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3GPP主导的5G标准第一阶段（Phase I）工作在2019年6月完成了最后一个版本（Late Drop）的交付，至此Rel-15标准工作全部完成，与此同时，第二阶段（Phase II）的Rel-16标准工作的第二步（Stage 2）工作也顺利按时冻结，第三步（Stage 3）受全球疫情影响，从2020年3月推迟到6月冻结。作为第一个可商用的5G标准版本，Rel-16主要面对eMBB场景，支持了全球运营商的5G商用，截止到2020年4月，全球已经有73家运营商在全球41个国家和地区推出了符合3GPP标准的商用5G服务。
Rel-16作为5G第二阶段标准版本，主要关注垂直行业应用及整体系统的提升，包括系统架构持续演进、垂直行业应用增强（超高可靠低时延通信URLLC、非公众网络NPN、垂直行业LAN类型组网服务、时间敏感型网络TSN、V2X、工业物联网IIoT）、5GC多接入支持增强、人工智能增强等，其它还包括定位、MIMO增强、功耗改进等。基于这些增强，Rel-16能够适应多种应用场景。
随着国内运营商明确今年将会以SA架构为主推进5G商用，Rel-16标准版本也即将冻结推出，加之新基建的加速推进，5G对垂直行业可能带来的促进作用受到各产业界的广泛关注，可以预期，基于5G的垂直行业应用创新将会以超出我们想象的速度涌现，而这离不开Rel-16标准的支持，因此我们计划对Rel-16标准中支持垂直行业应用的新特性进行分析和介绍，本篇将对组网类型的三种主要技术——非公众网络NPN、垂直行业LAN类型组网服务5G LAN、时间敏感型网络TSN进行介绍，主要有以下要点：
1、垂直行业面临IT架构变化、云网融合、云边协同、OT/IT/CT融合的挑战，传统组网方式在传输能力、接入能力、互通性、融合性、安全性等方面存在问题，引入5G有可能解决这些问题；
2、5G NPN通过独立非公共网络SNPN和公共网络集成PNI-NPN两种模式为垂直行业提供与公众网络（PLMN）隔离的5G基础网络，并通过与PLMN的互相访问，构建了在一张专网上满足多种应用网络需求的基础；
3、5G LAN通过一种虚拟网络（VN）的方式，综合利用了5G网络的组管理、移动性管理、动态多播、业务连续性、服务质量保障等功能和流程，实现点对点、点对多点的通信方式，更便捷的实现与现有企业信息网络的融合；
4、5G TSN通过引入IEEE的TSN组网方式，在尽力而为的5G网络上实现性能的确定性，能够更好的满足时间敏感性应用的需求，有助于利用5G的覆盖、传输、移动性、安全性优势将其应用范围扩展到更广阔的生产领域；
5、5G NPN，5G LAN，5G TSN可以组合应用，在园区类场景下，以一张网络满足不同应用的组网和性能要求，实现网络和业务的融合，结合MEC的部署将能够进一步的满足垂直行业云网融合的需求。
（一）垂直行业传统组网方式及引入5G的优势
在公众移动网络高速发展的同时，产业领域内的各垂直行业的数字化也在持续演进，相对于公众移动网络，其采用的移动通信技术整体滞后约1.5代，但随着消费互联网向产业互联网趋势的日益确定，尤其是5G面向垂直行业需求制定发展愿景后，产业领域的移动通信技术演进速度将会大大加快。
一般来说，产业领域的网络主要包括生产控制网络（OT）、企业信息网络和云基础设施网络（IT），其生产区域内往往还存在公共服务网络（CT）。OT域网络一般以有线为主，采用现场总线技术、以太网组网技术等。现场总线普遍存在通信能力低、距离短、抗干扰能力较差等问题，以太网技术由于标准不统一，往往无法直接互通，需要网关设备来实现协议适配。同时有线通信技术存在接入不灵活的缺点，随着信息网对网络的传输效率、传输稳定性和覆盖率等的要求越来越高，传统的网络接入和组网方式已无法胜任。为了实现灵活的部署和按需接入，引入了包括Wi-Fi，Bluetooth，3G/4G等无线通信技术，但随着垂直行业数字化转型的深入，普遍存在覆盖能力、传输能力、连接能力、可靠可用性和安全性等方面的问题。
而在IT域，传统以有线网络LAN为主，配合部分区域的无线接入，以Wi-Fi为主，对于远程办公结合公众网络VPN接入的模式。随着IT架构从传统DC部署向云化部署演进，以及边缘计算需求的出现，公有云和私有云的结合、中心云和边缘云的结合，成为垂直行业IT架构面临的新挑战。与此同时，IT架构的变化对网络提出了新的要求，网络需要对应用的需求和各类网络协议进行全面地适配和理解，做到云网协同，才能保障服务的有效性。同时，产业领域的数字化转型需要OT/IT/CT的融合，而传统采用的各种组网技术提供的开放接口和实现机制均不同，给云网协同和网络集中控制带来困难。
5G在基础能力上实现了20Gbps峰值带宽、1ms极低时延、百万连接数/平方公里的基础能力，基于URLLC提供了超高可靠高可用性的网络能力，同时在网络架构上基于SDN/NFV实现了网络切片技术，可以灵活的为垂直行业提供定制化、可保障、安全隔离的网络服务。在此基础上，5G标准组织向垂直行业开放需求，各行业可根据自己应用的需要提出标准提案和解决方案，这也大大的丰富了5G对垂直行业支持的能力集。在云网融合，云边协同方面，5G标准实现了和MEC的结合和集成，一方面各种应用、云边协同功能、网络适配功能等可以部署在MEC上，另一方面企业的云基础设施可视为MEC服务环境，5GC支持与MEC之间的云网协同，可以无缝保障MEC上各类应用所需要的网络性能，同时，MEC上可部署安全服务和安全网关功能，实现分域分场景分应用的安全保障。
然而前面我们提到，垂直行业在组网上存在不同的需求，因此3GPP在Rel-16版本中立项了“5GS增强支持垂直行业LAN类型组网服务”工作项目（命名为FS_Vertical_LAN），提出了非公众网络NPN、垂直行业LAN类型组网服务5G LAN、时间敏感型网络TSN三种组网服务（需求定义在3GPP TS 22.261，系统架构在3GPP TS 23.501中规定）。5G NPN提供了一种安全隔离的独立网络建设模式。5G LAN使能了各类终端之间或终端和应用之间的点到多点或多点到多点的通信。5G TSN提供了基于以太网的确定性网络性能。
（二）5G NPN实现与公众网络隔离的建设模式
非公共网络5G NPN（Non-Public Network）是利用5G技术为非公共用途而部署的5GS，支持两种部署模式：独立的非公共网络SNPN（Stand-alone Non-Public Networks），即由NPN运营商运营且不依赖PLMN提供的网络功能，或公共网络集成NPN（PNI - NPN），即在PLMN支持下部署的非公共网络。SNPN和PLMN可以共享NG-RAN，SNPN 5GS具有不受信任的非3GPP访问的5GC体系结构，用于通过PLMN访问SNPN服务，Rel-16版本中，SNPN不支持与EPS互通，不支持紧急服务，不支持SNPN之间的漫游和SNPN之间的切换。
独立部署的SNPN，用PLMN ID和NID（Network identifier，网络标识）的组合来进行标识，用于SNPN的PLMN ID不需要唯一，PLMN运营商可以使用其分配到的PLMN ID加上NID来区分各个专网，或者使用为专网预留的PLMN ID。
支持接入SNPN的NG-RAN基站将广播PLMN ID和每个PLMN ID的NID列表，用于通知终端可接入的SNPN。启用SNPN的UE为每个订阅的SNPN配置有用户标识符（SUPI）和凭据，当UE设置为以SNPN模式接入时，只能通过Uu接口接入SNPN并向其注册。如果没有将UE设置为以SNPN模式接入，则即使它已启用SNPN，UE也不会接入并向SNPN注册。
UE初始注册时，会将所选择的NID和相应的带给NG-RAN，NG-RAN将PLMN ID和NID带给AMF。用户在NPN中的签约信息包括了UAC（Unified Access Control，统一接入控制）信息，在UE没有签约或者网络拥塞时，SNPN可以阻止UE接入，并填入适当的拒绝码，以永久防止该UE自动选择并向同一SNPN注册。
已在SNPN注册的UE可以通过SNPN接入PLMN的N3IWF（Non-3GPP Inter-working Function：非3GPP互操作功能），从而访问PLMN的服务 。这时，UE需要同时向PLMN注册。SNPN对于PLMN来说，相当于非可信non-3GPP接入。对于网络触发的QoS保障请求，SNPN根据SLA合约从NWu接口的DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点）字段中映射SNPN所要求的QCI并予以执行，同时使用NWu接口的N3IWF IP地址和DSCP字段标识设置其包检测过滤器。对于UE请求的QoS，UE使用SNPN同样的5QI为non-3GPP接入请求IPSEC SA（Security Association，安全关联）的5QI。
△通过SNPN访问PLMN
同样地，已在PLMN注册的UE可以通过PLMN访问SNPN，UE同样必须先通过PLMN向SPNN注册 。PLMN对于SNPN来说，相当于非可信non-3GPP接入。对于网络发起的QoS保障需求，PLMN通过SLA契约的方式从NWu接口的DSCP域中映射PLMN所要求的QCI并予以执行，同时采用NWu接口的N3IWF IP地址和DSCP字段标识设置其包检测过滤器。对于UE请求的QoS，UE使用PLMN同样的5QI为non-3GPP接入请求IPSEC SA的5QI。
△通过PLMN访问SNPN
公共网络集成模式部署NPN（PNI-NPN）是可通过PLMN获得的NPN，实现方式可以理解为向NPN分配专用DNN或者分配一个（或多个）网络切片（Network Slice）实例。当通过PLMN使PNI-NPN可用时，则UE必须签约PLMN才能访问PNI-NPN。
由于网络切片无法限制UE在未部署NPN的区域中尝试接入网络，因此需要选择使用CAG（Closed Access Group，封闭接入组）来进行接入控制。CAG由一组小区ID构成，UE只有在CAG对应的区域内才可以接入NPN RAN。RAN广播PLMN+CAG ID，基于CAG执行接入选择和控制。CAG信息通常预配置在UE中，并可通过UCU（User Configuration Update，用户配置更新）流程进行更新。对于支持CAG的UE，CAG小区中支持紧急服务，无论是正常注册还是紧急注册。
（三）5G LAN通过UPF组网提供点到点、点到多点通信
5G扩展了3GPP定义的技术可达的领域和范围，从传统公众用户到各垂直行业，在住宅、办公区、企业驻地、工厂区等应用场景下，需要5G提供与局域网（LAN）和VPN相似的组网服务，并保持5G高性能、远距离接入、移动性和安全性的特有能力。5G LAN即是在5G网络上构建局域网类型服务（5G LAN-type service）的技术，可以为特定终端组提供IP类型或者以太网类型的通信服务。
5G虚拟网络（VN）是5G LAN解决方案的重要概念，它由一组使用专用通讯方式进行5G LAN类型服务的UE组成。5G系统支持5G VN组标识（由外部组ID和内部组ID标识）和组成员（由GPSI唯一标识）、5G VN组数据（可以包括以下参数：PDU会话类型，DNN，S-NSSAI和应用程序描述符，与辅助身份验证/授权有关的信息）的管理。5G VN组管理可以由网络管理员配置，也可以由AF动态管理（通过NEF开放服务提供给AF）。
AF使用外部组ID（对应于一组唯一的5G VN组数据参数）标识5G VN组，NEF将外部组ID提供给UDM，UDM将外部组ID映射为内部组ID。对于新创建的5G VN组，内部组ID由UDM分配。NEF通过Nudm_SDM_Get操作从UDM检索内部组ID。5G VN组配置可以由OA＆M提供，也可以由AF提供给NEF。当由AF提供配置时，NEF将外部组ID，5G VN组成员信息和5G VN组数据提供给UDM，如果需要，UDM更新UDR中相应UE的订阅数据的内部组ID列表，同时UDM也可以使用内部组ID，外部组ID和组成员列表更新组订阅数据中的组标识符转换，在UDR中存储/更新5G VN组数据。
如果UE是5G VN组的成员，则UDM从UDR检索UE签约数据和相应的5G VN组数据，提供给AMF和SMF。PCF从AMF获得用户的群组信息时，可根据群组信息生成URSP（UE Route Selection Policy，UE路径选择策略）并下发给UE，这样UE在要进行群通信时就可根据DNN等信息建立或选择会话，会话类型可以是IP或Ethernet；建立会话的过程中，SMF会根据群组内其他在线UE的PDU上下文信息生成PDR（Packet Detection Rule，包检测规则）和FAR（Forwarding Action Rule，转发规则），并下发给锚点UPF，从而使UPF可对终端之间是否可互访进行控制。
5GS定义的会话管理适用于5GLAN类型的服务，并具有以下说明和增强功能：UE通过IP PDU会话类型或以太网PDU会话类型的PDU会话访问5G LAN类型的服务；一个PDU会话仅提供对一个5G VN组的访问；对某个5G VN组的所有PDU会话有一个专用SMF负责；DNN和S-NSSAI关联到5G VN组；UE提供与5G VN组关联的DNN，以访问该5G VN的5G LAN型服务；在PDU会话建立期间，可以执行辅助身份验证，以验证和授权UE访问与5G VN相关的DNN组，这也意味着对DNN关联5G VN组的身份验证和授权，并没有定义5G VN组特定的认证或授权；UDM中可用的DNN和S-NSSAI的SM级订阅数据适用于与5G VN组关联的DNN和S-NSSAI；会话和服务连续性SSC模式1，SSC模式2和SSC模式3适用于相关5G VN组内基于N6的5G VN通信的流量转发；PDU会话为与5G VN组关联的DNN和S-NSSAI提供单播，广播和多播通信， PSA UPF根据接收到的数据的目标地址确定通信是用于单播，广播还是多播，并执行通信处理；为了实现N19流量路由，SMF将建立到同一5G VN组的PDU会话相关联，并使用它来配置具有组级别N4会话的UPF，其中包括用于N19隧道转发的数据包检测和转发规则。
5G VN通信允许使用三种类型的流量转发方法：基于N6的，其中5G VN通信的UL / DL业务被转发到DN或从DN转发出去；基于N19，其中用于5G VN组通信的UL / DL通信通过N19在不同PDU会话的PSA UPF之间转发。N19基于共享单个5G VN组的PSA UPF的共享用户平面隧道；本地交换，如果该UPF是同一5G VN组的不同PDU会话的通用PSA UPF，则流量由单个UPF在本地转发。
SMF处理5G VN组的用户平面路径，SMF为尽可能多的PDU会话选择一个PSA UPF（以相同的5G VN组为目标），以便在UPF上实现本地交换。如果需要，在PSA UPF之间建立N19隧道，以支持基于N19的流量转发。对于以太网PDU会话，SMF可以指示UPF根据VLAN标签对帧进行分类，并在N6上接收和发送的帧上添加和删除VLAN标签。
当期望基于N6的流量转发时，在创建5G VN组之后，AF可以通过提供识别流量的信息，适合选择的DNAI和可选的信息来影响5G VN组所有成员的流量路由。流量相关性指示以及5G VN外部组ID，用于标识发送到PCF的AF请求中的5G VN组。如果提供了业务相关性的可选指示，则意味着5G VN组成员UE的PDU会话应通过用户平面中的公共DNAI与业务相关联。PCF将AF请求转换为适用于5G VN组的PDU会话的策略，并将该策略发送到SMF。根据策略，SMF（重新）为PDU会话选择DNAI，并配置其UP路径以将流量路由到选定的DNAI。如果策略包括流量相关指示，则SMF（重新）为PDU会话选择一个公共DNAI，以便将5G VN组的流量路由到该公共DNAI。
(四） 5G TSN实现网络性能确定性
垂直行业OT域通信要求精确的实时性和确定性，在上世纪80年代末到90年代初发展出了多种现场总线技术，基本都是基于 ISO／OSI 的七层网络模型，但随着工业互联需求的扩大，现场总线多标准难统一的问题日渐突出，以太网技术因其技术简单、开放性好、价格低廉等特点，成为工业通讯的新出路，发展出了工业以太网，但是标准的工业以太网是一个尽力而为的网络，而工业自动化应用对于延迟的要求非常严格，以满足实时数据传输的需求，为了在以太网基础上提供网络时延的确定性，IEEE802.1工作组在2006年成立AVB音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改为TSN任务组。TSN标准扩展了AVB的技术，成为以以太网为基础的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。为解决TSN端到端不支持需要路由器的数据流的问题，2015年，互联网工程任务组（IETF）成立了确定性网络（DetNet）工作组，专注于在第2层桥接和第3层路由段上实现确定传输路径，这样在TSN中开发的技术就可以扩展到路由数据流。
尽管5G提供了毫秒级的网络时延，可以满足很多OT域通信网络的要求，但5G网络同样是一个尽力而为的网络，无法满足确定性时延的需求，因此IEEE与3GPP联合在5G中定义了TSN的集成架构和互操作。
架构中将整个5G系统当做TSN网络中的一个逻辑网桥。TSN对5G系统的主要要求包括：LBO（Local Break-Out）的协议数据单元（PDU）会话能力、PDU会话类型以太网支持能力，为了实现TSN的主要功能，5G系统需要支持网桥/端口管理功能、TSN时钟同步功能、5QI增强功能、报文保持和转发功能。5G系统和TSN对接则需要支持多TSN域的时钟同步功能、网络拓扑发现（LLDP）功能、5GS网桥注册到TSN/CNC，以及CNC（Centralized Network Configuration）配置管理功能。
在具体实现上，定义了与TSN系统的接口：新增设备侧桥，通过DS-TT（Device-Side TSN Translator，设备端TSN转换器）与5G终端连接，控制面TSN AF（Application Function，应用功能）通过N33对接NEF（Network Exposure Function，网络开放功能）获得网络开放能力，通过N5口与PCF（Policy Control Function，策略控制功能）连接，配置策略。用户面UPF（User Plane Function， 用户面功能）通过NW-TT（Network-Side TSN Translator，网络端TSN转换器）与TSN应用连接。
在确定性保障方面，5GC定义了新的QoS模型支持TSN。通常CNC利用从网络中得到的信息计算调度的路径，确定流量级别和端口等，进一步确定对时延、优先级的要求，由TSN AF并将其映射为5GS的QCI，并通过策略请求的方式影响网络对对应的流实施保障的具体实现。
除了将5GS作为一个TSN桥融合进TSN网络中以外，为了满足TSN网络对确定性的要求，5G还需要在以下几个关键点上加强。时间同步：包括NG-RAN的时间同步和桥域的时间同步，NG-RAN只需根据5GS内部时钟进行同步，而桥域的同步需要5GS提供桥两端TT之间的传输时延并加到同步数据包中；低时延传输：3GPP需要增强物理层和MAC层，以支持低时延；可靠性：3GPP功能，包括先进的新天线技术、鲁棒的控制信道设计、冗余方案等，以确保通信的可靠性；资源管理：3GPP功能，例如增强调度以支持周期性业务。
(五）小结
5G NPN、5G LAN、5G TSN分别从网络独立性，LAN类型组网服务和与IEEE TSN网络集成的确定性网络性能的角度为垂直行业提供服务。以一个企业园区为例，首先以SNPN模式建设移动专网，提供独立的基础网络，SNPN既可以保证园区应用的用户局限在专网内，同时也可以与PLMN互通，为园区内普通用户提供公众网络服务。与此同时，在SNPN网络上，通过5G LAN组建企业信息网，通过5G TSN组建企业生产网，通过一张网络满足了园区三类网络服务的需求，简化园区的组网，降低建设和运维成本，提高生产和办公效率。
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ÁNOS FARK AS, BALÁZS VARGA, GYÖRGY MIKLÓS, JOACHIM SACHS. 5G-TSN integration meets networking requirements for industrial automation [J]. Ericsson Technology Review. 2019,7.
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| 作者：无界
「5G行业应用」特邀专栏作家，超15年TMT从业经历，长期关注通信、信息技术和相关产业领域，对5G、人工智能、物联网等关键使能技术及其对行业数字化转型的相互作用有深入洞察。
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