基于5G+MEC的电站行业专网部署方案研究

Posted 2022-12-19 边缘计算社区

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于5G+MEC的电站行业专网部署方案研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要

随着5G正式商用以及新基建对5G应用的大力推进，5G正快速融入工业、能源、医疗等各行各业，成为推动实体经济数字化、网络化、智能化转型升级的关键驱动。主要研究5G专网在发电站领域的部署方案，探讨如何将5G技术应用于电站生产、运维各环节，助力智慧电站建设。

引言

随着“云、大、物、移、智”等先进技术迅猛发展，电站运行、维护、检修、安防、监测等工作均向着智能化发展，电站各业务场景对无线网络覆盖需求迫切，对无线网络质量、时延、带宽、数据保密性、网络控制权等提出了更高要求。5G技术作为新一代通信技术，其大带宽、低时延、大连接特征契合了电站的通信需求。运营商可根据行业用户的特定需求提供定制化的5G专网服务，在业务安全、数据隔离、网络覆盖、传输带宽与时延等方面为行业用户提供网络保障。当前5G专网已成为行业数字化转型新引擎，部署5G专网成为企业拓展生产效能、提速数字化转型的必要手段。

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需求分析

电站5G专网建设应满足业务需求，在安全管理上，5G专网应满足电站专属专用，提供可靠的业务隔离和业务质量保障，能在接入安全、数据传输安全、数据防泄露安全、恶意攻击抵御等方面提供全方位的防护能力；在网络运营上，电站对5G专网有一定的自配置、自管理能力；在网络可靠性上，5G专网应具备容灾安全保障，具备硬件备份、链路容灾及网元级容灾等不同程度的网络容灾保障，在网络单点故障情况下保障业务连续性。针对水电站高湿环境，基站设备需采用防潮防水措施。

如图1所示，智慧电站+5G典型应用场景涉及生产控制、智能巡检、智能运维和安全应急4大类。针对不同的业务场景，5G专网需提供差异化的网络能力，例如在视频监控类场景下需要保障高带宽、高吞吐量，智能移动巡检场景下的网络需要有较强的移动切换能力，数据采集类场景下需提供海量设备连接的能力，控制类场景要求的网络时延可达到毫秒级别。

图1 智慧电站基于5G典型应用场景

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电站5G专网建设方案

2.1 5G专网建设内容

如图2所示，5G专网建设涉及的网元主要包含5G基站、传送网、核心网控制面转发设备和核心网数据面转发设备4个，信令的传输存在于各网元之间，确保网络安全、可靠、稳定地运行；数据的传输存在于基站、传送设备和核心网-数据面（UPF）之间，是传送终端和园区内网之间应用数据传输的高速公路。

图2 5G专网建设内容

在5G网络中，各个网元的主要功能如下。

a）核心网-控制面。包括AMF、SMF等网元，是5G网络的指挥枢纽，通过信令的交互，完成终端接入鉴权、安全管理、移动性管理、会话管理、用户数据管理和策略管理等，确保网络安全、可靠、稳定地运行。

b）核心网-数据面。主要是指UPF网元，是5G网络对外的数据出口，所有基站上的5G数据通过GTPU隧道送到UPF，在UPF上进行转发。UPF的部署位置决定了数据的出口位置，如部署在园区内部，则可确保应用数据不出园区，在园区内部闭环。

c）传送网。连接5G基站和核心网的传输设备，内部通过切片方式确保数据之间的隔离。

d）5G基站。5G无线信号收发设备，辐射5G无线信号实现数据的无线传输，同时将空口接收的数据通过GTP隧道发送到UPF，5G基站与UPF之间可采用IPSec进行加密，5G基站不对数据进行任何解析。

2.2 5G专网组网模式

根据国家政策，现阶段企业不具备自建5G专网条件，5G专网由运营商为企业提供。运营商推出的5G专网模式有公网公用模式、公网专用模式和专网专用模式3种，其在不同运营商的名称虽然不同，但网络技术实质没有差别。各通信运营商专网名称见表1。

表1 通信运营商5G专网模式分析

a）公网公用模式。基于运营商提供的面向公众的无线资源，通过QoS、切片等手段实现业务隔离，为企业提供逻辑专用网络。可满足企业对特定网络速率、时延及可靠性的优先保障需求。此模式下企业只需提出高优先级QoS或切片需求，无需进行网络建设。

b）公网专用模式。运营商提供专用无线网络，通过边缘计算技术实现本地业务处理，满足业务数据本地卸载、超低时延、高可靠性等需求。该模式下核心网用户面网元UPF为企业专用部署，无线基站和传输网可采用企业专用部署或共享运营商公网资源2种方式，核心网控制面网元复用运营商2B核心网控制面。

c）专网专用模式。从无线基站、传输网到核心网用户面与控制面均专用部署，与公网完全隔离，公网业务的变化不会影响专网数据传输质量，形成物理上高度封闭的行业应用专网。该模式下网络建设成本最高。

2.3 电站5G专网方案

结合电站需求、网络建设成本以及运营商提供的专网模式，电站5G专网优先采用混合专网模式。如图3所示，在电站内部署专用的核心网用户面网元MEC（UPF+MEP）、无线基站及传输网，核心网控制面网元复用运营商核心网控制面。通过边缘计算等技术进行业务本地分流，实现业务数据不出企业内网，满足业务数据在本地卸载、超低时延、高可靠性等需求。基站与MEC之间的数据通过新建的传输网连接，所有经过MEC的业务数据，经防火墙后进入电站内的核心交换设备，进而访问企业内网业务。

a）核心网建设方案。基于5G+MEC的组网架构，图3电站5G专网网络架构，在电站内部署1套用户数据网元MEC（UPF+MEP）。MEC部署在电站核心机房内，吞吐能力及会话处理能力根据实际需求配置，建设初期可按吞吐能力20 Gbit/s、会话处理能力5万PDU进行建设，后续随着业务增长进行扩容。若有网元级容灾要求，可在电站内异地部署2套MEC互为备份，正常情况下2套MEC双活运行，基于负荷分担的方式选择本站点其中1套MEC访问业务。如果其中1套MEC设备故障，选择使用本站内另外1套MEC访问业务。

图3 电站5G专网网络架构示意图

b）无线网建设方案。通过专用5G基站建设，对电站各区域进行5G专用网络信号覆盖。5G无线接入网采用运营商主流5G频段，针对不同的覆盖场景，5G基站可采用5G宏站、5G数字化室分、小站等设备，5G宏站主要用于广覆盖场景，5G数字化室分主要用于室内密集场景。

c）承载网建设方案。5G 专网数据承载网采用“核心+汇聚+接入”的简化架构实现业务综合承载目标，混合专网模式下，电站内数据承载网建设只涉及汇聚和接入2层。接入、汇聚上联应采用口字型组网成环，环网容量根据实际业务需求进行规划，建设初期接入环容量不低于20GE，接入设备具备平滑升级能力。

d）5G Wi-Fi建设方案。考虑当前终端产业链及5G支持情况，为解决非5G终端接入5G专网通信需求，在5G专网覆盖区域按需部署CPE，将5G专网信号转换为Wi-Fi信号，非5G终端通过Wi-Fi信号接入5G专网。

2.4 业务数据流

在混合专网模式下，电站内终端划分为专网终端和公网终端2种，通过规划配置终端专网标识对专网终端进行识别。专网终端在专网覆盖范围内可正常搜索到专网信号，并发起接入注册流程，基站根据终端上报的专网标识选择核心网AMF，AMF负责对用户进行接入认证和鉴权（UDM配合），认证成功后建立会话，用户可正常进行数据业务。专网基站专用模式下，公网终端在电站可正常搜索到专网无线信号，但在发起注册过程中，核心网经过判断其未上报专网标识，拒绝用户接入，用户接入失败。专网终端只能在专网覆盖范围内使用，不能接入公网，图4给出了专网业务数据流示意。

图4 专网业务数据流示意图

a）专网终端业务数据流。专网终端→专网基站/5G CPE→专网UPF/MEC→企业内部应用。员工公网终端在电站内不能通过专网基站访问5G专网，若有访问企业内网的需求，可通过CPE转换的Wi-Fi接入企业内网。

b）公网终端访问专网业务数据流。公网终端→5G CPE→专网基站→专网UPF/MEC→企业内部应用。

2.5 专网安全方案

5G专网安全可分为5个部分，包括终端接入安全、数据传输安全、MEC边缘安全、企业内外网安全和安全管理。

2.5.1 终端接入安全

终端分为2大类，分别是5G终端（如5G CPE、5GDongle和5G摄像头）和其他非5G终端。针对5G终端的接入安全，主要采用身份合法认证和访问控制限制2种方案；对于非5G终端接入5G CPE，主要通过在5G CPE上进行相关配置，支持白名单认证、启用Wi-Fi鉴权加密和启用CPE防火墙3种安全防护方案。

2.5.2 数据传输安全

5G终端通过空口传输业务和信令数据，通过3GPP空口信令面和用户面加密完保实现安全；基站与MEC/UPF之间的业务数据通过GTP-U隧道传输，可采用BBU到MEC之间的IPSec加密方案；MEC与企业内网之间的业务数据可以采用IPSec加密保护，以MEC侧的防火墙作为起点，终结在企业内网网关，IPSec密钥由企业掌握。

2.5.3 数据不出园

实现业务数据不出电站可采用3种方案，一是利用防火墙控制UPF和大网5GC之间仅有信令和网管流量通过，可通过配置基于N4接口的策略控制实现；二是在MEC/UPF不设置对Internet的出口，N6口的业务流量导入到防火墙，由电站进行流向策略控制，确保数据不出园；三是在N4防火墙上启用网络流量分析（NTA）功能，监控防火墙到5GC的通信，以周期报表的形式呈现给客户进行确认和审计，确保没有业务数据流出。

2.5.4 MEC安全

将边缘MEC内部划分为运营商安全域（含网元子域UPF、平台子域MEP及自有APP）和工厂应用安全域（包括机器视觉、AI检测等VM及应用），如图5所示。安全域之间采用防火墙实现通信隔离，MEC组网层面上管理平面、信令平面、业务平面和企业APP运维平面4个平面之间通过VLAN逻辑平面隔离；MEC分区采用由外向内的分层隔离与防护，FW1实现外部攻击防护，FW2实现内部领域隔离。FW1和FW2可以通过MEC的DC-GW旁挂1对物理防火墙统一实现。

图5 MEC安全域划分示意图

在MEC平台的安全防护方面，MEC服务器基于硬件根安全启动和安全运行，保证设备启动链的完整性，防止被植入后门；MEC主机安全加固，启用MEC平台API安全能力，包括API认证鉴权、API流控、API调用TLS加密等，防止通过APP攻击MEC平台和5GC；MEP/UPF与APP之间启用防火墙策略，防止APP通过N6/Mp1接口发起对UPF/MEP的流量攻击等。

2.5.5 边界安全保护

5G专网边界包括MEC与5GC控制面边界、UPF与APP边界以及MEC与企业内网边界，MEC与5GC边界采用防火墙进行隔离，通过设置信令面仅N2、N4接口允许PFCP UDP信令流通过，业务面禁止流量通过，防止业务数据出园；UPF与企业APP间部署防火墙，隔离UPF与园区网络；MEC与企业内网边界采用防火墙隔离，设置隔离区，隔离企业内网和MEC。

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基于5G的应用赋能

随着人工智能技术与5G技术的应用发展，智慧电站的建设理念不断成熟，电站建设向自动化、无人化、智能化方向发展。作为新一代移动通信技术，5G技术契合了电站智能化、数字化转型对无线网络的应用需求，能够满足工业环境下设备互联和远程交互。一方面利用高可靠性网络连续覆盖，满足企业各种差异化业务需求，实现随时随地的信息共享，推动安全高质量生产。另一方面5G技术可应用在设备的远程监测、识别、诊断、维护等方面，大大提高生产运行效率。企业可以通过“5G+应用”建设，实现远程智能监测、智能诊断和远程维护，助力生产、维护模式升级。当前基于5G的高清远程监视、无人机巡检、远程管理控制、远程机器人排查、AR/VR等应用已广泛应用于多个行业，可优先在电站应用部署。

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结束语

本文分析了智慧电站建设对无线网络功能、业务场景等方面的需求，研究了三大运营商为行业用户提供的5G专网服务模式。基于需求和5G专网服务模式，提出了电站5G专网建设方案。从目前5G的发展情况来看，很多垂直行业应用仍旧处于探索阶段。想要真正成为赋能千行百业数字化转型的关键技术，还需各方深入合作，逐步探索具体应用场景，结合人工智能、物联网等技术，构建一个智慧互联的电站。