融合可控、安全保障”三大要素驱动5G网络与行业现有信息化基础进行定制化的融合，使5G行业虚拟专网从通用化1.0走向定制化2.0。5G虚拟专网2.0阶段的重大特征是以行业自主需求为主导，以行业现有信息化基础设施为依托，实现各行业网络部署方案、端到端SLA（Service Level Agreement，服务级别协议）保障、安全机制、运维模式的定制化，形成重点行业定制化的5G网络模板。目前演进主要从以下三个方面进行：
（1）面向钢铁、电力、矿山等重点行业，研究制定5G行业虚拟专网网络模板。根据不一样的行业业务承载需求和原有业务框架，按照“行业业务框架改变小、网络承载业务确定性高”两大原则构建行业定制5G行业虚拟专网网络模板，包括行业专属部署架构、端到端SLA能力等。企业业务框架“改变小”是依据行业现存业务网络架构和业务流程，构建行业5G融合架构，实现5G网络“即插即用”，尽量不改变行业企业现存业务架构及流程；网络确定性高是根据行业业务承载需求，运营商提供5G端到端确定性能力，保障业务承载的可靠性。电力5G网络模板是根据电力生产控制大区及信息管理大区等原有信息部署构建统一的网络架构。在电力生产控制大区，采用UPF专享、RB资源预留等构建近似物理隔离的业务传输通道；在信息管理大区，采用共享UPF、ULCL分流等策略，构建逻辑隔离的传输通道。面向电力5G虚拟专网网络模板如图3所示。
（2）依据行业原有安全体系、架构及要求，结合行业5G融合组网架构，建立行业5G安全保障模板。不一样的行业本身的安全保障原则和安全架构也不同，5G与其融合时需要尽可能保障行业原有安全架构不做改变，依据行业原有安全体系及需求，以行业安全视角规定5G一定要满足实现的整体安全保障能力，将5G安全能力“拼积木”以满足行业安全要求。比如，电力网络安全需要满足“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”十六字方针，5G在接入其I/II区控制区业务时，必须接入其安全隔离区，需要采用网络物理资源专用、二次认证鉴权、终端业务层加密等安全机制和能力。
（3）以5G服务能力平台为基础，探索运营运维新模式。5G服务能力平台是集中运营商5G网络IT能力、网管能力、切片管理能力等，通过标准API接口将能力提供给企业，实现企业对5G网络自主开卡、自主运维和运营。由于不一样的行业企业自身的运维能力、网络管理需求不同，企业可自主选择“运营运维套餐”，与运营商商讨对5G网络采用不一样的运营运维界面，满足自身定制化运营运维需求。对于大规模的公司“高配置套餐”，企业拥有更多运营运维权，运营商更多的是配合运维；对于中小型企业“低配置套餐”，运营商负责大部分运营运维。行业公司能够利用或新建信息化管理平台与运营商提供的5G能力服务平台对接，提取能力服务平台的网络能力和数据，构建自身业务和5G网络融合管理体系，如图4所示。
在我国工业与信息化部的指导下，5G应用产业方阵于2020年初成立5G行业虚拟专网工作组，成员包括中国信通院、三大运营商、华为、中兴、展锐等ICT企业和国家电网、南方电网、宝信软件、长虹等OT领域的30多家企业，重点开展5G行业虚拟专网关键技术探讨研究、标准制定和产业化推动工作。工作组在业界首先提出5G行业虚拟专网网络部署架构，并于2020年7月“2020中国互联网大会——5G生态论坛”上，对外发布了《5G行业虚拟专网网络架构白皮书》。同时，工作组还构建了5G行业虚拟专网通用性标准体系、行业定制化标准体系，建立了重点行业标准化落地体系。
在标准制定方面，积极发挥中国通信标准化协会、5G应用产业方阵等组织的作用，推进与电力、钢铁、矿山等行业标准化组织的跨行业合作，探索标准互认机制，制定重点行业的特色5G虚拟专网网络模板标准。目前已立项行业及联盟标准10多项，行业定制化5G网络模板标准已拓展到电力、钢铁、矿山、汽车制造及石化行业。5G行业虚拟专网系列标准包括如下：
在标准推广落地方面，构建了电力和石化“标准制定+试验外场”的标准验证体系。在电力方面，中国信通院和国网山东电力、国网信产集团、南瑞、智芯、中国联通、华为、中兴等产业各方联合成立电力5G标准验证外场实验室，组成标准制定及测试验证等工作组，开展电力5G虚拟专网的端到端测试验证，目前已初步完成外场系统搭建，形成电力5G虚拟专网测试规范企业标准草案，构建了标准验证的外场测试方案。在石化方面，中国信通院与中国石化总部联合三大运营商、华为、中兴等设备商以及展锐等芯片商等联合成立5G应用标准推进组，联合开展石化5G虚拟专网企业标准的推进工作，并筹划在燕山石化构建石化5G标准验证外场。
在推进试点示范和规模商用进程方面，我国发改委和工信部联合组织实施“宽带网络和5G领域”2020～2022新型基础设施建设工程中，设置5G行业虚拟专网项目，支持企业在数据本地化、用户管理和网络监控自主化等重点方面开展研究及试点，形成可复制、可推广的模式。三大运营商也积极开展5G行业虚拟专网的推动工作，对外发布了5G行业虚拟专网白皮书，形成各自行业服务品牌，并在各种项目中积极地推进虚拟专网的落地。
在产业方面，5G与行业融合催生出与原有消费领域5G产业存在一定的差异的生态，出现5G行业虚拟专网新型产品。华为、中兴等企业也都纷纷研发了满足行业需求的网络产品，包括矿山行业的5G隔爆基站、电力行业的5G高精度授时基站、物流行业的5G高精度定位基站等，满足千行百业在特殊环境及特殊应用需求下的设备增强要求。在产业推广方面，2022年举办第五届“绽放杯”5G应用征集大赛行业虚拟专网专题赛，以“5G领航·扬帆未来”为主题，旨在加强5G虚拟专网产业融合对接，促进跨行业合作，推动技术与产业深度融合。
5G行业虚拟专网具有网络覆盖定制化、安全性高、性能精准优化、运维管理自主化等优势，能满足多种行业、不同规模企业的不同应用需求，其产业生态也最大限度复用了公网产业链，并形成自己特色的产业生态。5G行业虚拟专网在重点行业的可行性已得到普遍验证，典型应用场景和需求逐步明确，逐渐转入到规模化复制推广阶段。目前，5G行业虚拟专网将持续重点推进从1.0向2.0的迈进，由通用性虚拟专网向各行业定制虚拟专网演进，后续将和行业标准化组织及产业界一起开展标准制定、落地验证工作，并在电力、石化、汽车制造等重点行业领域实现规模性复制拓展。
[2]工信部印发《“十四五”信息通信行业发展规划》[J]. 人机一体化智能系统, 2021(6): 7.
[3]中国信息通信研究院,5G应用产业方阵（5GAIA）,IMT-2020（5G）推进组. 5G应用创新发展白皮书——2021年第四届“绽放杯”5G应用征集大赛洞察[R]. 2021.
[19]工信部：推动5G加快发展 开展行业虚拟专网研究和试点[J]. 军民两用技术与产品, 2020(4): 6.
王志勤：教授级高级工程师，博士，现任中国信息通信研究院副院长、中国通信标准化协会无线技术委员会主席、中国通信协会无线与移动技术委员会副主任、中国IMT-2020(5G)推进组组长，主要研究方向为无线移动通信技术和标准。
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