期刊基本参数：CN10-1043/TN*1958*m*16*96*zh*P*￥10.00*7000*15*2023-09
《邮电设计技术》月刊
1958年创刊（1974年复刊）
主管单位：中国联合网络通信集团有限公司
主办单位：中讯邮电咨询设计院有限公司
编委会名誉主任：宋直元
编委会首席顾问：赵厚麟
编委会主任：张涌
总编：钟志刚
副总编：唐雄燕武利强
主编：曹俏梅
执行主编：唐艳超
编辑出版：《邮电设计技术》编辑部
地址：北京市海淀区首体南路9号
主语商务中心3号楼（100048）
编辑部：010-68799999-3918，3919，3920
综合部：010-68799999-6619，6872
发行：010-68799999-6619
总发行：郑州市报刊发行局
订购处：全国各地邮局
发行范围：国内外公开发行
邮发代号：36－176
印刷：河南卓越艺术印刷有限公司
刊号：
ISSN1007-3043
CN10-1043/TN
出版日期：2023-09-20
每册定价：10.00元（国内）
全年定价：120.00元（国内）
责任编辑：曹俏梅（E－mail：qiaomeic@dimpt.com）
版式：郭月园
DesigningTechniquesofPosts
andTelecommunications（Monthly）
FirstIssuein1958
Sponsoredby
ChinaInformationTechnology
Designing＆ConsultingInstitute
EditedandPublishedby
DesigningTechniquesofPostsand
TelecommunicationsEditorialOffice
Address:ZhuyuCommercialCenter3rdBuilding,
No.9ShoutiSouthRoad,HaidianDistrict,Beijing
Tel：010-68799999-3918,6619
PublicationNumber：ISSN1007-3043
目次/Contents
2023年第09期
（总第571期）
本期专题策划专家：耿玉波
毕业于华中理工大学，教授级高级工程师，享受国务院政府特殊津贴。
现任中讯邮电咨询设计院有限公司总师与技术支撑管理办公室主任，
上海交通大学电子信息与电气工程学院行业博导，中国联通科技委员
会无线接入专业组专家，长期从事通信网络规划设计、技术咨询、标准
制定等工作，先后主持或参与完成了多项联通总体方案、专项规划，获
得中国通信协会、中国工程咨询协会、上海通信协会、浙江通信协会等
奖励30余项，主编国标/行标5项，发明专利/软件著作权7项，发表学术
论文数十篇。
P1基于5GSA网络的智慧港口网络部署方案研究陈云，刘之光，陶伟宜
ResearchonSmartPortNetworkDeploymentScheme
Basedon5GSANetworkChenYun，LiuZhiguang，TaoWeiyi
P6基于探针的5G专网质量测试研究与实现陶志平
ResearchandImplementationof5GPrivateNetwork
QualityTestBasedonProbeTaoZhiping
P10井工矿5G专网无线覆盖方案研究杨志华，李娜，高天
ResearchonWirelessCoverageSchemeof5GPrivate
NetworkinUndergroundMineYangZhihua，LiNa，GaoTian
张桂玉，马睿，白露莹，等
NetworkRelatedTechnologyandItsApplicationinPowerIndustry
ZhangGuiyu，MaRui，BaiLuying，etal
P21基于5GMEC构建智慧高校超融合专网研究梁毅，许冬
ResearchonBuildingaHyper-integratedPrivateNetworkfor
SmartUniversityBasedon5GMECLiangYi，XuDong
P26基于PIN-NPN的5G专网解决方案研究梁健堂，陈嘉明，许小婉
Researchon5GPrivateNetworkSolutionsBasedonPIN-NPN
LiangJiantang，ChenJiaming，XuXiaowan
本期专题/MonthlyTopic
本刊获中国期刊方阵“双效期刊”、工业和信息化部精品科技期刊、河南省自然科学期刊综合质量检测一级期刊，
并被万方数据数字化期刊群、中国期刊全文数据库、中文科技期刊数据库、超星期刊域出版平台等收录，与C114
达成合作关系。
September2023No.09
（ConsecutiveNo.571）
《邮电设计技术》
第九届编辑委员会名单
一、名誉主任、首席顾问
二、专家顾问委员会名单
（按姓氏笔画排列）
马红兵牛志升毛谦朱东照
邬贺铨刘涛刘韵洁沈洪波
张范张忠平陈山枝郑建飞
闻库陶小峰曹淑敏韩志刚
三、编委会名单
主任：张涌
副主任：迟永生孔力唐雄燕
武利强
委员：
李文胜耿玉波袁鹏许波
赵伟灵杨剑键梅斌吕振通
马季春王光全赫罡冯毅
李福昌陈勋顾荣生王题
陈崴嵬程新洲刘宝庆臧志宏
谭蓓禹光马玉娟高重道
徐晨曹俏梅唐艳超
P33合成孔径雷达与地面业务干扰共存仿真方法研究刘吉凤，周瑶，李福昌
ResearchonInterferenceCoexistenceSimulationMethodofSynthetic
ApertureRadarandTerrestrialServiceLiuJifeng，ZhouYao，LiFuchang
P395G高密重载场景ToB/ToC组网策略研究王蕾，曾伟，宋扬，等
ResearchonToB/ToCNetworkingStrategyin5GHigh-densityand
Heavy-loadScenarioWangLei，ZengWei，SongYang，etal
P465G毫米波室内单站定位技术研究李红霞，杨洁艳，苏成双
Researchon5GMillimeterWaveIndoorSingleStation
PositioningTechnologyLiHongxia，YanyJieyan，SuChengshuang
P53900MHz低频网重耕策略研究杨定楚，李展，詹伟
ResearchonRe-farmingStrategyof900MHzLow-frequencyNetwork
YangDingchu，LiZhan，ZhanWei
P585GNTN定时提前调整策略分析叶向阳，单单，韩春娜，等
AnalysisonTimingAdvanceAdjustmentStrategiesof5GNTN
YeXiangyang，ShanDan，HanChunna，etal
P63一种基于TDOA二次加权的QWLS定位算法刘西西，王哲，张千坤，等
AQWLSPositioningAlgorithmBasedonTDOAQuadraticWeighting
LiuXixi，WangZhe，ZhangQiankun，etal
无线通信/RadioCommunication
本刊启事：为实现期刊编辑、出版、发行工作的电子化，推进信息交流的网络化进程，本刊内容将提供给国内多家
注明。
《邮电设计技术》编辑部
审稿专家名单
（排名不分先后）
刘宝庆蔡子龙操明立程保
程新洲陈玲陈强陈任翔
陈巍嵬陈颖霞党晓光丁伟
刘扬曹畅范现瑞冯建民
冯霄鹏冯毅符刚高功应
耿庆鹏耿玉波关磊谷磊
顾荣生赫罡贺晓贺永涛
侯永涛黄为民黄志勇龙青良
姜文颖荆建中荆雷邢向晖
李福昌李衡李宏伟李红霞
李家京陆钧刘希禹王晓东
李文胜李翼卢红波罗晓翔
吕振通李轶群马季春马为民
马铮梅斌门里南作用
李萌乔月强秦培松尚海波
沈世奎石乐史文祥宋齐军
孙红汤泳腾达祝琳
王殿魁王光全王海军王森
文博曹恒王题周伟
吴罡巫峡吴一波吴伟平
肖伟许波薛永备许建宏
杨艳松王一骢叶祥尹祖新
袁鹏于冰于长松岳向阳
禹光臧志宏翟慧张德科
张贺张建峥张沛张琪
张旭张岩张曜晖郑波
P69基于溯源的5GSAVoWiFi解决方案研究张芳，庄恒全，李虓江，等
Researchon5GSAVoWiFiSolutionBasedonTraceability
ZhangFang，ZhuangHengquan，LiXiaojiang，etal
P755G网络信令流量安全监测研究郑涛，谢泽铖，张曼君，等
ResearchonSecurityMonitoringof5GNetworkSignalingTraffics
ZhengTao，XieZecheng，ZhangManjun，etal
BasedonBlockchainTechnologyTianFang，BaiXin
P84电信运营商数据架构设计方法初探王爽，潘思宇，裴培，等
DiscussiononTelecomOperatorsDataArchitectureDesignMethod
WangShuang，PanSiyu，PeiPei，etal
Predictionof2G/3GNetworkShutdownTimeandAnalysisof
StationSiteImpactZhangJiaojiao，ZhangMan，LiHaixin，etal
核心网/CoreNetwork
数据通信/DataCommuincation
综合/General
自2019年10月31日我国5G正式商用以来，国家层面高度重视5G网络等新型基础设施建设，
提出要积极丰富5G技术应用场景。工业和信息化部先后发布了《“5G+工业互联网”512工程推进
方案》（2019年11月）、《关于推动5G加快发展的通知》（2020年3月）、《5G应用“扬帆”行动计划
（2021-2023年）》（2021年4月）、《5G全连接工厂建设指南》（2022年8月）等文件，旨在全力推进5G
网络建设、应用推广、技术发展和安全保障，充分发挥5G新型基础设施的规模效应和带动作用，支
撑经济高质量发展。
通信运营商不仅承担着新基建的使命，同时也一直都是5G行业专网的主角。中国联通制定
《5G应用“扬帆”行动计划（2022-2025年）》，持续创新5G专网PLUS产品，累计服务超过3000个行
业专网客户，打造1万多个5G规模化应用项目，全力塑造“5G+工业互联网”第一品牌，致力于成为
国家和地方推进新型工业化的重要力量。中国电信开发5G能力魔方，拉通5G定制网“网定制、云
协同、边智能、应用随选、服务一体化、安全体系化”产品能力，实现行业应用可视、性能需求可定、
技术方案可解、商务模式可变的灵活组合业务方案能力，已累计打造5G定制网项目超5000个，5G
行业商用项目超1.5万个，展现出“百案千面”的规模效应。中国移动启动“5G绽放计划”，加速实现
“百、千、万、亿”5G赋能行业总目标，在全国打造百个5G龙头标杆，每领域落地超千个5G精品项
目，服务超过1万家5G客户，带动万亿元级经济价值增长，已落地2万个5G商用案例，发布
“5G极致专网3.0Ultra”、“百大5G应用方案”两大核心能力，支撑5G行业应用规模化落地。
5G行业专网尽管呈现了百花齐放的局面，但实现商业利益成功尚需时日。我们也清醒地看
到，5G行业专网目前尚未形成“杀手级”应用，更多的是演示和功能性测试验证，一方面是市场培育
所有专业企业形成良性生态。5G的活力在应用，应用的根基在生态。为推动5G行业应用，我们策
划了本期专题，内容涉及5G专网方案，以及在高校、港口、矿山、电力等行业的应用。这些论文汇集
了作者的最新研究成果和工作经验，希望能给读者提供有益的参考和借鉴。5G发展之路任重道
远，未来可期。
耿玉波
2023年09月10日
专题导读
邮电设计技术/2023/09
——————————
收稿日期：2023-07-17
1概述
随着工业发展演进到工业4.0（智能化时代），港口
作为经济发展的重要支撑，也在不断地演进。传统港
口以传统的货物装卸、堆存为主，主要发挥货物集散
中心；现代港口具备使货物增值的临港物流、多式联
运、产业互动、特色口岸等服务功能以及全球资源配
置枢纽，功能定位为物流服务中心和进出口中心；智
慧港口则应用新一代数字通信技术为客户提供高附
加值、高敏捷性的综合供应链服务，具有高度的智慧
化、数字化发展水平，是港口发展的高级阶段，是具有
生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等特征的智
能化港口。
随着“一带一路”倡议的实施，中国已经成为第一
贸易大国。截至2021年底，全球港口货物吞吐量和集
装箱吞吐量前10名的港口中，中国港口分别占8席和
7席。但中国乃至全球港口智能化建设还处于初期阶
段，中国目前已建成10座自动化集装箱码头，有7座
自动化集装箱码头在建。
在全球港口面临劳动力成本攀升、劳动力短缺难
题的时候，通过自动化改造进行降本增效成为全球港
基于5GSA网络的智慧港口
网络部署方案研究ResearchonSmartPortNetwork
DeploymentSchemeBasedon5G
SANetwork
关键词：
智慧港口；5G；远程控制
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.001
中图分类号：TN915
文献标识码：A
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
摘要：
5G+智慧港口将使港口具有高度的智慧化、数字化发展水平，从而更能适应现
代港口的发展需要，满足当前港口面临的降本增效诉求。结合某港口的实际情
况和需求，进行了有针对性的5GSA网络方案研究及现网实际部署，并在网络
部署后对业务质量进行测试验证，证明5G网络能满足港口高可靠、低时延的业
务需求。
Abstract：
The5G+smartportenablestheporttohaveahighlevelofintelligentanddigitaldevelopment，soastobetteradapttothedevelopmentneedsofmodernportsandsolvethecurrentdemandforcostreductionandefficiencyincreasefacedbytheport.
Incombinationwiththeactualsituationandneedsofaport，itcarriesouttargeted5GSAnetworkschemeresearchandactual
Keywords：
Smartport；5G；Remotecontrol
陈云，刘之光，陶伟宜（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州310052）
ChenYun，LiuZhiguang，TaoWeiyi（HuaxinConsultingandDesigningInstituteCo.，Ltd.，Hangzhou310052，China）
陈云，刘之光，陶伟宜
基于5GSA网络的智慧港口网络部署方案研究
本期专题
MonthlyTopic
引用格式：陈云，刘之光，陶伟宜.基于5GSA网络的智慧港口网络部署方案研究［J］.邮电设计技术，2023（9）：1-5.
01
2023/09/DTPT
口共同的诉求。5G技术具有“低时延控制、大带宽监
控、高可靠连接”优势，5GSA网络在港口的部署可以
助力港口操作智能化和企业管理平台化，提升港口运
营效率，为港口自动化提供新的动力。
2业务场景
2.1场景概述
港口集装箱码头作业区域分为装卸作业、堆场作
业和闸口作业三大区域。集装箱在港口的流转采用
闸口—场桥—集卡—岸桥的工艺系统，涉及水平运输
和垂直运输两大类运输系统（见图1）。
港口作业的主要流程如下（见图2）。
a）货船到岸，通过岸桥装卸（垂直运输）。
b）集卡/AGV/跨运车将货物运到堆场（水平运
输）。
c）场桥（轨道吊/轮胎吊）卸货/装货到集卡（垂直
运输）。
d）进/出海关闸口（外集卡，水平运输）。
传统/现代港口作业方式主要存在如下问题。
a）运营效率问题。港口的重要基础设备包括码
头泊位、作业机械、堆场、仓库、航道和锚地等，设施的
利用程度直接影响港口的整体运营效率，港口基础设
施利用越充分，港口效率就越高，这带来了365×24h
不间断作业的要求。
b）人工成本问题。岸桥吊/龙门吊/集卡等设备，
24h作业要求有3名作业人员轮换，对作业人员数量
工种，作业人员招工难度高。近年来一些港口企业的
平均年人工成本的增长幅度超过10%，占总成本的比
例达到了1/3。
c）安全问题。港口为临海环境，气候条件较恶
劣；作业人员需在30m高的龙门吊操控室连续作业；
作业人员需长期低头作业，极易疲劳。以上各种风险
因素容易造成安全问题，从而影响港口运营。
2.2主要场景
基于以上分析，智慧港口现阶段最主要的诉求
为：降低劳动强度，降低人工成本；提高生产安全，改
善工作环境；减少天气因素影响，全天候24h作业。
结合港口的作业流程，将5G引入智慧港口的建设中，
主要应用场景如下。
a）垂直运输系统远程控制：岸桥远控，场桥远控
（龙门吊）。
b）水平运输系统自动驾驶：AGV，无人驾驶内集
卡。
本文主要研究5G引入垂直运输系统远程控制的
解决方案。
2.3业务需求
2.3.1作业流程
港口龙门吊远程控制业务的典型示意如图3所
示。
位于港口中控室（远程控制中心）的操作人员获
取码头运营系统下发的调度任务后，根据堆场现场龙
门吊实时回传的高清视频了解周边状况，通过操纵杆
的可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，
PLC）来远程实时控制龙门吊及其抓手的移动操作、抓
手抓取/放开等操作，实现集装箱的堆放与转运。
2.3.2网络需求
龙门吊远控对5G专网的网络需求主要是控制命
令的下发及10~12路摄像头视频回传，具体指标要求
如下。
a）PLC：下行速率为100kbit/s；时延及可靠性为
图1港口作业区域分布
图2港口作业流程
货主
集装箱
外集卡道闸外集卡场桥/堆场内集卡/跨运车/AGV岸桥船公司
轮胎吊/轨道吊
泊位
堆场
集卡
岸桥吊
轮胎吊&轨道吊
2
1
3
02
30ms@99.99%。
b）2K摄像头：上行速率为60Mbit/s；时延及可靠
性为50ms@99.9%。
c）普通摄像头：上行速率为40Mbit/s；时延及可
靠性为50ms@99.9%。
2.3.3组网方案
目前港口场桥等港机设备采用L2/L3协议混传
（控制信号采用Profinet/S7等协议，视频信号采用TCP/
UDP/IP协议），采用5G专网来承载远控信号时，需要
在5G接入的CPE前端新增AR路由器建立层二或层
三隧道。同时还需从信号传输、时延以及可靠性等维
度来考虑组网方案。
a）信号传输考虑：为降低控制信号时延，避免影
响港机远控效果，组网方案中监控视频和控制信号通
过不同的隧道进行分离传输。
b）时延考虑：5G场吊远控方案通过UPF下沉到
港区进行部署，降低PLC控制信号端到端时延。同
时，无线空口采用RB（ResourceBlock）预留及低
IBLER（InitialBlockErrorRate）方案，以优化时延及提
升低时延稳定性。
c）可靠性考虑：龙门吊业务为港口核心作业流程
之一，对5G网络可靠性要求很高，可部署终端双发选
收方案来保证5G链路传输可靠性及低时延稳定性。
5G龙门吊远控组网方案如图4所示。
3网络解决方案
3.1总体组网方案
基于运营商省级集中部署的5GC进行5G核心网
信令承载，港区内远控数据通过CPE上联到5G基站，
港区下沉UPF进行港区数据就近分流卸载，通过N6接
口访问港口远程控制系统。基于容量和覆盖要求进
行无线网络设计，通过空口时延优化、UPF下沉实现超
低时延（见图5）。
3.2网络解决方案
3.2.1无线解决方案
a）采用SA专网方式进行组网，根据港口容量需
求，建设若干个站点和小区；AAU均部署在码头内的
灯杆上，BBU部署在码头内机房。
图3港口龙门吊远程控制业务示意
图4场吊远控组网方案
摄像机
吊具视角：2~4个
小车视角：2~4个
车道视角：2~3个
GNSS
定位终端
大车视角：4个
高清
摄像头
交换机
机载控制单元5G终端/CPE
5G基站
5G终端
/CPE
UPF/MEC
中控室
龙门吊
电气房
核心网MEC工业
网关
控制室
PLC
场吊（轨道吊/
轮胎吊）
CPE1
CPE2
VLAN-RTG-video
VLAN-RTG-control
VLAN-Server-video
VLAN-Server-control
工业
控制业务
PC
视频业务
03
b）无线频段采用3.5GHz+3.6GHz双频组网，
3.5GHz（7D3U）小区单用户上行双流理论峰值约为
378Mbit/s；考虑多用户接入和码头业务场景，单小区
上行容量按240Mbit/s规划，双载波组网上行容量可
超过400Mbit/s，能够满足客户业务需求。
c）专网基站采用CRAN方式组网，前传网采用双
eCPRI口连接，满足容量和备份需求。
d）为了实现高可靠、低时延，开启上行预调度，调
整预调度时长和资源大小，以保证端到端时延控制在
30ms以内。
3.2.2核心网解决方案
部署方案：UPF下沉至港区机房，数据不出港区，
满足低时延业务需求；同时也减少了港区摄像头视频
流量对骨干承载网资源的占用。
分流方案：针对港区内专网业务，规划1个专用切
片进行港区专网业务和公众公网业务数据的隔离。
不同类型5G终端接入5G基站后，将公网业务和专网
业务映射到不同切片。港区内用户终端附着激活后
由省中心SMF根据“S-NSSAI+园区DNN”选择下沉至
港区UPF作为主锚点，对港区业务进行本地流量卸
载，保证港区用户业务真正不出园区。
业务实现方式：静态IP地址+QoS。采用静态IPv4
设计，在开卡时绑定特定IPv4地址，终端每次激活会
话后IP地址固定不变，方便港区内远程控制服务器根
据IP地址与终端进行业务交互。
通过港区远控业务需求分析，在港区的这个专用
切片内，监控摄像头业务签约默认5QI=9，PLC远程控
制对交互实时性要求高，优先级相对高，签约5QI=6。
3.2.3承载网解决方案
港区内设置1对入驻A设备，与上联STN-B按规
范组接入环，与DCGW通过trunk口对接。
入驻A与STN-B之间配置主备L2PW隧道，在
STN-B上做L2+L3终结。
DCGW与港区远程控制系统网络通过10GE光纤
拉通，实现N6流量不出港区（见图6）。
3.2.4终端（CPE）解决方案
如图7所示，对龙门吊PLC远控数据采取空口链
路级保护技术——双发选收，支持双发选收的终端
（CPE）将PLC流数据包复制之后，把原始包和复制包
通过2条无线空口链路同时上传，所有的数据包送到
UPF，由UPF处部署的网关功能对数据包进行缓存、排
序、去重复操作，恢复原始的数据流。以实现先到的
数据包先处理，后到的数据包则丢弃，从而解决丢包
图5总体组网架构
图6承载组网架构
CPE
CPE汇聚ARPLC
Camera其他机械
集群通信移动终端
Camera
汇聚
其他机械远控台
桥吊远控台
龙门吊远控台龙门吊
桥吊
gNBSTN
5GC
CoreSwitch
UPFAR
终端
基站1
基站2
2×10GE
DCGW1
UEG1UEG2
UPF
STN承载网
PW1主+静态路由PW2主+静态路由
B1B2
无线
5GC网管承载5GC
MAE网管
省中心
PW2备+静态路由
RTRT
远程控制
系统
PW1备+静态路由
L3VPN
港区
2×10GE2×10GE
入驻A1入驻A2
DCGW2
04
作者简介：
陈云，高级工程师，主要从事移动网网络规划设计及软课题研究工作；刘之光，高级工程
师，主要从事无线网络研究工作；陶伟宜，正高级工程师，主要从事核心网网络规划设计
及软课题研究工作。
图7终端双发选收解决方案
跳控问题，在保障业务高可靠运行的同时保障业务低
时延。
由于龙门吊PLC远控数据流量较小，虽然占用了
2条空口链路进行数据包传输，但对基站整体带宽的
占用影响不大，且在现场采用双发选收方式后进行测
试，全程无丢包现象及跳控现象，能满足PLC远程控
制的需求。
3.3业务测试情况
更加聚焦业务的可用性，包括容量和业务质量等。
3.3.1覆盖测试
测试结果显示，整个港口区域无线覆盖率达到
99.97%，平均SINR为14.5dB，其中RSRP大于-85
dBm以上的比例达到99.48%，SINR大于5dB以上的
比例达到92.8%，整个港区达到优质覆盖。
3.3.2容量测试
在港口各区域内选择多个点位进行测试，4台终
端同时做FTP上行业务，保持1min以上，取4台终端
的平均速率为该点位速率。经测试，各区域单用户带
宽和总带宽需求都满足港口各业务上行容量需求。
3.3.3时延测试
在港区各区域测试的平均时延为26ms，满足港
区远程控制小于30ms的时延要求。
4结束语
本文研究的某码头智慧港口5GSA网络部署方
案，基于5G+智慧港口行业应用场景，构建5G+网络切
片专网，融合5G龙门吊远控、5G智能集卡等典型应
用，形成满足智慧港口应用需求的5GSA网络方案，树
立了5G智慧港口行业应用示范标杆。在现阶段智慧
港口融合应用平台成熟运营的基础上，未来还可以融
合智能理货、360°作业综合调度等典型应用。
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［14］吴建雄.5G定制网在智慧港口领域的应用研究［J］.通讯世界，
2021（7）：141-142.
［15］王东，张龙，程锦霞，等.基于运营商专网的5G智慧港口解决方
案［J］.移动通信，2019（9）：53-61.
54321
PLC流
包复制链路2
链路1
5421
包重组5321
541
loss
05
收稿日期：2023-07-06
随着万物互联时代的到来，5G网络已成为了不可
或缺的关键基础设施。而5G专网则是服务于各行各
业的重要网络。相较于之前的简单介质，5G专网的业
务组网介质更加复杂，跨域程度高，不仅需要支持客
户端和无线设备接入，还需要涵盖边缘计算（Mobile
EdgeComputing，MEC）、承载和核心等多个维度。由
此，该网络的业务场景也变得多种多样，并且客户的
需求也更为复杂，如故障容忍度低、业务保障颗粒度
细、数据安全性要求高等。在这个背景下，如何对内
部核心侧以及分布在客户侧的设备和服务进行高效
监控，满足客户要求的服务水平协议（ServiceLevel
Agreement，SLA）标准，对于电信运营商来说，无疑是
一个全新的挑战。
目前，电信运营商在5G网络运维监控方面所使用
的手段主要包括5G专网核心网质量管理和仪表维护
等方法。然而，5G专网核心网质量管理虽然可以对核
心网故障进行定位，但无法满足客户对网络的SLA保
障要求，难以监控客户专网质量和主动发现问题；而
基于探针的
5G专网质量测试研究与实现
QualityTestBasedonProbe
5G专网；硬探针；多接口分段测试；质量监控；故
障定界定位
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.002
中图分类号：TN929.5
通过在客户专网内部署5G测试硬件探针，多接口接入网络不同节点，自动进行
业务主动测试，从而快速发现业务降质，对故障隐患进行定界定位，大大提高
5G专网维护效率。测试探针具备有线、Wi-Fi、5G多接口接入测试方式，以适
应客户不同的组网结构。方案采用多接口分段测试，通过不同接口接入到不同
网络节点，进行并发测试，为故障分析提供数据基础，支持业务质量监控、故障
定界定位，支持单个节点以及多节点的接入测试。
ofthenetwork，andactiveservicetestsareautomaticallyperformed，therebyservicedegradationcanbequicklydiscovered，
thepotentialfaultsaredemarcatedandlocated，whichgreatlyimprovestheefficiencyof5Gprivatenetworkmaintenance.The
testprobehaswired，Wi-Fiand5Gmulti-interfaceaccesstestmethodstoadapttodifferentnetworkstructuresofcustomers.Theschemeadoptsmulti-interfacesegmentationtest，connectstodifferentnetworknodesthroughdifferentinterfaces，
conductsconcurrenttests，providesdatabasisforfaultanalysis，supportsservicequalitymonitoring，faultdemarcationandlocation，andsupportssinglenodeandmulti-nodeaccesstests.
5Gprivatenetwork；Hardwareprobe；Multi-interfacesegmentationtest；Qualitymonitoring；Faultdemarcationandlocation
陶志平（中国移动通信集团江苏有限公司，江苏南京210012）
TaoZhiping（ChinaMobileGroupJiangsuCo.，Ltd.，Nanjing210012，China）
陶志平
基于探针的5G专网质量测试研究与实现
引用格式：陶志平.基于探针的5G专网质量测试研究与实现［J］.邮电设计技术，2023（9）：6-9.
06
仪表维护手段则存在效率低、维护成本高等问题。因
此，需要一种更为先进、可靠的5G专网监控方案。
为此，本文提出了一种基于探针的5G专网质量测
试方案，包括多接口边缘探针和多接口分段测试方
法。该方案能够全面、高效地监控5G专网质量，实现
客户专网质量监控和主动质量分析，具有更高的可靠
性和效率，可为电信运营商提供更为先进、可靠的5G
专网维护手段。图1给出了5G专网测试组网示例。
2技术方案
本文通过在客户专网内部署5G测试硬件探针，通
过多接口接入网络不同节点，自动进行业务主动测
试，从而快速发现业务降质问题，对故障隐患进行定
界定位，大大提高5G专网维护效率。
2.1多接口测试硬件探针设计
图2为探针系统部署示意。测试探针具备有线、
Wi-Fi、5G多接口接入测试方式，以适应客户不同的组
网结构。硬件框图如图3所示。
CPU核心模块为测试探针硬件核心部件，集成了
CPU、内存、ROM。其中测试通道包括以下3种。
a）5G测试通道。通过标准M.2主机接口与5G模
组信息传递，便于不同型号无线模组的替代，支持两
路5G测试通道，通过无线接入客户侧5G基站，监控无
线信号质量，测试业务质量。
b）Wi-Fi测试通道。用于接入专网CPE设备进行
业务质量测试。
c）以太网测试通道。用于接入专网路由器设备
进行业务质量测试。
5G基站拨测监控：通过边缘硬探针无线接入客户
侧5G基站，监控5G无线及业务质量。
AR/CPE拨测监控：通过边缘硬探针接入AR/CPE
拨测，监控客户侧AR/CPE业务质量。
2.2探针测试方案设计
测试中心主要提供人机交互界面服务；根据维护
人员配置的测试计划，自动策略调度，生成单个测试
实例并控制探针进行测试动作；对探针回传测试记录
数据进行分析，进行业务质量统计监控和故障定界定
位。测试及故障分析流程如图4所示。
2.2.1建立多接口分段测试模型
5G专网测试目的除了业务质量监控，更重要的是
能够对故障定界定位，如果只是针对单个节点的接入
测试，只能感知业务质量变化，无法对故障进行定界
和对故障点分析。本文针对5G专网采用多接口分段
测试方法，通过不同接口接入到不同网络节点，进行
并发测试，为故障分析提供数据基础。
一个典型的5G专网元素主要包括客户终端、AR
图15G专网测试组网示例
图2探针系统部署示意
多接口测试探针
园区控
制中心
MEC
SMF
ARCPE5G基站
测试管5GC（2B）
理中心
MEAPP
MEP
AMF
UPF……
AR客户控制中心
边缘软
探针
边缘硬探针边缘硬探针边缘硬探针
测试中心边缘UPF测试
CPE5G基站MECAR
以
太
网
Wi-Fi5GUPF
MEPHardward
07
路由器、CPE、基站、用户平面网络功能设备（User
PlaneFunction，UPF）和服务器节点，按照业务路径和
节点，划分为终端段、接入段、无线段、核心网段以及
服务段，每段内由多个同类节点设备组成，每个节点
的运行状态以及节点之间的传输质量是影响5G专网
业务质量好坏的关键因素。图5为分段接入测试示
意。
针对每段的节点设备，采用不同的接入方式进行
测试，根据专网网络网段限制及数据隧道，选取不同
的测试目标，测试业务流遍历覆盖专网内所有节点设
备，具体如表1所示。
在图5中，硬件探针通过以太网接入接入段AR1
节点设备，向服务器1发起上行业务测试，测试业务流
会经过{CPE1、5G基站1、UPF、AR、服务器1}节点设
备，测试结果反映的就是这些节点设备的运行状态以
及之间的传输质量。
2.2.2业务质量监控预警
建立多接口分段测试模型中描述的多接口接入
测试探针设备，根据维护人员的配置，7×24h周期性主
动发起业务，以测试专网网络层连通性（ICMPPing、
TCPPing、UDPPing等）以及应用层（Web、视频、下载
等）业务质量，并实时进行质量统计分析，对关键业务
指标KPI（成功率、时延）采用门限阈值判决、预警基线
等方法监控，劣化时产生质量预警事件，触发故障分
析。
为了遍历测试更充分，故障分析时，一般选取网
络层连通性KPI预警事件作为样本数据。
2.2.3构建故障分析图模型
当专网中节点或传输发生故障，会导致多个探针
测试点同时产生预警事件，需要进行收敛和定位，根
据专网拓扑结构以及硬件探针的测试业务流所经过
的节点，构建故障分析图模型。
故障分析图模型定义为G=（N0，A0，C0，S）
a）节点集合N0={n1，n2，…，nm}。节点表示专网拓
扑结构中的实际网元节点，每个节点具有状态值，表
示某个时刻本节点为故障源的概率大小。
b）边集合A0={a1，a2，…，an}，表示相邻节点之间的
连接关系。
c）相容通路集合C0={c1，c2，…，cn}。相容通路有多
图3测试探针硬件框图
图4测试及故障分析流程
图5分段接入测试示意
建立多接口分段测试模型
开始
故障诊断分析
构建故障分析图模型
业务质量监控预警
GE1PHY
CPU核心模块
M.2M.2
USB3.0
Wi-Fi
5G模块05G模块1
DDR3GE0PHY
CPU
COM
无线段核心网段
CPEn
终端段接入段服务段
终端1
终端2
终端3
终端n
AR1CPE1
AR2
ARn
服务器n
服务器1
5G基站n
5G基站1
图例：接入测试点
08
条边，表示故障传播途径，即故障只有通过相容通路
才能传播，实际是测试模型中每一种测试业务流经过
中，每一种测试模型对应的相容通路集合基本是静态
的。
d）S为节点状态计算函数。根据探针的预警事
件，结合测试方向、测试业务属性、测试业务重要性等
2.2.4故障诊断分析
故障诊断分析步骤如下。
a）质量预警事件预处理。对基于各个探针上报
应的测试模型，包括接入节点、相容通路等信息。
b）节点状态计算。扫描所有预警事件，根据相容
故障源概率，并更新节点状态值。
c）故障源搜索。遍历回溯故障分析图节点集合
N0，获取状态值最大的节点Nx，确定节点Nx及其到上
联节点之间的传输为故障点疑似范围。
2.3探针5G专网边缘硬探针测试场景
a）硬探针内置5G模组，通过园区5G基站无线信
号接入用户专网，可模拟园区5G终端发起Ping/TCP
Ping用户服务器、发起DNS、HTTP、TraceRoute、FTP上
下行传输等测试功能。
b）硬探针内置2.4G/5GWi-Fi模块，通过用户
CPE释放的Wi-Fi信号接入用户专网，可测试终端至
CPE的网络质量及a）中的所有测试项。
c）硬探针通过以太网口有线接入用户AR设备，
模拟用户AR下的终端测试a）中的所有测试项。
3实施成效
该系统已在某省13个地（市）应用，通过在客户专
网内部署5G测试硬件探针，并采用多接口分段测试方
法，可以快速发现业务降质并对故障进行定界定位，
提高了5G专网维护效率。使用系统进行日常网络维
护及故障诊断分析，识别网络和业务隐患，通过趋势
分析发现网络隐患，通过失败码偏离率等算法自动定
位问题原因，网络分析效率提升80%以上，故障定界
定位效率提升90%以上，有效解决了5G专网网络维
护痛点，显著提升5G专网维护的效率和准确性，为客
户提供更好的服务保障。
本研究提出了一种新的基于探针的5G专网网络
质量测试方案，能够实现快速、准确的网络质量探测，
并满足5G专网网络服务质量的要求。未来，可以进一
步改进技术，引入更多的人工智能算法，以提供更为
准确、有效的5G专网网络质量控制手段，从而为该网
络的稳定运行提供有力保障。这一方案具有广泛的
应用前景，将对5G专网网络运维的发展产生重要的推
动作用。
［1］沙莎.基于仿真技术的5G核心网络质量监测研究［J］.信息技术
与信息化，2020（1）：135-137.
［2］杨琨琨，袁明，鲁冬林，等.基于网络探测的服务器负载均衡技术
研究［J］.网络新媒体技术，2014，3（4）：7-11.
［3］杜彦辉.网络服务探测技术研究［J］.中国人民公安大学学报（自
然科学版），2007（1）：69-72.
［4］张涛，胡铭曾，云晓春，等.网络信息主动探测技术的研究与实现
［J］.计算机工程与应用，2004，40（31）：17-20，43.
［5］牟克璠.基于软硬探针相结合的IPTV可视化运维保障［J］.邮电
设计技术，2022（4）：90-92.
丆丆丆丆丆丆丆丆丆作者简介：
陶志平，工程师，硕士，主要从事5G专网、物联网网络
运维及创新工作。
表1测试模型能力支持表格
分段测
试点
接入段
无线段
核心
网段
接入
节点
AR
测试
目标
服务器
测试发
起方向
上行
下行
测试业务流覆盖的专
网节点
AR、CPE、基站、UPF、
AR（核心网段）、服务器
CPE、基站、UPF、AR
（核心网段）、服务器
基站、UPF、AR（核心网
段）、服务器
基站、UPF、CPE
AR（核心网段）、UPF、
基站、CPE
接入方式
以太网
以太网或
注：将终端段→服务段的测试方向作为上行，反之作为下行。
09
收稿日期：2023-05-16
我国是一个矿产资源大国，矿产资源储量居世界
前三，年经济产值达万亿元，根据中国矿业联合会的
统计，我国井工煤矿占比达80%以上。井下空间狭
小，环境复杂，生产条件恶劣，对井下通信系统及设备
的性能要求非常高。5G具有高可靠、大带宽、低时延
等特点，可用于井下融合通信、高清视频回传、矿用机
械远控等场景，已经成为矿山智能化的有效助力［1-2］
。
随着国家发改委等八部委联合印发《关于加快煤
矿智能化发展的指导意见》的通知以及国家工信部等
十部委联合印发的《5G应用“扬帆”行动计划（2021-
技术在矿山的应用展开了深入研究［3-6］
，建设了一系列
5G智慧矿山示范项目。
目前业界对于5G网络在井工矿的应用研究主要
以煤矿为主，对非煤矿井探索较少。本文根据国家相
关规范要求以及5G网络组网架构，对井下5G网络的
皮基站、微基站、DAS系统、漏泄电缆等覆盖方式进行
了初步研究，为井下5G网络设计提供了多种选择。
2井工矿5G专网架构
5G专网是为政企客户建设的5G专用网络，不承
载大网用户，因此具备安全隔离、资源专享等特点［7］
井工矿5G专网无线覆盖方案研究
ResearchonWirelessCoverageSchemeof
5GPrivateNetworkinUndergroundMine
井工矿；5G专网；无线覆盖；泄露电缆
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.003
5G技术的应用推动了矿山智能化快速发展，井工矿工作环境恶劣，无线传播环
境复杂，5G无线覆盖难度较大。重点介绍了井工矿5G专网的架构以及无线网
络覆盖方案。井工煤矿对无线设备的射频功率有限制，只能采用皮基站的方案
进行覆盖，且井下设备需要进行防爆改造。非煤矿井没有射频功率限制，可以
根据现场环境采用皮基站、微基站、泄露电缆或DAS系统的覆盖方案。
Theapplicationof5Gtechnologyhaspromotedtherapiddevelopmentofmineintelligence.Theworkingenvironmentofmine
isharsh，thewirelesscommunicationenvironmentiscomplex，and5Gwirelesscoverageisdifficult.Itmainlyintroducesthe
architectureof5Gprivatenetworkandthewirelessnetworkcoveragescheme.Theradiofrequencypowerofwirelessequipmentislimitedinundergroundcoalmine，soitcanonlybecoveredbythePicostationscheme，andtheundergroundequipmentneedsexplosion-prooftransformation.ThereisnoRFpowerlimitationfornoncoalmines，andthecoverageschemeof
Picostation，Microstation，leakycableorDASsystemcanbeadoptedaccordingtothesiteenvironment.
Undergroundmine；5Gprivatenetwork；Wirelesscoverage；Leakycable
杨志华，李娜，高天（中国移动通信集团河北有限公司，河北石家庄050021）
YangZhihua，LiNa，GaoTian（ChinaMobileGroupHebeiCo.，Ltd.，Shijiazhuang050021，China）
杨志华，李娜，高天
引用格式：杨志华，李娜，高天.井工矿5G专网无线覆盖方案研究［J］.邮电设计技术，2023（9）：10-14.
10
如图1所示，井工矿的5G专网主要由无线接入网、传
送网、核心网组成，5G垂直行业专网需求在无线网和
传送网部分与5G公网需求基本一致，不需要单独配
置，但是核心网部分涉及到切片管理，在数据配置、功
能设计、运维模式等方面与公网差异较大，需要单独
配置。
5G网络的无线接入网主要由基带单元（BBU）和
射频单元（RRU）组成，按照射频单元发射功率的大
小，可以分为宏基站、微基站、皮基站和飞基站4种，主
流设备厂家2.6GHz频段设备的参数如表1所示。
由于井下巷道空间有限，无法采用宏基站覆盖，
一般采用微基站或皮基站进行覆盖。
5G传送网采用切片分组网（SlicingPacketNet
work，SPN）设备，引入了FlexE交叉硬切片和高精度时
间同步等新技术，能够满足5G业务的安全隔离、稳定
低时延要求［8］
。井下的SPN设备具备10GE/50GE的接
口，除传输5G网络数据外，还可以为井下定位系统、监
测系统等提供数据传输通道。相比工业交换机，SPN
具有传输带宽大、可提供数据隔离等优点，当前也有
很多矿企采用SPN组成万兆环网来代替原有工业交
换机组成的千兆环网传输系统。
5G的核心网分为控制面网元和用户面网元2部
分，控制面网元如AMF、SMF、UDM等主要提供接入和
移动性管理、会话管理以及用户签约数据存储管理等
功能；用户面网元UPF主要提供用户数据的转发功
能。由于矿山企业有数据不出园区以及超低时延的
需求，因此UPF一般部署在园区内，控制信令接入大
网的TOB核心网资源池。
图2所示为5G专网和公网的结构示意。
3井工煤矿5G网络覆盖方案
煤矿5G网络覆盖的主要难点是无线接入网的设
计，根据GB3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备
通用要求》规定，煤矿井下无线发射设备的射频阈功
率（无线发射设备的有效输出功率与天线增益的乘
积）不得大于6W。从表1可知，宏基站和微基站的发
射功率超出了规定范围，而飞基站覆盖范围较小，因
此煤矿井下5G覆盖采用皮基站设备。图3为井工煤
矿5G覆盖示意。
根据国家煤矿安全监察局《煤矿矿用产品安全标
志管理暂行办法》（煤安监政法字［2001］108号）的要
求，煤矿井下通信设备必须通过MA认证，传统5G设
备不能满足防爆要求，因此需要进行防爆改造，皮基
站需要加装防爆壳，天线外置（见图4）。
皮基站的射频单元pRRU为4T4R设备，通过外接
2个双极化天线向相对的2个方向进行覆盖，根据煤矿
井下实际测试数据，2.6GHz频段设备在巷道内单边天
线的覆盖距离在150m左右，2个pRRU的间距在300
m左右。
煤矿井下的主要生产区域为综采工作面、掘进工
图1井工矿5G专网架构
表12.6GHz频段设备参数
图25G专网和公网的结构
设备名
称
宏基站
微基站
皮基站
飞基站
射频发射功率
240W/320W
4×10W/4×20W
4×250mW/4×500mW
小于100mW
覆盖距离（地
面经验值）
300m以上
100~300m
20~100m
20m以内
尺寸（高×宽×
深）/mm
475×870×170
278×354×106
Φ230×40
-
重量/
kg
40
1.5
井上
SPN
园区UPF
矿山园区
井下
基站
巷道
gNb
矿区应
用平台
5G核心网
运营商传送网
SPNSPN
井下SPN井下SPN
gNb基站大网（共用公网）
面向2B（行业网）
定制建网大网（共用公网）
NSSF
面向2C（公众网）
SMFNRFAMF2
UDMPCFUDMPCF
AMF1
NRF
SMFNRF
11
作面、机电硐室和运输巷道4个部分，各区域的业务需
求和网络规划要点如表2所示。通常井下应用都是以
上行带宽为主，因此5G网络的上下行时隙配比可按照
3∶1配置，增强网络上行容量。
同时，皮基站的安装应遵循以下原则。
a）基站安装于地面或巷道壁上，天线安装在距离
地面2m以上，顶板0.5m以下。
b）基站选择安装于无淋水、岩壁坚固、无遮挡物
的位置。
c）每台基站至少预留5m光缆，便于熔接及维护。
d）拐弯的巷道，基站应部署在转角处，天线朝向
两边巷道。
e）在综采面部署时，基站应悬挂在液压支撑架的
下部。
图5所示为煤矿井下皮基站安装示意。
4非煤矿井5G网络覆盖方案
非煤矿井如铁矿、金矿等，不存在瓦斯等爆炸性
气体，因此对井下设备的发射功率没有限制，无线接
入网可以使用宏基站、微基站、皮基站等设备，根据国
家安全生产监督管理局《关于金属与非金属矿山实施
矿用产品安全标志管理的通知》（安监总规划字
图5煤矿井下皮基站安装示意
表2煤矿井下5G网络规划要点
图3井工煤矿5G覆盖示意
图4防爆改造后的5G设备
项目
现场环境
主要业务
规划要点
网络需求
设备间距
综采工作面
金属遮挡，水
汽、煤尘多
高清视频、远
程控制
综合考虑摄像
头数量、以及
金属支架遮挡
情况
单摄像头上行
带宽大于5
Mbit/s，网络时
延小于50ms
小于100m
掘进工作面
空间狭长，空
间有变化
综合考虑掘进
机移动情况、
摄像头总带宽
需求
200m
机电硐室
空间较规则
设备数采、环
境监控
综合考虑网
络覆盖连续
性、边缘覆盖
及边缘速率
单摄像头上
行带宽大于
20Mbit/s，网
络时延小于
200ms
300m
运输巷道
狭长隧道，有
转弯和分岔
状态监测、视
频AI
5Mbit/s，网络
时延小于
矿用隔爆型中继器
（传输设备）
（PB）
矿用隔爆型基站控制器
（BBU）
矿用隔爆兼本安型基站
（PRRU）
摄像头+5G模组
综采面液压设备和采煤机
巷道集控中心
地面
pRRU
采煤工作面
PTN
巷道BBU
天线
天线天线
手机CPE
UPF工业交换机调度平台
12
［2005］83号）的要求，非煤矿井的通信设备必须经过
KA认证。
皮基站的井下覆盖方式与煤矿一致，不再赘述，
下文重点阐述非煤矿井的微基站、泄露电缆、同轴电
缆覆盖方案。
4.1微基站覆盖
微基站的射频发射功率为4×10W或4×20W，相
比皮基站有很大提升，在井下覆盖距离较远。如图6
所示，在2.6GHz频段，上下行时隙配比为3∶1的情况
下，微站的井下实测上行覆盖距离达到了500m以上，
下行覆盖距离也超过了400m。微站设备为4T4R，可
以外接2副双极化天线向两边对打，因此单个微站的
覆盖距离达到800m以上，相比皮基站节省了一半以
上的设备数量。
图6微基站井下覆盖测试数据
表35GNR2.6GHz频段泄露电缆功率预算
损耗指标
设备功率（单通道）/W
单载波发射功率/dBm
接头损耗/dB
功分器及连接电缆损耗/dB
泄漏电缆入口功率/dBm
泄漏电缆传输损耗（/dB/100m）
泄漏电缆2m处耦合损耗/dB
6m处衰减因子/dB
车体阻挡+人体阻挡/dB
工程余量/dB
覆盖边缘场强（RSRP）/dBm
最大允许漏缆衰耗/dB
单边最远覆盖距离/m
取值
100
14.85
0.5
5.5
8.9
9.6
68
-100
24.9
259
下行信号电平测试结果：距离天线420m后覆盖变差。随距离增加逐步衰减。
天线规格：增益15dBi、2端口天线
上行速率测试结果：最远覆盖约为600m（速率在20Mbit/s左右波动，电平-110dBm）。
x<110
10≤x<50
50≤x<150
150≤x<250
250≤x<350
350≤x<450
x≥450
（100）（9.12%）
（137）（12.50%）
（183）（16.70%）
（158）（14.42%）
（271）（24.73%）
（244）（22.26%）
（3）（0.27%）
（439）（7.97%）
（598）（10.86%）
（913）（16.58%）
（595）（10.81%）
（658）（11.95%）
（819）（14.88%）
（1483）（26.94%）
x<-110
-110≤x<-100
-100≤x<-90
-90≤x<-80
-80≤x<-70
-70≤x<-60
x≥-60
SS-RSRP
NRMACThroughputUL
设备单通道功率设置：5W（37.0dBm）
30m60m90m120m150m180m210m240m270m300m330m390m450m510m570m
360m420m480m540m600m
4.2泄露电缆覆盖
泄漏电缆集信号传输、发射与接收等功能于一
体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用［9］
，特别适用
于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传播受
限的区域，同样适用于井工矿的巷道覆盖。
泄露电缆的信号衰耗有耦合损耗和传输损耗2
成正比。某型号泄露电缆在2.6GHz频段功率预算如
表3所示，射频RRU输出功率为100W，通过二功分向
2个方向做覆盖，经计算，单边覆盖距离可达250m以
上，设备的间距大于500m。
铁矿的地下开采通常采用无底柱崩落法回采出
矿［10］
，爆破过程中会产生冲击波，如果采用微基站或
皮基站覆盖，冲击波会对设备造成损害。泄露电缆迎
风截面积小，不受冲击波影响，在开采区域可减少维
护成本。同时泄露电缆可支持宽频传输，在POI接入
4G、广播等设备即可实现信号覆盖，可节省建设成本。
井下隧道通常使用双路泄露电缆增加5G上下行
速率，为增加网络可靠性，可将RRU2路射频输出端
分别接入2个井下隧道交叉覆盖（见图7）。当其中一
台设备故障时，还可以保证2个隧道都有信号，不影响
5G业务。
4.3DAS覆盖
分布式天线系统（DistributedAntennaSystem，
13
DAS）是采用多天线、小功率的手段，将5G信号均匀
分布到空间中［11］
。铁矿、金矿开采的地下支路较多且
比较分散，如果采用微基站、皮基站、泄露电缆等覆盖
方式会使用大量的设备，造成投资浪费。采用DAS系
统可以将1台RRU的信号通过同轴电缆分布到多个
支路，减少井下建设成本。
如图8所示，某矿井交叉支路比较多，5G信号需
要向不同的方向辐射，如果采用其他方案，需要部署2
台以上设备。采用DAS覆盖，1台RRU外接的多个对
数周期天线可以朝向不同的方向，满足电机车无人驾
驶的网络需求。
4.4几种覆盖方式对比
根据主流5G设备厂家的组网方案，同一台BBU
下可以下挂微站RRU、室分RRU以及皮站的pRRU，
因此不同的覆盖方案可以共基站部署。表4给出了不
同覆盖方案的优缺点和适用场景，在非煤矿井部署5G
网络时可根据现场环境以及项目预算选择合适的覆
盖方案。
5结束语
5G网络为矿山智能化应用提供了高速网络通道，
根据目前量产的5G无线网络设备特性，可以为井工矿
山提供多种网络覆盖方案。目前5G设备的参数还是
以满足公网为主，并没有专用的矿用设备型号，并不
能很好地适配矿井的覆盖需求。部分设备厂家正在
研发矿用5G本安型设备以及高增益矿用天线等新型
技术、新应用的发展方向，选择经济合理的覆盖方案
满足矿山5G网络的需求。
［1］王国法，赵国瑞，胡亚辉.5G技术在煤矿智能化中的应用展望
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析［J］.矿业研究与开发，2001，21（4）：16-19.
［11］高光辉，李勇，卫钰，等.DAS系统在5G室分建设中的融合与发
展［J］.电信工程技术与标准化，2019，32（10）：10-15.
杨志华，毕业于电子科技大学，高级工程师，硕士，主要从事5G专网在垂直行业的应用
工作；高天，教授级高级工程师，主要从事5G专网、工业能源行业项目研究拓展工作。
图8某金矿井下5GDAS系统
表4几种覆盖方式差异
覆盖
方式
皮基
站
微基
泄露
电缆
DAS
优点
体积小、布
放灵活
发射功率
大，覆盖距
离远
信号覆盖均
匀、弯道覆
盖效果好
成本低、组
网灵活
缺点
功率小、覆
盖距离有限
弯道覆盖
差，安装空
间受限
施工难度
大，成本高
边缘覆盖能
力不足
单公里设
备数/台
4
单公里造
价/万元
7.2
6.1
8.8
3.4
适用场景
机电硐室、巷
道
空间较大的运
输主巷道
分岔少的巷
道、开采工作
面
支路较多且距
离不长的巷道
5G天线
5GRRU
图7泄露电缆交叉覆盖示意
RRU1
RRU2隧道2
隧道1
14
收稿日期：2023-06-16
0引言
传统IP网络的主要特点是统计复用和尽力而为，
虽然在链路带宽利用效率和开放性上与其他传输方
式相比有很大的优势，但是存在时延抖动不可控、拥
塞导致丢包等问题，因此无法保证特定需求对网络要
求的“及时”和“准确”；事实上，有很多行业应用需要
网络提供可确定的带宽、时延、抖动等服务，确定性网
络就是在这种背景下提出的，它的理念是通过精准控
制为特定应用提供质量准时、准确的信息传输保证，
而电力领域一直是确定性网络研究的重点领域。
1确定性网络技术的定义及技术情况
确定性网络是指给承载的业务提供确定性业务
保证能力的网络。确定性网络采用一系列协议和机
制，通过网络切片、显式路由、资源预留、时钟/频率同
步、周期映射、门控优先级队列调度、帧抢占、流量过
滤和整形、多发选收等技术，分别保障确定性带宽、确
定性转发路径、有界时延、有界抖动、高可靠等QoS指
标。目前的主要技术包括灵活以太网（FlexE）技术、时
间敏感网络（TSN）技术、DetNet/DIP等。各类技术的总
体架构如图1所示。
电力行业的应用研究ResearchonDeterministic
NetworkRelatedTechnologyand
ItsApplicationinPowerIndustry
确定性网络；电力行业；TSN；FlexE
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.004
中图分类号：TN915.1
介绍了确定性网络技术产生的背景、当前主流技术、每种技术实现确定性指标
的方式、存在的局限性以及确定性网络技术的生态发展情况，分析了电力行业
在差动保护和视频会议2种应用的确定性需求，结合技术和产业发展情况给出
了可行的端到端确定性网络解决方案，并通过测试验证了方案的可行性，同时
对确定性网络技术的发展做了展望。
Itintroducesthebackgroundofdeterministicnetworktechnology，thecurrentmainstreamtechnology，thewaytoachievedeterministicindicatorsofeachtechnology，thelimitationsandtheecologicaldevelopmentofdeterministicnetworktechnology，
analyzesthedeterministicrequirementsofdifferentialprotectionandvideoconferencingapplicationsinthepowerindustry，
andgivesafeasibleend-to-enddeterministicnetworksolutionbasedonthedevelopmentoftechnologyandindustry.The
feasibilityoftheschemeisverifiedbytesting，andthedevelopmentofdeterministicnetworktechnologyisprospected.
Deterministicnetwork；Powerindustry；TSN；FlexE
张桂玉1
，马睿2
，白露莹1
，邓木明1
，赵锴1
（1.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京100048；2.国家电网公司信息通信分
公司，北京100761）
ZhangGuiyu1
，MaRui2
，BaiLuying1
，DengMuming1
，ZhaoKai1
（1.ChinaInformationTechnologyDesigning&ConsultingInstitute
Co.，Ltd.，Beijing100048，China；2.InformationandCommunicationBranchofStateGridCorporationofChina，Beijing100761，China）
张桂玉，马睿，白露莹，邓木明，赵锴
15
1.1灵活以太网（FlexE）技术
MAC层以下的确定性网络技术，一般是基于时分
复用调度不同业务至多个不同的子通道实现业务的
“管道”隔离，当前主要采用灵活以太网（FlexE）技术。
FlexE是承载网实现业务隔离承载和网络分片的一种
接口技术，在IEEE802.3定义的标准Ethernet技术基
础上，通过在MAC与PHY层之间增加一个FlexEShim
层，实现了MAC与PHY层解耦，打破两者强绑定的一
对一映射关系，实现M个MAC可映射到N个PHY，从
而实现了灵活的速率匹配。例如把100GEPHY池化
为20个5GE时隙，而业务口可以灵活地从20个5G时
隙资源池中申请独立的带宽资源。由于重用了现有
IEEE802.3定义的以太网技术，使得FlexE架构得以在
现有以太网MAC/PHY基础上进一步增强。FlexE实
现了链路捆绑、子速率和通道化3种应用模式，承载各
类不同速率需求业务；能够与SDN技术结合实现对L1
层的传输控制，实现网络带宽的自动调整，FlexE在城
域网/广域网有着广泛的应用。
a）时延/抖动确定。FlexE通过PHY、MAC层协同
调度，实现时隙交换以保证时延、抖动的确定性。
b）带宽确定。FlexE增加时分复用Shim层实现
MAC层与PHY层解耦，得到更灵活的物理通道速率，
支持链路捆绑、子速率和通道化3种应用模式，可按需
为业务划分切片带宽，承载各类速率需求业务，从而
保证带宽的确定。
c）转发路径确定性。基于业务的时延、抖动、可
靠性等性能指标要求，通过SRv6policy隧道技术，为
确定性业务计算1条或者多条确定性的转发路径。
d）技术局限性。当前支持的切片最小带宽为
5G，对于某些应用会造成带宽浪费。
L2层的确定性网络技术是指MAC层及以上技
道内不同流传输的冲突，保证确定性业务流的实时传
送。TSN由一系列技术标准构成。其主要分为时钟同
步、数据流调度策略（即整形器）以及TSN网络与用户
同步）、IEEE802.1Qbv（时隙控制）、IEEE802.1Qbu&
IEEE802.3br（帧抢占）、IEEE802.1CB（冗余数据传输）
等技术保证二层局域网络端到端的确定性时延、抖动
和带宽。TSN可以达到10μs级的周期传输。TSN在
以太网技术基础上，通过时钟同步、数据调度、网络配
置等机制，提供局域网内的确定性数据传输能力。
a）时延/抖动确定性。每个节点都有对应的同步
时钟和数据队列，时钟用于同步计算，队列用于处理
数据优先级，包括针对高动态数据的快速通道方式和
抢占式机制。各机制协同，为数据提供确定的传输时
隙，实现有界、低时延传输。
b）带宽确定性。采样IEEE802.1Qbv（时隙控制）、
IEEE802.1Qbu和IEEE802.3br（帧抢占）等保证带宽的
确定性。
c）转发路径确定性。结合生成树算路（RSTP/
MSTP）以及对交换机端口VLAN的控制，可以为确定
性业务流创建确定性转发路径。
d）存在的主要问题。TSN技术需要逐流维护状
态，但在大规模网络的汇聚节点存在性能和可扩展性
方面的原因无法实现逐流控制的问题，因此目前还不
适用大规模网络。
1.3DetNet/DIP/CSQF技术
L3层的确定性网络技术主要包括确定性网络
（DetNet）、确定性IP（DIP）、指定周期排队转发（CSQF）
等技术，旨在实现IP网络从“尽力而为”的转发到“准
时、准确、快速”的转发。DetNet/DIP/CSQF主要应用于
城域网/广域网组网场景，在排队转发机制上使用TSN
定义的技术，在传统IP的基础之上引入周期转发的思
想，可通过控制每个数据包在每跳的转发时机来减少
微突发，消除长尾效应，结合SRv6算路技术实现确定
性转发路径，最终实现端到端时延和抖动的确定性。
a）时延/抖动确定性。DetNet/DIP主要面向广域
网，排队转发机制基于TSN技术进行改良，并基于L3
协议定义方案，在统计复用的基础上提供确定性时延
和抖动。
图1确定性网络技术架构
1~3层自底向上、跨层协同、
精确可控的确定性网络
业务负载
2层TSN技术
1.5层FlexE技术
3层DetNet技术
TCP/UDP协议
16
b）带宽确定性。结合FlexE的硬切片特性实现带
宽物理隔离；结合SRv6切片的软切片特性实现带宽逻
辑隔离。
c）转发路径确定性。基于业务的带宽、时延、可
d）存在的主要问题。DetNet技术只实现了L3层
的可靠性保障，尚未实现转发时延控制，其时延保障
仍需要L2层引入TSN，增加了部署难度，且标准尚未
成熟；DIP技术对TSN机制加以了改进，但仍然没解决
2确定性网络技术的产业链发展情况
确定性网络产业除上述技术及标准发展以外，主
要包括产业提供者（芯片、设备、设施和管理供应商）、
产业建设者（确定性网络建设者和服务商）和产业使
用者（各行业应用客户）。
2.1确定性网络提供者
确定性网络提供者主要为整个产业和生态发展
提供相应的软硬件基础设施，其中芯片厂商提供具备
的网络芯片、FPGA、NP、CPU/GPU/TPU、DSP等设施；
基于基础硬件，设备商提供具备确定性转发能力的整
机设备；针对设备及由设备组成的网络，管控系统提
供者提供对确定性设备和网络的管理和控制能力。
确定性网络的提供者涉及确定性网络产业的基础环
节与技术研发环节，掌握着行业的核心技术，决定了
确定性网络创新和发展速度，是行业发展的关键。
2.1.1芯片的产业发展情况
确定性网络技术的芯片制造商主要是网络芯片
制造商如博通、高通、微芯科技等；此外，NP（Network
processor）提供商在支持网络转发能力的同时也支持
可编程能力，可更好地支撑确定性网络技术平滑演进
（如英伟达旗下ezchip）；CPU、GPU、TPU企业推出在端
侧支持确定性能力的产品（如英特尔、ARM、英伟）；
成和供给，如TI、ADI等。
芯片的发展将与确定性网络技术规划更好的匹配，实
现低成本芯片解决方案，更好地支撑确定性网络整个
生态的发展。
2.1.2设备的产业发展情况
确定性网络的主流设备厂商包括华为、中兴、新
华三、思科、东土科技等，这些厂商涉及无线/有线接
入、局域/广域网等多种场景及技术，各厂商涉及程度
不一，同时高校以行业应用者身份根据自身研究及需
求也推出了相应的产品。
随着未来确定性网络应用的试点和规模落地，设
备提供商将在转发、控制及运维等方面的关键技术上
进行突破，提供更加全面、可落地的解决方案。
2.1.3管控系统的产业发展情况
现有管控主要分为2类，一类由设备厂商提供，一
商的管控；另一类一般由第三方提供，与厂家设备无
关，通过转发和控制的解耦，实现多厂商的统一管控。
确定性网络建设者也参与到管控系统的研发和使用
的过程中，目标是提供跨不同厂商的管控能力，目前
电信运营商及网络水平较高的研发机构已在此方面
形成了产品及突破。
2.2确定性网络建设者
确定性网络建设者主要包括电信运营商、其他广
域网服务商；直接参与2B建设的设备商如华为、中兴、
新华三等；还有各行各业拥有较大规模自建广域网络
的企业比如国家电网、中国高铁等。当前这些企业正
在积极进行试点工作，其试点主要围绕各行业实际应
用，解决异厂商的互通性问题，从而降低用户使用门
槛，以较低成本为应用者提供全场景的端到端确定性
2.3确定性网络应用者
需求是推动技术产生和发展的源动力，确定性网
络产业的最终使用需求和使用场景是确定性网络技
术得以发展和进步的基础。工业制造、电力行业、能
源行业、医疗行业、港口运输、装备制造及车联网等各
行各业都开始进行确定性网络实际应用试点。未来
随着确定性网络各类技术发展和演进，结合各行业应
用者的应用需求和场景，生态伙伴不断优化、改进和
创新确定性网络整体方案，确定性网络应用将支撑和
驱动未来确定性网络的规模化落地实践。电力网络
在确定性网络技术方面的需求是本文讨论的重点。
3确定性网络在电力行业的应用研究
3.1需求及指标要求
3.1.1配网差动保护应用场景
我国电力系统用来实现高电压线路传输大容量
17
电能，但也存在许多风险，一旦发生安全事故，易导致
大面积的用电问题，因此，需要运用电力系统“继电保
护装置”的配网差动保护技术判断故障，并快速切断
故障区域。具体应用为：配网差动保护各侧保护终端
都通过通信通道将本端的电气测量数据发送给对侧，
同时接收对侧发送的数据并加以比较，判断故障位置
是否在保护范围内，并决定是否启动将故障切除。差
动保护要求两端需持续发送电流且同时到达，并通过
比较差异判断是否启动故障保护，因此为保证误切不
超过一定的偏差，对端到端承载网络的时延、抖动均
有较高要求；同时由于配网故障发生是随机的，配网
差动保护需要持续实时传递数据来判断和检测线路
是否发生故障，因此具有持续上行带宽流量需求，对
带宽资源保障要求也很高。总的来说配网差动保护
对网络的主要要求是：通信时延严格保持一致，带宽
确定且无抖动。
分相电流差动保护系统模型如图2所示，其业务
指标要求如表1所示。
3.1.2视频会议应用场景
由于会议视频传输的是实时的图像和语音业务，
对网络的要求较高。为了能够保障会议的通信质量，
传输网络需能够提供足够带宽且传输线路稳定，要能
够保证没有拥塞和低误码率。
一般说来，视频会议系统的承载网络应避免出现
如下情况。
a）传输网络不稳定，误码率高。
b）端到端的时延大。
c）时延抖动大。
d）丟包率大。
e）地址设定没有统一的规范。
为了使建成后的视频会议系统具备良好的效果，
承载网络应具备如下特点。
a）传输网络稳定，误码率<10-7
b）端到端的时延要求，视频会议的通用时延建议
小于200ms，100ms内最佳。
c）网络抖动的要求，由于音频/视频的传输为实
时的交互，对网络抖动的要求较高，建议保持在小于
50ms。
d）丟包率的要求，网络上的丟包率不可高于1%。
e）稳定的带宽要求。
视频会议系统的拓扑如图3所示。
3.2网络承载方案
以上2种应用对网络要求较高，因此传统电力行
业广泛应用基于SDH的网络技术承载，SDH采用时分
复用（timedivisionmultiplexing，TDM）的同步数字传输
技术，为线路保护提供了高质量的通信服务。然而，
TDM系统缺乏灵活性，由网管统一配置，不支持业务
通道智能多故障自愈保护，多业务传输场景无法有效
利用带宽。因此本文提出采用基于端到端的确定性
表1分相电流差动保护业务指标要求
图2分相电流差动保护系统模型示意
图3视频会议系统拓扑示意
指标
时延要求/ms
采集/控制频率
安全性要求
可靠性要求/%
要求
30
按需传输，频率为2ms/次
高
99.99
局部电
流测量
站点A站点B
继电保护
设备A
设备B
电流相位Im电流相位In
通信网络
液晶电视或者
拼接显示屏
视频会
议终端
视频会议
全向麦
音箱
视频会议MCU
路由器
广域网
音箱路由器
18
网络技术实现以上2种应用业务的承载方案。
3.2.1总体思路
综合考虑确定性网络技术的成熟情况、适用情况
及生态发展情况，端到端确定性方案选择了TSN和
FlexE2种确定性网络技术，结合IPv6+系列技术
（SRv6、实时检测），形成跨局域网和广域网的端到端
确定性方案，方案组网示意如图4所示。
端到端确定性组网方案的实现机制分为局域确
定性网络方案、广域确定性网络方案和端到端确定性
网络方案。
3.2.2局域网确定性方案设计
3.2.2.1局域网采用TSN交换机组网
时钟同步方案，采用精准时钟同步协议（PTP）
（802.1AS标准），使局域网内所有设备的调度周期和
步调保持一致。
3.2.2.2数据流分类方案
基于业务报文的vlan、源/目的MAC、报文优先级
（802.1p）等字段，对确定性业务流进行分类，把指定的
业务流绑定到确定性转发队列。
3.2.2.3业务流转发路径
结合生成树算路（RSTP/MSTP）以及对交换机端口
vlan的控制，可以为确定性业务流创建确定性转发路
径，满足带宽和时延的要求。
3.2.2.4业务确定性指标保证
根据各业务包大小、发包频率、设备转发速率，设
确定性业务提供独享的转发队列和时长，确保报文有
序、按时到达，满足时延和抖动的要求。
3.2.3广域网确定性方案设计
广域网确定性方案设计主要包括如下几个方面。
a）FlexE切片网络设计。为重要的业务创建
FlexE网络切片，基于业务对带宽、网络可靠性等需求，
划分切片网络、设定切片网络上每条链路的FlexE带
宽或时隙。
b）FlexE切片网络IGP路由设计。IGP可采用
ISIS或者OSPF协议，打通FlexE设备间的loopback路
由，用于SDN管控设备及PE设备间建立BGP邻居。
c）确定性转发面设计。业务转发采用SRv6隧
道，经过的链路、节点是确定的，从而时延、抖动也是
确定的。可通过SDN控制器为确定性业务流计算多
条SRv6等价路径，在链路故障时实现无差别的路径切
换，时延、抖动在切换前后几乎保持一致。
d）业务控制面设计。采用BGPEVPN作为统一
的业务控制面板，支持L2VPN、L3VPN控制面板的统
一，简化网络协议。
3.2.4端到端确定性实现
通过拼接确定性局域网与确定性广域网，实现端
到端的确定性。
在局域网与广域网的拼接段采用直连的方式，拼
接段的时延、抖动是确定的。
3.3测试及指标验证
3.3.1模拟差动保护业务测试
测试拓扑如图5所示。
测试步骤如下。
a）搭建测试组网环境。
b）在TSN交换机上设置不同业务的优先级以及
门控调度机制，BE流量设置最低优先级。
c）为被测业务流1、2设置端到端的通路，业务流
1为高优先级业务，模拟差动保护业务流；业务流2为
普通BE流量，模拟背景流/干扰流；业务流1和业务流
图5差动保护业务测试组网拓扑
TSN
交换机3
交换机4
交换机1
交换机2
测试仪
50GE（单模）
10GE（多模）
GE（网线）
局域网A局域网B
路由器3路由器4
图4端到端确定性组网方案
FlexE路由器
确定性广域网
确定性局域网
直连拼接
TSN交换机TSN交换机
19
2通过TSN交换机不同的端口进行接入，通过同一条
中继链路（trunk）转发；且在FlexE中通过不同切片进
行转发。
d）在PE1和PE2设备间配置FlexE切片，该切片
可能经过多个路由器。
e）数据网络分析仪向TSN交换机1的2个千兆端
口分别发送满带宽流量，业务流1和业务流2。
从测试结果来看，模拟差动保护业务流收发正
常，数据网络分析仪观察到无丢包，业务流的时延、抖
动都在预期范围内，符合电力行业对该业务的SLA要
求。
3.3.2模拟视频会议业务测试
测试拓扑如图6所示。
c）为视频业务流和背景流设置端到端的通路，视
频业务流和背景流通过TSN交换机不同的端口进行
接入，通过同一条中继链路（trunk）转发，且在FlexE中
通过不同切片进行转发。
e）数据网络分析仪向TSN交换机1的1个千兆端
口发送满带宽背景流量。
f）视频会议终端设置、测试仪配置及打流检测。
g）2台视频会议终端配置好IP地址，成功发起视
频会议呼叫。
h）测试仪背景流/干扰流配置。
从测试结果来看，在网络未启用端到端确定性能
力（TSN局域网关闭802.1qbv，FlexE广域网上所有流
量共切片传输）的情况下，视频会议有明显的卡顿；网
络启用端到端确定性能力后（在局域网为视频业务流
设定门控调度队列、在广域网为视频业务流划分独立
切片网络及指定转发路径），视频会议非常流畅无卡
顿。
采用本文的确定性网络技术方案进行业务承载
时，视频画面清晰流畅，可满足电力行业对于视频会
议业务的要求。
确定性网络技术作为近年来网络研究的热点，无
论从技术标准、技术实现还是产业生态都还不够完善
和成熟，但是有越来越多的国内外企业、标准组织、产
业联盟都已经看到了该技术的价值，也都在积极地进
行确定性网络技术的研究和实践，在不久的将来，确
定性网络技术一定会有更大的应用和发展，并更好地
为包括电力行业在内的越来越多的应用提供精准确
定的网络服务。
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［2］网络通信与安全紫金山实验室.未来网络白皮书确定性网络技
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［6］工业互联网产业联盟.电力确定性网络应用白皮书［EB/OL］.
图6视频会议业务测试组网拓扑
张桂玉，毕业于吉林大学，主要从事IP网络、云网一体、SDN等规划、咨询、设计、技术方
案和创新研发工作；马睿，教授级高级工程师，硕士，主要从事电力通信系统规划与管理
工作；白露莹，毕业于西安电子科技大学，高级工程师，硕士，主要从事智能云网规划、咨
询、设计及SDN管控等研发工作；邓木明，毕业于北京邮电大学，工程师，主要从事智能
云网规划、咨询、设计、技术方案和创新研发工作；赵锴，毕业于北京交通大学，工程师，
硕士，主要从事智能云网与企业数字化方向的规划、咨询以及企业创新研发工作。
视频终端视频终端
20
收稿日期：2023-08-08
高校校园智慧化应用需要一张稳定、可靠、安全、
高速、灵活部署与接入的网络来承载。传统的高校校
园网络架构普遍存在多校区网络管理分散，应用系统
的增多导致网络管理压力大，校园固网与无线网无法
融合互通，校区Wi-Fi网络易存在覆盖盲区，多校区教
学资源共享互动难，科研教学后勤等不同业务按优先
等级安全隔离及管控难，教职工出差时无法便捷接入
校区内部资源访问等一系列难题，需要一种创新的网
络架构来解决。
中共中央、中国国务院印发的《中国教育现代化
2035》提出要充分运用新技术、新机制、新模式，创新
教育服务供给方式，深化办学体制和教育管理改革，
充分激发教育事业的生机活力。5G凭借超高速率、高
可靠性、低时延、广连接等特点，再融合上SD-OTN全
光网络技术、Wi-Fi6、云计算、AI智能网管等下一代通
信及互联网创新技术，通过固移融合、5G与Wi-Fi6互
补盲区、网络统一认证等技术手段，提高教职工应用
移动宽带通信的满意度，实现一网统管、一网通用、多
网互联、按需接入的效果。本文将以创新驱动为理
念，整合多种网络创新技术，助力智慧教育的长足发
基于5GMEC构建智慧高校
超融合专网研究ResearchonBuildingaHyper-integrated
PrivateNetworkforSmartUniversity
Basedon5GMEC
5GMEC；智慧高校；超融合专网
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.005
提出一种基于5GMEC技术为高校构建的超融合专网的校园网络架构，可实现
多校区间校园本地固网、Wi-Fi网络与5G网络融合互通，3种网络的管理系统
实现统一网管，3种网络的切换认证实现按需无缝切换，切实提升教职工的用网
满意度，同时进一步引入智能网管技术减轻校方网络管理工作者的日常维护压
力，促进校园各类智慧化应用系统快速部署推广与应用。
Itproposesacampusnetworkarchitecturebasedon5GMECtechnologytobuildahyper-integratedprivatenetworkforcollegesanduniversities，whichcanrealizetheintegrationandinterworkingofcampuslocalfixednetwork，Wi-Finetworkand
5Gnetworkbetweenmulti-campuses，theunifiednetworkmanagementofthethreenetworkmanagementsystems，andthe
seamlessswitchingofthethreenetworksasrequired，anditcaneffectivelyimprovethenetworksatisfactionofteachersand
staff.Atthesametime，itfurtherintroducesintelligentnetworkmanagementtechnologytoreducethedailymaintenance
pressureofcampusnetworkmanagementworkersandpromotetherapiddeployment，promotionandapplicationofvarious
intelligentapplicationsystemsofcampus.
5GMEC；Smartuniversities；Hyper-integratedprivatenetwork
梁毅1
，许冬2
（1.中国联通广东分公司，广东广州510630；2.中国联通上海分公司，上海201100）
LiangYi1
，XuDong2
（1.ChinaUnicomGuangdongBranch，Guangzhou510630，China；2.ChinaUnicomShanghaiBranch，Shanghai
201100，China）
梁毅，许冬
基于5GMEC构建智慧高校超融合专网研究
引用格式：梁毅，许冬.基于5GMEC构建智慧高校超融合专网研究［J］.邮电设计技术，2023（9）：21-25.
21
展，为探索破解高校校园传统网络的短板问题提供一
种创新的解决思路。
1网络设计与建设方案
1.1校园超融合专网设计思路
校园超融合专网具体是指在统一安全和运维支
撑下，融合5GMEC、Wi-Fi6、固网、云计算、AI智能网
管等新一代网络基础设施，在集中统一管控、智能感
知的软件定义网络（SDN）技术下重构的一种新型智慧
校园专用网络，旨在打造泛在的、融合的新一代校园
网，成为构建“智慧高校”的网络基座。
在校园超融合专网中，助力校园的数字化转型是
校园超融合专网建设的主要目标之一。以5GMEC、
AI、云计算、AR/VR、大数据等为代表的新基建信息技
术，已在高等教育中得到迅速应用推广。为了让校园
网满足数字化转型需求，必将对目前校园传统网络进
行重构，以适应新一代基建信息化技术在校园应用。
校园超融合专网正是满足重构后的校园新型网络，它
将是兼容IPv4/IPv6的双协议，融合固网、5G、Wi-Fi“三
网合一”的大网络，全校一张网，统一管理、统一运维，
具备广覆盖、大带宽、部署运维简单、智慧感知、安全
和开放的特点，实现“一网统管”。
图1所示为超融合校园专网的设计思路。对于固
网网络，校园固网骨干承载网络采用SD-OTN技术，建
设全光智能网络实现多校区及校区内不同信息节点
的光速互联，主干网络网速上限可高达600Gbit/s。对
于无线网络，建设全覆盖的5G网络，实现5G与WiFi6的有机补充，5G与Wi-Fi6均接入校园统一认证系
统，可按需实现快速切换。在网络融合方面，将5G
MEC通过专线+防火墙接入校园固网核心节点，实现
与校园固网、Wi-Fi网络的IP互通；在网络管理方面，
在高校核心校区内建立独享下沉式5GMEC为全校园
网络管理中心的校园网络中枢大脑，统一融入校园固
网网管、Wi-Fi控制器、5G网络管控等各类网络管理
系统，实现固移融合、云网协同、网安一体、网络AI化
运维。
1.2校园超融合专网建设方案
如图2所示，校园超融合专网融合了5G、Wi-Fi和
固网技术，总体架构自上而下可分为3层：核心管理
层、三网汇聚层、网络接入层。
a）最上层为核心管理层，作为整个融合校园网络
的核心，它承担了整个网络的接入控制、AAA认证、分
流访问策略等管理功能。校园超融合专网采用部署
下沉式5GMEC作为网络中枢大脑，在此实现CT与IT
的一体化融合，不仅实现校园网络数据的安全、可靠
接入，同时完成5G、Wi-Fi和固网的统一接入管理，实
现三网统管。
b）中间层是三网汇聚层，此层可实现三网融合、
固移互通、业务统一承载。校园超融合专网借助先进
的SDN、NFV等网络虚拟化技术，在校园内构建端到
端的独立专用通道，为特定用户或特定业务提供端到
端QoS保障、SLA服务保障、独立逻辑业务通道等网络
差异化保障能力，例如：5G网络切片、5G校园业务随
行专网等业务。
图1智慧高校三网融合设计思路
网络中枢大脑
（MEC）
多网纳管/智能感知/高效运雄宿舍
宽带网
教学网科研网弱电
监控网Wi-Fi网
校园本
地固网
校园
5G网
校区A校区B
校区C校区D
SD-OTN
全光网络
规建维优
三网融合
固网、5G、Wi-Fi有机结合，实现全场景末端千兆网络接入，
随时随地移动科研、教学、办公。
终端极简、安全接入，异常终端精准识别，安全隔离。
建设学校现场级边缘云，接入固网、Wi-Fi、5G，实现超低时
延的创新ICT应用一站式承载服务。
统一认证审计、策略随行。
云网协同
全局防御、动态检测、智能分析、自动处置。
终端零信任接入，终端防仿冒和异常行为识别，构筑网络安全
边界。
网安一体
多种网络统一接入网络大脑，实现统一网管。
从被动到主动运堆，故障分钟级定位。
实现网络质量智能感知，运维可视化图表，减轻维护压力。
网络AI化
22
过5G宏站、5G室分、固网光纤、超六类网线及WiFi6
AP设备，实现多场景和多终端分权、分区、灵活、高速、
无感接入校园内网。
d）固网网络建设方面，跨校区间及本地校园网均
通过SD-OTN电路实现互连（见图3），教学大楼内通
过光纤连接跨层网络接入间的万兆汇接交换机，末端
通过超六类网线接入到每个办公座位、课室、实验室
的桌面固定网卡（千兆端口）。
e）移网网络建设方面，以5G网络为主要接入方
式，以5GMEC平台（UPF+MEP平台）为校园网络交换
核心，固网、Wi-Fi、5G统一接入5GMEC平台，实现
5G、固网、Wi-Fi多网融合接入，构建智慧高校5G+固
网+Wi-Fi的超融合校园专网（见图4）。其中，固网、
图2智慧高校三网融合网络建设拓扑
固网SDOTN网管
Wi-Fi园区
控制器
（运营商）
防火墙核心交换机
数据中心
管理层
跨校长途网
校园本地网
由运营商负责提供
校园本地网络资源
5G（校园网）+固网（SD-OTN全光网络）
+WiFi6（三网合载）
A
校区
C
三网
汇聚层
Wi-FiB校区5G固网
5G宏站
/室分
AAUpRRU
BBU
光纤
万兆光端机
千兆交换机
固网接入
AP
汇聚SW
接入SW
Wi-FiAP
网络
接入层
MEC多接入边缘计算：
CT、IT融合：连接CT+计算IT，一体化服务。
MEC下沉：低时延、大带宽、高安全（数据不出
校园区）。
核心管理：
5GMEC：网络神经中枢，交换中心，AAA认证、
统管固移网络策略、实现三网统管。
Wi-Fi网关/固网网管：Wi-Fi和固定网络统一
接入管理，可按需融入网络大脑，实现统一网管。
三网融合承载：
三网融合，超宽演进：固、移统一承载。
FlexE硬切片，体验保障：安全隔离，统一运维。
接入方式灵活、丰富：
固网：固定位置接入，稳定可靠。
5G：室外、室内人员手机移动接入。
Wi-Fi：室内PC/手机灵活选取网络。
图3智慧高校三网融合网络之固网建设
校区内采用SD-OTN技术
建设本地全光网络
可提供丰富的业务接口
支持接入E1、STM-N、FE/GE/10GE、
OTU1/2/3/4、FC等多种业务接口
E1
STM-1
FC-FICON
CPRI
FE/GE/10GE
/40GE/100GE
/40GE/100GEMPLS
MPLS
VLAN
ODUk
最后100m，实现千兆到桌面
教学大楼内通过光纤连接跨层网络接入
间的万兆汇接交换机，末端通过超六类
网线接入到每个办公座位、课室、实验室
的桌面固定网卡（千兆口）。
校园光网络接入
楼内光纤
千兆交换机千兆交换机
超六类网线超六类网线超六类网线
ROADM
实现光层直达
OXC助力
业务快速部署
超100G满足
更大带宽需求
校区A校区B智能全光网络
带宽可按需
调整
一跳上核心网
多方向
OXC自动光
调度
单波道
200G~600G
校区C
跨校区间通过SD-OTN电路互连
200G
400
G
600
①②
⑥
⑦
③
④
⑤
⑧
②三类25对电缆预留10%的裕量；
智能网）；⑦楼层管理间（机柜和配线架）；⑧设备间总配线架（数据中心机房）。
VC4
VC12/VC3STM-NETHODUkODUk
ODUkOChOTM-N
23
Wi-Fi接入用户通过AP或交换机接入校园内网，5G校
园用户在核心网后台配置专用DNN，采用中国联通5G
随行专网技术，根据DNN将会话分流汇聚到不同的
SMF/UPF，实现客户定向访问。如：当5G校园用户访
问校园内网资源目的地址时，学校ULCLUPF根据用
学校内网；当5G校园用户访问互联网资源网站时，学
校ULCLUPF会自动定向路由到公众大网UPF直达互
校园内可按需直接访问校园内网资源或互联网资源。
基于5GMEC的智慧高校超融合专网可打造一张
集固网、5G、Wi-Fi的多网合一的校园网络，推进校园
网和校区间光传输网的升级换代，实现全校“一张网”
管理，具有广覆盖、大带宽、管理简单、智慧感知、安全
开放等特点的新型网络（见图5）。
2方案技术创新点
基于5GMEC的校园超融合专网，是在传统校园
网上的网络重构。它以5GMEC为网络中枢大脑，实
现多校区融合、三网融合、教研融合、用管维融合，实
现智慧高校5G+固网+Wi-Fi融合的校园网。固移融
合校园网采用MEC（UPF+MEP平台）作为交换核心，
部署下沉式5GMEC作为网络中枢大脑，固网、Wi-Fi、
5G统一接入MEC平台，实现CT与IT的一体化融合，
完成5G、Wi-Fi和固网的统一接入管理，实现三网统
管。
2.1多校区融合：全校一张网
对于一校多区的高校，通过基础运营商提供的
SD-OTN智能全光网络实现网络互联，不同校区的学
区之间的智慧应用也可以通过5G实现互动，让全校的
5G融合为一张移动专网，提供低时延、大带宽的校园
专网服务，从而可以实现把实力强的校区师资有效帮
扶到其他校区，为学生、老师提供等同面对面的互动
和学术交流，助力高校多校区协同、均衡、平等发展。
2.2教研融合：2C2B双域同时提供专网服务
通过一张5G专网，同时为教育、科研2个领域提
供专网服务。一方面，通过5G超融合专网，可为高校
师生手机及各种智慧应用提供不换卡、不换号接入校
园内网，实现互联网和教育专网的无感切换。另一方
面，基于5GMEC构建的高校超融合专网可作为科研
图4智慧高校三网融合网络之移网建设
业务汇聚网关业务汇聚网关
汇聚交换机汇聚交换机
POE交换机POE交换机
MEC平台
EDGE校园数据中心
5G内网
流量
高校大MEC+校园内网
运营商
某高校
大UPF2CUPF
5G网络
教室
Wi-Fi和固网流量
吸顶AP
5G室分5G室分
宿舍
面板AP
行政楼
5G室分吸顶AP
5G室外站
室外
5GCPE5G手机PC5GCPE5G手机PC5GCPE5G手机PC5G手机
FE
图5中国联通智慧高校5G随行专网拓扑
学校内网
学校ULCLUPF
大网UPF
互联网
24
专网，服务学校各种科研和科技应用创新，与产业深
度融合，助力高校建设极具创造活力、特色鲜明的世
界一流高水平大学。
2.3用管维融合：用网、管网、维网并行
在用网方面，5G提供高效的智能网络，承载各种
智慧应用。在管网方面，5G自服务平台作为统一网管
录，免二次认证跳转其他网管的功能。基础通信运营
商可将5G网络能力、算网资源的灵活调配权限开放给
高校的网络管理方和使用方，实现高效的网络管理与
控制。在维网方面，通过整合了固网网管和Wi-Fi网
关的5G自服务平台，可实现高校对5G网络及固网、
Wi-Fi网络的全面感知以及监控和维护，实现一网统
管的高效网络运维管理。
3结束语
本文尝试通过MEC技术将5G移动网、Wi-Fi网、
固网共同融合，打通网络和高校认证系统的互联，实
现3张网络之间的无缝切换。同时，网管的融合也能
为信息化人员提供便利，5G、Wi-Fi、固网都在同一个
界面管理，前端实现多模接入融合，后端实现一键管
理融合。
通过叠加5G网络接入方式，校园网不再拘束于固
网和Wi-Fi，校园网无线信号可实现100%覆盖。5G
网络具有基站间切换不掉线、拥有专用频段和通信运
营商专业化管理、网络可靠性可达99.99%等优势。
5GMEC下沉可实现高效边缘计算，通过将应用部署
在MEC平台上，学生与教职工用户可享受低时延的边
缘计算服务，且数据不出校园区，保障了校园数据安
全。
2022年7月起，中国联通某省分公司与某大学紧
密合作，在某大学城校区率先试点建设基于5GMEC
构建智慧高校的超融合专网。目前已完成大学城校
区校园5G应用区域全面覆盖，5GMEC已部署到校区
核心机房，实现与现有校园宽带网络、Wi-Fi网络的数
据互通。2023年内将打通该大学所有校区5G基站和
校园专属UPF的路由，完成各校区校园专属UPF出专
线连接到校园内网，预期校园内网访问效率可提升
50%，网络运维效率提升33%，惠及5万多名学生和
4000多名教职工，对提升全体学生、教职工的用网幸
福感、实现智慧校园的数字化转型、建设网络强校具
有重大意义。后续，中国联通某省分公司将把基于
5GMEC构建智慧高校的超融合专网技术和建设经验
逐步推广到全省各高校，助力高校加快建设世界一流
大学。
［1］Systemarchitectureforthe5Gsystem（5GS）stage2（release16）：
3GPPTS23.501［S/OL］.［2023-06-05］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
［2］Proceduresforthe5Gsystem（5GS）stage2（release16）：3GPPTS
23.502［S/OL］.［2023-06-05］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
［3］ETSI.Multi-accessedgecomputing（MEC）；terminology：ETSIGS
［4］ETSI.Multi-accessedgecomputing（MEC）；frameworkandreference
architecture：ETSIGSMEC003V2.1.1［S/OL］.［2023-06-05］.
［5］KEKKIS，FEATHERSTONEW，FANGYG，etal.ETSIwhitepaper
etsi.org.
［6］ETSI.Multi-accessedgecomputing（MEC）MEC5Gintegration：
org.
［7］中国通信标准化协会.5G核心网边缘计算总体技术要求：YD/T
3962-2021［S］.北京：中国通信标准化协会，2021.
［8］何宇锋，林奕琳，单雨威.5GMEC分流方案探讨［J］.移动通信，
2020，44（9）：49-57.
［9］郑伟.5G专网将成企业未来网络战略的重要组成［EB/OL］.
［10］谢永安，刘永亨.广州5G校园专网解决方案实践［J］.广东通信技
术，2022，42（3）：63-67.
［11］陈娟，黄梓阳.基于5G与MEC的高校图书馆网络规划与应用服
务构建［J］.无线互联科技，2021，18（13）：33-35.
［12］唐旭.加快基础教育专网建设推动江西省教育均衡化发展［J］.智
能建筑，2021（11）：38-42.
［13］赵鑫，曹伟平，张媛，等.“互联网+”背景下高校智慧校园建设思
路与探讨［J］.中国市场，2018（4）：255-256.
［14］王雯.基于“互联网+”时代的高校智慧校园建设策略［J］.老字号
品牌营销，2020（2）：127-128.
［15］张志云.基于“互联网+教育”的高校智慧校园的应用与研究［J］.
互联网周刊，2021（16）：69-71.
［16］周克荣.高校信息系统集成中统一门户的设计与实现［J］.无线互
联科技，2019，16（16）：62-63.
丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆
梁毅，毕业于暨南大学，学士，主要研
究方向为政企行业中大型通信组网
规划设计；许冬，毕业于西安通信学
院，学士，主要从事通信网络工程建
25
收稿日期：2023-08-16
5G时代，无线通信系统随着5G技术和标准的持
续演进，将进一步发展并深入到垂直行业，加快企业
数字化转型。随着ToB垂直行业业务需求的多样性，
也为通信运营商和设备供应商带来了巨大挑战和机
遇，如果运营商遵循传统网络（如：GSM、TD-SCDMA、
LTE）的建设思路，仅通过一张网络来满足行业间差异
巨大的业务需求，对于通信运营商来说投资预算巨大
且效率低下，对于设备供应商来说，设备复杂化，成本
居高不下。因此，为了更好地满足不同行业对网络能
力的差异需求，5G专网应运而生。
在5G专网的建设中，企业对网络的安全性提出了
高要求，其中主要包括专网的隔离，如何做到专网与专
网的隔离、专网与公网的隔离是必须要面对的一个难
题。通常的网络隔离方案就是采用物理隔离，物理隔
离需要依托公共陆地移动网（PublicLandMobileNet
work，PLMN）或者切片进行隔离。而当前受限于终端
无法预置切片ID，基本上都采用了PLMN隔离，通过
PLMN隔离就需要不同的专网使用不同的PLMN，这就
增加了公网的PLMN的资源消耗。
NPN是在3GPPR16中引入的新特性，是一种用于
基于PIN-NPN的
5G专网解决方案研究
PNI-NPN；非公共网络；5G；应用场景
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.006
在5G专网的建设中，专网与专网的隔离、专网与公网的隔离是必须要面对的一
个难题。通过PNI-NPN技术实现在同一PLMN的2个独立专网之间的物理隔
离。PNI-NPN等5G非公共网络技术已成为垂直行业进行数字化转型的关键
点，可以满足不同行业的专网建设需求。同时，5G专网也为电信网络提供了新
的商业模式，PNI-NPN技术在5G专网的应用使得公网资源可在同一PLMN下
帮助企业按需部署安全的5G专网，可以节约大量的专网投资。
Intheconstructionof5Gprivatenetwork，theisolationbetweendifferentprivatenetworks，aswellastheisolationbetween
privatenetworkandpublicnetwork，isachallengethatmustbefaced.ThroughPNI-NPNtechnology，physicalisolationis
achievedbetweentwoindependentprivatenetworksusingthesamePLMN.5Gnon-publicnetworktechnologiessuchas
PNI-NPNhavebecomethekeypointsforverticalindustriestocarryoutdigitaltransformation，whichcanmeettheconstructionneedsofprivatenetworksindifferentindustries.Atthesametime，the5Gprivatenetworkalsoprovidesanewbusiness
modelforthetelecommunicationsnetwork.TheapplicationofPNI-NPNtechnologyinthe5Gprivatenetworkenablespublic
networkresourcestohelpenterprisesdeployasafe5GprivatenetworkondemandunderthesamePLMN，whichcansavea
lotofprivatenetworkinvestment.
PNI-NPN；Non-publicnetwork；5G；Applicationscenarios
梁健堂，陈嘉明，许小婉（中国移动通信集团有限公司江门分公司，广东江门529000）
LiangJiantang，ChenJiaming，XuXiaowan（ChinaMobileCommunicationsGroupCo.，Ltd.JiangmenBranch，Jiangmen529000，Chi
na）
梁健堂，陈嘉明，许小婉
基于PIN-NPN的5G专网解决方案研究
引用格式：梁健堂，陈嘉明，许小婉.基于PIN-NPN的5G专网解决方案研究［J］.邮电设计技术，2023（9）：26-32.
26
构建垂直行业专用网络的技术。NPN可以和工业互
联网进行很好的融合，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，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。
根据部署方式的不同NPN被分为2种类型：独立的非
公共网络（SNPN）和非独立的非公共网络（PNI-NPN）。
本文重点探讨PNI-NPN在工业互联网中的部署方案
和优势，并以某园区实际应用为例，说明PNI-NPN的
应用效果。
15G专网技术
5G技术可以提供ToC和ToB等服务，随着个人通
信消费能力饱和，ToC市场增长放缓，ToB企业用户逐
步成为5G市场的主角。如果ToC和ToB网络合一建
设，实际是建设公网而不是专网，因两者服务对象、业
务内容等差异化较大，合建会有很多不利之处，单独
建设5GToB行业专网，能更好为行业用户提供差异化
的服务，进一步拓展5G业务领域。ToB和ToC业务的
模式对比如表1所示。
1.1NPN网络技术概述
NPN一般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。在3GPP协
议3GPPTS23.501的定义中，SNPN和PNI-NPN具体
的部署方式如下。
a）SNPN。SNPN不依赖公共网络提供的功能，包
括无线和核心网都独立部署，独立管理。一个SNPN
可以是一个隔离的不与PLMN之间交互的NPN网络，
NPN和PLMN可部署在不同的网络基础设施上。
b）PNI-NPN。又称公共网络集成的非公共网络，
即在PLMN基础上部署的NPN。PNI-NPN可以完全或
部分托管在PLMN基础设施上，依赖于部分公共网络
的网络功能。
（a）PNI-NPN是公网网络的一个切片。
（b）独立的数据网络名称（DataNetworkName，
DNN）+用户面功能（UserPlaneFunction，UPF）。
（c）通过封闭访问组（ClosedAccessGroup，CAG）
机制，对接入PNI-NPN网络的终端做接入控制。
SNPN和PNI-NPN模型如图1所示。
1.2SNPN与PNI-NPN的技术对比
SNPN具有以下优势和劣势。
a）投资和运维：SNPN是完全独立的网络，与公网
是完全隔离的，安全性是最好的，但网络投资巨大，部
署、运维都是系统性难题。
管理机构审批）。
c）安全互通：对接一个SNPN等同于对接一个新
的公网系统，对接SNPN的工作量大，SNPN数量多的
话，对接就更加困难。
PNI-NPN具有以下优势和劣势。
a）投资和运营。接入公网进行网络部署和运维，
无需企业自建5G网络，不存在频谱问题。
b）CAG方式。实现公网用户和其他专网用户禁
止接入、切换到专用小区，提供小区级的物理隔离保
障。
c）切片方式。终端、无线、网络侧需要支持切片
增加信令消耗，影响接入时延。
传统切片专网和NPN专网模型的对比如表2所
1.3PNI-NPN技术解决方案
目前由于产业链暂未成熟且推广难度大，SNPN
图1SNPN和PNI-NPN模型
公网5GC专网5GC
运营
商网专网
互操作
公网5GC5GC切片
商网
NPN
切片
SNPN模型PNI-NPN模型
表1ToB和ToC业务的模式对比
对比项
业务类型
用户
业务开通
用户规模
网络状况
市场特点
标准状况
与现网关
系
ToC（传统通信及互联网）
单一，主要是eMBB，满足
消费者语音和上网需要
个人用户
单个用户或者批量用户
大，依赖于现网用户数量
业务统一，网络相对稳定
成熟市场，需求稳定
标准成熟，已基本收敛
大，和现网需要进行业务
继承和互操作
ToB（行业/企业专网及互联网）
多样，包括eMBB、uRLLC、
mMTC、V2X等多场景
企业、行业、政府等
组织架构型开通
小，初期处于磨合培育期，预期
未来有较大发展
需求众多，网络随需而动，变化
频繁
蓝海市场，需求多变
标准继续（R16、R17）还待完善
小，相对独立，可不依赖现网独
立建设与发展
27
不被采用。在5G专网的建设中主要采用PNI-NPN方
案。
PNI-NPN依赖PLMN网络，一般部署CAG功能。
该功能用于限定专网用户的接入区域，阻止未被NPN
网络认证的终端用户接入集成NPN的公共网络，从而
做到专网隔离。
基于PLMN网络部署的PNI-NPN，采用网络切
片+封闭接入组CAG技术。先用网络切片进行资源隔
离，行业终端专属基站或者频段，资源独享，核心网通
过切片构建专属切片网络，然后通过CAG机制，基站
广播PLMN+CAGID，RAN/AMF基于CAG进行网络/小
区选择和接入控制、移动性管理限制。
CAG技术原理包含接入控制、切换判决和寻呼。
a）接入控制。专网通过小区SIB1系统信息广播，
指示非CAG终端禁入和该小区的CAGID列表；专网
用户基于AllowedCAGID选择匹配的专网小区接入，
公网用户因专网小区禁入，不能接入专网。
b）切换判决。对于配置了CAG-only指示的UE，
当小区支持的CAG属于UE的allowedCAGlist时，该
小区成为UE切换的目标小区。
c）对于寻呼。基站根据字段PNI-NPNRestricted
和AllowedCAGListperPLMN中的CAGinformation，
确定发起寻呼的小区。
5GPNI-NPN网络架构如图2所示。
为适应行业应用场景的多样化需求，根据PNINPN与5G公网的共享关系，可将PNI-NPN主要共享
方案分为3类：端到端共享方案、共享无线网和控制面
方案、共享无线网方案。5GPNI-NPN的3种典型方案
架构如图3所示。
a）端到端共享方案。无需新建任何网元，依赖
PLMN网络功能，但数据和信令出园，存在安全问题，
时延取决于园区和公网UPF/MEC间的距离，全部共享
公网资源，部署简单且成本低。
b）共享无线网和控制面方案。园区需独立配置
UPF、MEC，数据可以做到不出园，安全性相对较高，由
于专用UPF、MEC下沉到园区，能够有效降低数据传
输时延，但身份验证、移动性、与公网互通功能等仍需
要公网网元执行，部分专网网元下沉到园区，部署成
表2传统切片专网和NPN专网模型的对比
切片专网
核心网网元
NG-RAN
UE
隔离
与EPS互通
紧急服务
漫游或切换
网络标识
接入控制
非3GPP接
入
标准成熟度
对比分析
PLMN
cell
TAC
根据专网类别（软切/软硬切/硬切）部署有差异
支持切片识别
支持切片能力
软切片专网<软硬切片专网<硬切片专网
支持
同大网标识，可针对特定行业分配特殊
PLMN+NID，或者分配专用DNN等多种方式
网络切片无法识别限制UE在的园区接入，需
要签约类似LADN等方式进行接入控制
成熟
切片端到端商用部署不成熟，但部署成本低
近期可通过签约DNN进行软切片专网部署
中长期进行软硬切片满足2B行业专网需求
SNPN
AMF/SMF/N3IWF/PCF/UDM
支持接入SNPN的NG-RAN基站将广
播PLMNID和每个PLMNID的NID列
表，用于通知终端可接入的SNPN
UE支持SNPN功能，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
SNPN可以和大网共享NG-RAN，也可
不支持
不支持SNPN之间的漫游和SNPN之
间的切换
PLMNID+NID
用户签约信息包括了统一接入控制
（UnifiedAccessControl，UAC）信息
支持，但是SNPN接入大网需要单独
配置N3IWF，双层N3IWF组网复杂
不成熟
联互通的前提下，可能是企业或行业
选择
PNI-NPN
AMF/SMF/PCF/UDM
初始接入和小区重选过程中，NG-RAN需要广
播自身支持的CAGID和相应的PLMNID信息
支持CAG功能，可预配置在UE中，并可通过
UCU流程进行更新
PNI-NPN可以和大网共享或独立部署NG-RAN
可单独部署AMF/SMF等网元，隔离度高
为NPN用户分配专用DNN或者分配1个或多个
网络切片实例
CAG来进行接入控制
一般
CAG按照小区级进行分组，UE根据CAG策略接
入到CAG对应的基站，无论是终端、基站、核心
网均需要感知，功能波及网元较多
28
本较低。
c）共享无线网方案。园区需配置UPF、5GCCP、
MEC、UDM等，数据和信令都不出园，除gNB外，其他
网元全部物理隔离，安全性高，全部专网网元均下沉
到园区，时延低，但部署成本高。
2以某园区为试点案例说明PNI-NPN技术
2.1某园区项目背景
某园区目前有3个基站，基站传输已经做了双路
由保护，但由于地处偏远，传输接入环上需要经过好
几个其他节点才能汇聚到汇聚机房，传输路由长故障
概率大。而且由于地处海边，每年遭受台风袭击，台
风期间由于传输中断（传输断缆、传输机房停电等）导
致某园区的（无线/有线）通信中断时有发生，无法满足
某园区极高的通信安全保障需求。
因此，客户需要一套应急通信保障方案，在因极
端自然灾害与外界的通信完全中断的情况下（相当于
对外双路由传输或电力发生中断），可以通过应急通
信保障系统（自生存网络系统），让园区内特定人员
（自有员工）在指定保障区域内，在不更改手机号码不
增加手机的条件下，仍然能与园区内的自有员工进行
语音通信，通过手机或手持终端访问内网进行生产作
业。
2.2解决方案对比
结合PNI-NPN的技术解决方案有3种。
方案1：UPF+下沉。UPF+集成AMF、SMF、UDM的
极简功能，作为大网5GC的备份，满足与大网断链时
的应急接入能力。这种方案适合生产业务要求不中
断场景。
方案2：定制化核心网下沉。在用户侧部署下沉
AMF、SMF、UPF，UDM则根据是否需支持生产业务不
中断而选择性部署。
方案3：全量核心网下沉。在用户侧部署下沉
AMF、SMF、UDM、UPF，与大网无连接关系，网络全封
闭、全隔离。
PNI-NPN解决方案对比如表3所示。
2.3方案选择
本次研究采用方案2。正常状态下，园区所有基
站仍采用大网5GC连接，也采用大网的UDM用户数
据；应急状态下，基站需要在N2断链时支持应急5GC
的重选，同时采用本地UDM的用户数据。通过在园区
使用轻量化5GC建设独立专网，对接G城UDM的部署
图35GPNI-NPN的3种典型方案架构
PLMNA
PLMNIDA
CAGIDX
CAGX
SIB
PLMNID=A
UE1
PLMNA/CAG
UE3
CAGID=X
UE2
gNB
UE1PLMNIDA
PNI-NPN-1
UE101UE102
UE103
……
5G2B
核心网PNI-NPN-1
PNI-NPN-2
PNI-NPN-n
UE201UE202
UE203
UE301UE302
UE303
切
片
选
择
NR-n
NR-3
NR-2
NR-1……
CAG01CAG02
专网UE
图25GPNI-NPN网络架构
MEC5G公网
端到端
共享5G
专网5G专网
5GCCP
5GCUP
（c）共享无线网
5G公网
5G专网
MECMEC5G公网
MEC5GCCP
（a）端到端共享（b）共享无线网
和控制面
29
方案，使用PNI-NPN进行接入控制，在简化网络规模
的同时，拟使用PNI-NPN专网隔离方案，达到PNINPN在“专网隔离”上的需求。组网架构如图4所示。
在图4中，PNI-NPN是使用PLMN的基础结构资
源部署的，在3GPP的文档中，该资源可称为主PLMN。
部分RAN节点由PNI-NPN和PLMN共享，因此同时
支持PNI-NPN和PLMN服务的UE可以通过这些共
享的RAN节点访问这2个网络。除了共享的RAN节
点外，PNI-NPN可能还有其专用的网络功能/资源，例
如专用AMF、专用网络切片等。
2.4效果呈现
该园区从终端、无线、核心网端到端率先实现了
基于CAG模式的NPN独立专网，运用下沉式5GC验证
该模式的可落地性。实现不同园区内不同的用户签
约不同的CAG，接入不同的基站，进而访问不同的业
务。同时考虑到企业节省成本的需要，企业园区共享
核心网，减少核心网侧的投资。实现公网和专网的完
全隔离，在专网内部，通过CAG灵活地控制用户接入
接入专属网络，保障行业客户的资源独享。终端需支
持CAG，并可配置CAG信息。基站小区则广播CAG指
示和支持的CAGID列表。核心网侧AMF根据小区
方案类型
方案1：UPF+下沉
方案2：定制化核心网
下沉
方案3：全量核心网下
沉
专用方案
应急方案
UPF+集成AMF、SMF、UDM的极简功能，作为
大网5GC的备份，满足与大网断链时的应急
接入能力
部分下沉-基础方案
在用户侧部署下沉AMF、SMF、UPF
无本地UDM备份，通过接口与大网UDM互联
部分下沉-增强方案
对UDM本地备份，通过接口与大网UDM互联
全量下沉方案
在用户侧部署下沉AMF、SMF、UDM、UPF，与
大网无连接关系
生产业务不中断类
场景
网络高隔离类场景
生产业务不中断、网
络高隔离类场景
网络全封闭、全隔离
断链时业务不中
断
满足
部分满足（不支持
新用户应急接入）
不涉及
本地独立组网、
高隔离
不满足
网络全封闭全隔离
表3PNI-NPN解决方案对比
图4基于PLMN基础结构托管PNI-NPN的网络架构
仅限PLMN的RAN节点
支持NPN和PLMN服务的UE
PLMN的网络切片
公共DN
UPFUPF
PLMN专用AMF
公共陆地移动网
PLMNNAS连接
NPNNAS消息
非公共网络
SMFUPF
非公共DN
NAS/N2
Proxy
NPN的网络切片
NPN专用AMF
共享RAN节点
CAG能力和UE的CAG签约来进行UE接入控制和移
动性管理。UDM需签约CAG能力。基于CAG的非公
共网络覆盖结构如图5所示。
在公共网络覆盖范围内（使用相同PLMN和TA
等）划分更小范围的园区子网覆盖，形成基于CAG的
表4下沉式5GC网元功能描述
网元
下沉式
逻辑功能
UDM
网元功能描述
本地配置切片信息，减少通过系统信息块（Sys
temInformationBlock，SBI）到网络切片选择功能
（NetworkSliceSelectionFunction，NSSF）的交互
网元通过本地导址，代替网络存储功能（Network
RepositoryFunction，NRF）的服务发现方式寻址，
简化流程
SMF使用本地策略控制和计费（PolicyControl
andCharging，PCC）策略数据
可选配置网元。如果专网5GC对接大网UDM，
可以不配置
融合统一数据仓库功能（UnifiedDataRepository，
UDR）和鉴权服务功能（AuthenticationServer
Function，AUSF），认证过程在内部快速处理，简
化了认证流程
UPF承担用户面数据转发处理等功能
公共网络覆盖
支持CAG的NR
园区非公共网络覆盖
支持CAG的终端支持CAG的终端
普通5GNR
（不支持NPN）
下沉式5GC
相同的PLMN和TA
AMFSMFUDMUPF
图5基于CAG的非公共网络覆盖结构
无法接入。下沉式5GC网元功能描述如表4所示。
该园区部署PNI-NPN后的自生存5G应急通信保
障系统结构如图6所示。
如果把自生存5G应急通信保障系统切分为3个
部分，那么园区的网络可以看作是一个PNI-NPN，外
面网络可以看作是PLMN，园区网络到G城的商用核
心网通过城域网来承载。
在部署PNI-NPN后的架构中，园区的PNI-NPN
网络与公网可以共享RAN基站、频谱及传输网络，园
区的PNI-NPN网络也可以独立运行。NPN网络用户
既是NPN用户也是PLMN签约用户，PNI-NPN用户具
备特殊接人标识符，即CAGID，基站通过CAGID区分
公网用户和私网用户的网络接人权限。企业数据通
过自身UPF管理，并存储在企业内部。下沉的SMF和
AMF都是相对独立的，不受外部网络影响，这对于构
建安全可靠的园区网络有着重要的参考意义。下沉
式5GC支持5万用户，可以满足企业的部署需求，如果
需要更大的容量，可以考虑部署多套5GC，工作在负荷
分担的模式。同时，对于园区公众用户来说，网络的
注册和控制均在5G公众网络，独立部署UDM网元，可
使园区内部的公众用户在与G城核心网断开连接时，
保持5G网络不中断。
公网和专网隔离以及专网之间的隔离是行业5G
虚拟专网建设中的基本要求，试点中使用PNI-NPN技
术完成了公-专网以及专-专网隔离的验证。充分验
证了基于PNI-NPN技术的公网和专网隔离以及专网
之间的隔离功能，证明PNI-NPN已经具备了商用能
力，必将在5G行业专网建设中发挥其重要作用。
该项目证明了可以通过CAG模式PNI-NPN帮助
企业快速灵活地搭建5G独立专网，实现企业数据不出
31
园区，助力企业实现数字化转型。
随着5G网络建设的深入推进，在特定行业属性工
业园区内享受便捷的5G网络服务将成为刚需，基于
NPN的公专互通机制构建的智慧工业园专网，对解决
园区内部对信号的安全、可靠带来的用户的漫游、切
换管理机制等问题提供了一个很好的解决思路。
5G非公共网络技术已成为垂直行业进行数字化
转型的关键点，可以满足不同行业的专网建设需求。
PNI-NPN技术可帮助企业按需部署安全的5G专网，
节约大量的专网投资。因此，需继续深入PNI-NPN等
5G技术的研究，加强其在垂直行业领域内的创新应
用，促进我国5G专网建设以及企业数字化转型。
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［S/OL］.［2023-06-19］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
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［3］3GPP.NR；NRandNG-RANoveralldescription；stage-2：3GPPTS
38.300［S/OL］.［2023-06-19］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
［4］3GPP.Studyonenhancedsupportofnon-publicnetworks（NPN）：
3GPPTR23.700-07［S/OL］.［2023-06-19］.ftp：//ftp.3gpp.org/
Specs/.
［5］3GPP.Studyonsecurityenhancementsof5Gsystem（5GS）forverti
calandlocalareanetwork（LAN）services：3GPPTR33.819［S/OL］.
［2023-06-19］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
［6］3GPP.Studyonmediaproductionover5GNPNsystems：3GPPTR
26.805［S/OL］.［2023-06-19］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
［7］3GPP.Studyonmanagementofnon-publicnetworks（NPN）：3GPP
TR28.807［S/OL］.［2023-06-19］.ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.
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图6基于PNI-NPN的自生存5G应急通信保障系统
G城2C商用5GC
N2
SMFAMFUDM
新增5GC控制面
和IMS网元（应急备份）
某园区
传输环
N4
N3
BNG
某汇聚机房CMNET
SBC
MANO/OMC
某核心机房
网管接口
N6
5G
语音用户数据用户
自生存5G应急通信保障系统
梁健堂，毕业于武汉理工大学，工程师，学士，主要从事网络规划、运维管理、新技术研究
等工作；陈嘉明，毕业于华南师范大学，工程师，硕士，主要从事网络优化管理、网络优
化、新技术研究等工作；许小婉，毕业于华南理工大学通信专业，工程师，硕士，主要从事
家客、集客业务支撑管理工作。
32
频谱资源作为移动通信技术发展的核心资源，频
谱划分将在很大程度上决定产业的发展方向、节奏和
格局。干扰共存研究结果是频谱划分的敲门砖，干扰
共存可行性研究通过之后才有可能启动频谱的划分
标示。卫星业务以及地面业务的共存协同发展，有利
于提高频谱利用率，促进无线通信的和谐长效发展。
合成孔径雷达（SAR）是一种星载相干侧视雷达系
统，利用卫星的飞行路径模仿超大型电子天线或孔
径，生成高分辨率的遥感图像。国际移动通信（IMT）
技术为公众移动通信的发展提供了技术支撑，持续为
6G或未来技术寻求更多的IMT频率资源，以满足不断
增长的无线宽带数据和覆盖需求，以及IMT产业和移
动运营商与日俱增的新业务所需频谱需求，以支持其
未来技术和应用的发展。干扰共存仿真研究的重点
工作包括干扰系统以及被干扰系统建模、技术参数、
传播模型以及仿真方法论等，针对地面系统干扰星载
共存仿真方法论及其仿真效果。
2合成孔径雷达系统介绍
合成孔径雷达是一种星载有源传感器〔EESS（ac
合成孔径雷达与
地面业务干扰共存仿真方法研究
ResearchonInterferenceCoexistence
SimulationMethodofSyntheticAperture
RadarandTerrestrialService
频谱；干扰共存；方法论；共存协同
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.007
频谱划分是通信产业的起点，而干扰共存研究是频谱划分的第1步。针对星载
合成孔径雷达与地面业务干扰共存仿真，给出了一种进行大面积干扰共存研究
的仿真方法论，并搭建平台仿真分析其运行性能，以推动卫星业务以及地面业
务的共存协同发展，提高无线频谱利用率。
Spectrumdivisionisthestartingpointoftheindustry，whileinterferencecoexistenceisthefirststepofspectrumdivision.
Aimingattheinterferencecoexistencesimulationofstar-bornesyntheticapertureradarandterrestrialservice，Itgivesan
simulationmethodologyforthestudyoflargeareainterferencecoexistence，andbuildsaplatformtosimulateandanalyzeits
operationperformance，whichpromotesthecoexistenceandcoordinateddevelopmentofsatelliteserviceandterrestrialservice，andimprovestheutilizationrateoffrequencyspectrum.
Frequencyspectrum；Interferencecoexistence；Methodology；Coexistenceandcoordinated
刘吉凤，周瑶，李福昌（中国联通研究院，北京100048）
LiuJifeng，ZhouYao，LiFuchang（ChinaUnicomResearchInstitute，Beijing100048，China）
基金项目：国家重点研究计划（2020YFB180800）
收稿日期：2023-07-20
刘吉凤，周瑶，李福昌
合成孔径雷达与地面业务干扰共存仿真方法研究
引用格式：刘吉凤，周瑶，李福昌.合成孔径雷达与地面业务干扰共存仿真方法研究［J］.邮电设计技术，2023（9）：33-38.
无线通信
RadioCommunication
33
tive）〕，运行于非对地静止卫星轨道（非GSO）上。轨道
通常是高度在350~1400km的圆形。某些系统运行
于太阳同步轨道上。一些传感器每天都对地球上的
同一个区域进行测量，而另一些传感器则只在一个较
长的（往往超过2个星期）重复周期后才重复进行观
测。卫星沿飞行方向前进，其天底指向地球的中心。
天线主波束与地球表面法线之间形成一定入射角（°），
与星下形成一定星下偏角（°），图1所示为EESS（ac
tive）示意。波束的发射垂直于飞行方向，照射出一条
扫宽。接入范围是指垂直于飞行方向的横向轨道尺
寸，而方位角是指与飞行方向平行的纵向轨道尺寸。
扫宽是指侧视雷达收集数据的地表带，是范围尺寸内
成像部分的宽度。扫宽的纵向范围由航空器与地面
间的相对运动来确定，扫宽宽度的测量与扫宽纵向范
围垂直。
合成孔径雷达有3种扫描方式：带状图模式、扫描
模式和聚光灯模式。常规SAR带状图模式假设雷达
天线指向平台轨迹的一个固定方向。带状图的图像
飞行线路长度画出的等值线。在扫描SAR模式下，
SAR可通过将天线扫向不同位置，照射若干子扫宽。
聚光灯模式是SAR模式中获得最高分辨率的方式，其
通过电子方式调整雷达波束方向以对准目标，形成时
间更长的合成孔径。聚光灯模式可将SAR的成像分
辨率提高至30cm以下。随着更多脉冲的使用，方位
角的分辨率也有所提高。
原则上，SAR是一种有源相控阵列天线。但SAR
下使用一个天线单元。天线单元不同的几何位置是
平台移动的结果。SAR采用源相控阵列天线，其天线
模式如图2所示。从图2可以看出，其3dB波瓣宽度
很窄，旁瓣较宽，地面照射范围较大。
考虑到合成孔径雷达采用有源相控阵列天线存
在旁瓣干扰，地面业务对星载合成孔径雷达干扰共存
研究中，将地面业务限制于主瓣范围内建模，有可能
低估干扰，不利于发现部署过程中可能出现的问题。
针对地面业务干扰星载合成孔径雷达研究，大面
积干扰共存仿真方法论在可视场范围内进行共存研
究，规避低估干扰问题，有利于共存问题发现。
3大面积干扰共存仿真方法论
3.1大面积干扰共存方法
大面积干扰共存仿真牵涉到地图绘制、基站撒放
图1EESSSAR成像几何原理以及合成孔径雷达天线增益计算，其中IMT基站在整
图2SAR天线模式
DR
DATSAR天线
相位中心
天底
卫星轨迹
Vsat=7630m/s
天线锥为1.13°（或仰角带宽）
天线横锥为0.53°（或方向角带宽）
h=510km
卫星左侧
对称的情况
子卫星地面轨道
或纵向轨迹
或方位角的方向
像素分辨率
扫描点区
域5×5km2
横向轨道
或范围
或仰角方向
简化后的平坦扫描点区域
δATδR
ψ55°
φ
扫宽
190km
550km
接入范围
20°
Rn
Rf
α
为入射角
ψ为掠射角
α为偏天底
角或观测角
（天线束的
方向）
80
150
60
0
-20
-40
-60
-80
200100500-50-100-150-500
天线增益/dBi
100-100
θv
/°
-50
50
200
-100-50
θh
-10
-30
θv/°
34
个可视场或部分可视场对应的大面积地球表面进行
部署和分布。
3.1.1位置坐标系定义及坐标系转换
卫星照射地球表面面积大，通常为千万km2
以上，
地面拓扑无法采用二维平面矢量建模，通常需要采用
三维球体矢量建模。对于大面积内部署的站点或用
户需要首先进行经纬度到球面坐标系的转换，然后基
（a）所示为卫星在地球上空运行轨迹瞬时截取图，图3
（b）所示为空间一点采用三维建模方案示意。
球面坐标系定义：首先定义直角坐标系，地心为
原点，赤道的一个面，再加上南北极一个轴。
坐标系转换：根据经纬度还有高度（lon，lat，alt）计
算某一点的坐标（x，y，z）；考虑地球等效半径以及该点
高度alt，将其抽象成半径为R的圆，见图3（b），其中
为纬度lat，α为经度lon，则：
x=R×cos×sinα（1）
y=R×cos×cosα（2）
z=R×sin（3）
3.1.2地图绘制
由于地面覆盖面积超越一般国界甚至某一大洲，
可能跨越江海湖泊、山川河流、沙漠戈壁、无人区等，
因此需要引入地图绘制，以扣除上述区域，防止地面
站出现在非地面部署典型区域。
如图4所示，首先根据卫星运行轨迹确定研究的
经纬度信息，同时结合卫星高度，确定可视场半径V；
然后，根据式（4）和式（5）确定可视场边界对应的经纬
度信息；最后，根据可视场边界经纬度信息，结合该区
域地图信息逐一扣除上述区域。
lon2=lon1+
V×sinθ
Re×cos(lat1)×2π360（4）
lat2=lat1+
V×cosθ
Re×2π360（5）
式中：
lon1、lat1——星下点经纬度信息
θ——可视场边界点到星下点连线与地理北的夹
角，范围为0~360°
Re——地球等效半径
图5所示为以西经100°、北纬35°为中心的1900
万km2
的可视场仿真示例，可见：除海洋外，同时还存
在墨西哥湾、五大湖等大范围水域，而对应水域并非
IMT典型网络部署区域。
3.1.3栅格划分与站点撒放
由于区域扣除后的地图为非规则图形，同时，大
面积研究区域导致的基站或终端数量过多，也需要考
虑仿真平台的处理性能。地面站的撒放需要对地面
表面进行栅格划分。
栅格划分采用在地球表面分别按照经纬度以一
定颗粒度进行划分，颗粒度大小主要考虑卫星坐标系
中离轴角大小误差影响。虽然栅格越大越降低运算
量、存储量，易于实现，但越远离实际情况，而影响的
幅度暂不确定。因此，定义rate=alt/grid宽度进行考
量，其中alt为卫星高度，grid则为栅格大小。栅格划分
可参照图6，可以看出赤道处栅格最大，随着纬度的增
加，栅格面积将逐渐降低。
在“地图绘制”结果对应的栅格中按照一定关系
进行站点撒点，在栅格内采用均匀撒放的仿真效果图
如图7所示，其中灰色为站点。
3.1.4合成孔径雷达天线增益计算
图3卫星运行轨迹及球面坐标系转化示意
图4可视场边界经纬度信息确定
图5研究区域地图绘制仿真示例
（a）卫星运行轨迹（b）球面坐标系转化
0°
90°
arcarc
R
North
（lon1，lat1）
（lon2，lat2）
θ
v
45°S
45°N
135°W90°W45°W
35
大面积干扰共存仿真研究方法，由于地面很多基
站或终端并非位于卫星主波瓣范围内，因此，需要对
卫星天线进行精细建模。
采用笛卡尔坐标系定义合成孔径雷达天线，原点
为卫星位置；Z轴为主波束指向，X和Y轴分别位于跨
迹和沿迹指向，XOZ为俯仰角平面，YOZ为方位角平
面，图8所示为合成孔径雷达天线坐标系定义示意。
合成孔径雷达的天线模式（见图2）为俯仰角以及
方位角的函数，此种情况下，需要分别确定干扰链路
与卫星俯仰角平面以及方位角平面之间的角度即可，
可分为2步实现，需要首先确定干扰链路在卫星俯仰
角平面以及方位角平面上投影矢量，然后再确定干扰
链路与两投影矢量间夹角。
a）方位角平面和俯仰角平面的确定。
（a）首先确定干扰链路在卫星俯仰角平面以及方
位角平面上投影矢量，然后再确定干扰链路与两投影
矢量间夹角。本节以西经100°、北纬35°为例进行描
述。本节仅介绍方位角平面，俯仰角平面可以采用类
似方法获得。
（b）为确定干扰链路在面YOZ（沿迹）上的投影，
首先确定平面YOZ，进一步需要在该面YOZ上除OZ
外确定一根直线或点，不在同一根直线上的3个点确
定一个平面。
（c）面YOZ投到地球上为图9中黄色区域，橙色
区域为卫星运行界面；同时，阴影部分为跨级平面，其
与黄色区域（小黄圈）以及橙色区域（大橙圈）均垂直。
（d）为简化，假设卫星总在西经100°经圈（大橙
圈）上方运行，偏离星下点角度是确定的，例如35°。
则，小黄圈和大橙圈二者分别所在的平面夹角为35°
（即偏移星下点角度），交点为卫星所在位置，且交线
经度不变。
b）面到点的抽取。通过第a）步已确定方位平面
YOZ（黄色）和俯仰平面XOZ（阴影），可在其上任意抽
取点，只要不与OZ在一条直线上即可确定平面，为方
便计算，可抽取纵截面图中圆锥或球冠的中点分别作
为Y，X。下面介绍点Y、X如何获得。
图6栅格划分示意
图7西经100°、北纬35°可视场基站撒放仿真效果图
图8天线坐标系定义
图9方位角平面及矢量示意
维度颗粒度经度颗粒度
IMT
（Lon3，lat3，height3）
BEAMSPOT
（Lon2，lat2，height2）
SAR（Lon1，lat1，height1）
X
Y
Z
PHTTHETA
丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁
丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁
丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁A（-
丁丁100丁，35丁）丁丁丁丁
Spotbeam
Nadir（-100，35）rightEast
38°35°
M
E
O
36
（b）在△ZEM中，EZ、ZM以及∠ZEM已知，则EM
可获得。
（c）在△EMY中，EM、EY、MY已知，则∠MEY可
知，进一步可推出X、Y的经纬度信息。
3.2大面积干扰共存研究步骤
本节基于3.1节的共存方法，给出地面IMT系统同
频干扰星载合成孔径雷达研究步骤，若进行邻频共存
研究，仅在干扰计算时考虑带外射频指标，此处不赘
述。
步骤1：确定评估区域部署的IMT基站总数。评
估区域内部署的IMT基站数量，可由式（6）计算。
NBS=A×Ds×Ra×Rb×BSNLF（6）
NBS——IMT基站总数
BSNLF——网络负荷因子
A——拟评估区域的面积（km2
）
Ds——区域内IMT基站的分布密度（个/km2
Ra——覆盖区域占建成区的比例（%）
Rb——建成区占区域总面积的比例（%）
以0.25°的经度、0.25°的纬度为步长创建栅格。
0.25°×0.25°的面积大小等效于纬度为0°时的28km×
28km。NBS均匀分布在每个栅格中，因此每个栅格中
部署的BS数量取决于栅格区域的大小。
步骤2：生成IMT基站。IMT基站的位置统一部署
在网格区域内。基站与卫星的仰角、方位角在同一网
格区域内是相同的。BS的水平方向为0~360°均匀分
布。UE统一部署在BS的服务区域内。
步骤3：计算来自IMT系统的集总干扰。
步骤3.1：计算评估区域内每个BS或UE的干扰。
合成孔径雷达接收机处每个基站或UE发射机的干扰
功率根据式（7）进行计算。
In=Ptx+Gtx-PL+Grx（7）
In——来自基站或终端的干扰（dBW/100MHz）
Ptx——为BS或UE在EESS带宽内的功率（dBW/
100MHz）
Gtx——BS或UE指向卫星方向的天线增益（dBi）
PL——传播损耗（dB），综合考虑视距损耗、大气
衰减、波束扩展、极化损耗（3dB）、地物损耗
Grx——合成孔径雷达在BS或UE方向的接收天线
增益（dBi）
步骤3.2：计算对合成孔径雷达接收机的集总干
扰。集总干扰按式（8）进行计算。
Itotal=10lg
è
÷
÷ATDD,BS×∑n=1
n=NBS
In
10+ATDD,UE×∑n=1
n=NUE
（8）
Itotal——研究区域内所有基站和终端到合成孔径
雷达的集总干扰（dBW/100MHz）
NBS——覆盖区域中基站总数
NUE——覆盖区域中终端总数
ATDD——TDD激活因子
n——基站或终端索引
步骤4：计算IMT系统对合成孔径雷达的干噪比
（I/N），并根据定义的I/N保护标准进行比较。
4应用性能分析
为分析大面积干扰共存仿真方法论的性能，本节
采用蒙特卡罗思想搭建仿真平台，给出IMT对合成孔
径雷达集总干扰仿真数据以及平台运行分析。
4.1仿真参数
4.1.1IMT参数
IMT仿真参数参考ITU-RWP5D38#会议主席报
告（见5D/716号文件附件4.4），其中部署参数见表1，
终端参数见表2，IMT-2020AAS基站的天线参数见表
3，Ra和Rb见表4。
表1IMT部署参数〔市区/郊区热点（室外）〕
基站参数
部署密度/
（个/km2
天线高度/m
扇区
下倾角
频率复用度
市区：30
郊区：10
6
单扇
见表3
带宽/MHz
网络加载因子/%
TDD/FDD
BSTDD激活因子/%
TDD
75
表2终端参数〔市区/郊区热点（室外）〕
终端参数
终端数量
UE高度/m
终端发射功
率
终端天线模
式
3个UE/扇区
功控
参考Recommen
dationITU-R
F.1336（omni：
recommends2）
UETDD激活因子/%
PRB目标接收功率
〔P0_PUSCH（Note
3）〕/dBm
最大发射功率
（PCMAX）/dBm
功控模式
路损补偿因子（α）
95
M.2101，Annex
1，section4.1
37
4.1.2星载合成孔径雷达（SAR）参数
4.2仿真结果
采用蒙特卡罗思想搭建仿真平台，给出IMT对合
成孔径雷达集总干扰仿真数据以及平台运行分析结
果，IMT对合成孔径雷达集总干扰余量为13.2dB，IMT
对合成孔径雷达集总干扰CDF分布如图10所示。
仿真部署面积为12625211.869km2，IMT基站数
为173584台，上述数据是10000次蒙特卡罗仿真运
行结果，从图10可以看出曲线平滑；且多次运行的数
据偏差在0.05dB以内；仿真平台部署于内存256G/
CPU12核24线程服务器上，10000次蒙特卡罗仿真的
本文研究了星载合成孔径雷达与地面业务干扰
共存仿真方法论，并基于SAR-4和IMT系统仿真给出
大面积干扰共存方法的运行性能，星载合成孔径雷达
与地面业务干扰共存仿真方法论可应用于大面积部
署系统与星载系统间干扰共存研究，并可高效运行，
及时有效输出仿真数据。
［1］ITU-R.DraftnewrecommendationITU-RRS.［EESS-9GHzCHAR］-Characteristicsofsyntheticapertureradarsoperatingin
theEarthexploration-satelliteservice（active）around9600MHz
［2］ITU-R.TypicaltechnicalandoperationalcharacteristicsofEarth
exploration-satelliteservice（active）systemsusingallocationsbe
itu.int/rec/R-REC-RS.2105-0-201707-S/en.
［3］ITU-R.ModellingandsimulationofIMTnetworksandsystemsfor
useinsharingandcompatibilitystudies［EB/OL］.［2023-05-02］.
www.itu.int/rec/R-REC-P.2108-0-201706-S/en.
表36425~10500MHzIMT波束赋形参数（室外小站/微站）
表4较大区域部署Ra和Rb取值〔热点（室外）〕
表5SAR技术参数（SAR-F6）
图10IMT对合成孔径雷达集总干扰CDF图
基站天线参数
天线方向图
阵元增益/dBi
水平/垂直3dB波瓣宽度/°
水平/垂直背瓣抑制比/dB
极化方式
阵列配置（Row×Column）
水平/垂直阵元间隔
单天线功率（Note1）/dBm
水平面基站最大覆盖角度/°
垂直面基站最大覆盖角度（Note2）/°
机械下倾角/°
参考RecommendationITU-R
M.2101Annex1，section5
90oforH，90oforV
30forbothH/V
Linear±45o
8×8elements
0.5ofwavelength
forH，0.5ofwavelengthforV
±60
90~120
参数
Ra
Rb
市区：7%，郊区：3%
1%（面积>1000000km2
传感器类型
轨道类型
高度/km
轨道倾斜角度/°
天线类型
波束个数
最大天线增益/dBi
极化类型
SAR
太阳轨
514
97.4
有源相控阵
47
线性水平、垂直
扫描角/°
天线方位角/°
天线仰角波瓣宽度/°
天线方位角波瓣宽度/°
中心频率/MHz
射频带宽/MHz
噪声系数/dB
噪温/K
18~50
90
1.13
0.53
9800
1200
500
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.4
0.3
0.2
0.1
-50-45-40-35-30-25-20-15-10
CDF
（I/N）/dB
I/NCDFinurbanhotspot（outdoor）scenario
InterferenceofBS
InterferenceofUE
AggregateinterferenceofBSandUE
刘吉凤，高级工程师，硕士，主要从事移动通信频率规划、重耕、共存仿真平台搭建等工
作；周瑶，高级工程师，硕士，主要从事移动通信频率研究工作；李福昌，教授级高级工程
师，博士，主要从事5G/B5G/6G无线技术研究及管理工作。
38
2022年冬奥会开闭幕式采用5G技术实施多类型
用户的需求保障，面临着高密重载组网、高爆发、多样
化应用、数智能力创新等多种难题和挑战。此前，5G
应对无线网络高密度用户、高容量爆发极端场景的技
术手段和组网方式还不是很完善。本技术方案针对
5G网络在大型体育场馆高密重载场景下组网能力进
行探讨，将指导面向冬奥服务保障的5G网络高性能、
高可靠、多样创新的组网模式设计，打造以5G为基础
的全新保障模式。新方案在有效保障普通ToC用户网
络感知的情况下，也能有效提供ToB多样化创新应用
的能力和接口。国家体育场5G高密重载组网在冬奥
全场景5G大连接能力基座基础上，实现多种创新、多
点突破。以国家体育场实施的高密重载网络为基础，
结合5G技术打造一系列智慧应用，在高速率、低时延、
大连接的5G网络保障下，支撑智慧观赛、智慧参赛、智
慧办赛创新，实现5G技术赋能智慧冬奥（见图1）。
5G高密重载场景ToB/ToC
组网策略研究ResearchonToB/ToCNetworkingStrategyin
5GHigh-densityandHeavy-loadScenario
5GToB；高密重载；冬奥保障
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.008
为满足冬奥高密重载组网需求，利用国家体育场环境实施空频多维度5G立体
组网、精细容量规划、精准区域覆盖，并在全场景应用分布式大规模天线技术、
端到端5G切片技术、载波聚合、超级上行等多种5G新技术，提升极致性能。同
时，针对不同业务类型实施ToB/ToC网络分层、ToB业务全场景隔离等手段保
证高密重载场景下各业务感知，既能够承载全场数万人5G网络压力，又为
UHD超高清直播等创新业务多样化需求预留充足的能力。
Inordertomeetthedemandforhigh-densityandheavy-loadcapacityinWinterOlympicvenues，multi-dimensional5Gnetworkingtechnology，detailedcapacityplanningandaccurateareacoverageisimplementedwiththenationalstadiumenvironment，anddistributedmassiveMIMOantennatechnology，end-to-end5Gslicingtechnology，carrieraggregationtechnology，
uplinkswitchingtechnologyandother5Gnewtechnologiesareappliedtoimprovenetworkperformance.Atthesametime，
ToB/ToCnetworklayering，ToBservicefull-sceneisolationandothermeansareimplementedfordifferentservicetypesto
ensuretheserviceawarenessunderhigh-densityandheavy-loadscenarios，whichcannotonlybearthe5Gnetworkpressureoftensofthousandsofpeopleinthefield，butalsoreservesufficientcapacityforthediversifiedneedsofinnovativebusinessessuchasUHDultra-HDlivebroadcast.
5GToB；High-densityandheavy-load；WinterOlympicssupport
王蕾，曾伟，宋扬，常虹（中国联通北京分公司，北京100072）
WangLei，ZengWei，SongYang，ChangHong（ChinaUnicomBeijingBranch，Beijing100072，China）
王蕾，曾伟，宋扬，常虹
5G高密重载场景ToB/ToC组网策略研究
引用格式：王蕾，曾伟，宋扬，等.5G高密重载场景ToB/ToC组网策略研究［J］.邮电设计技术，2023（9）：39-45.
39
2需求分析
国家体育场为2022年冬奥会非竞赛场馆，承接冬
奥会开、闭幕式，场馆人数最高可达15万人，包含运动
员、国家奥委会官员、奥运会工作人员、新闻媒体、转
播商、国内和国际观众等，需求差异明显。
无线网络资源为共享模式，单小区单用户下行最
高速率可达1Gbit/s，上行可达200Mbit/s以上，随着并
发增多，下载速率会有不同程度的下降。经统计分
析，极端条件下，下行4Mbit/s或者更高、上行1Mbit/s
以上即可满足各类公众用户的多种业务需求。ToB业
务视具体需求待定。表1所示为各方统计的ToB/ToC
预计需求。
其中，ToC用户的需求主要按照极端情况下的极
端能力预估。ToB用户则根据具体需求进行分析，主
要需求及瓶颈为上行，尤其媒体直播业务带来的压力
较大。根据主流媒体提供的数据，广电级4KUHD需
要40~80Mbit/s的传输速率，并计划在正常直播时段
应用。
35G网络设计
面对大型体育场馆半室内半室外特殊结构及该
应用场景下的特殊应用需求，还要解决高爆发的网络
容量，在规划设计过程中始终坚持以下设计原则：300
MHz大带宽覆盖；根据结构特点差异化覆盖；多预案
设计、多方案备份；保证容量，降低干扰；合理容量预
算，预留设计冗余；ToB/ToC隔离传输。
3.1国家体育场室分覆盖方案设计
根据国家体育场历史统计数据和同类场馆历史
统计数据，获取忙时话务量和流量。据此，业务需求
图1冬奥5G大连接能力示意
应用能力管理业务指标监控行业数据分析
数字支撑平台
冬奥NOFNSMFCSMF指标监控数据分析方案调整
5G专网管理5G智能监控
数据采集告警数据资源数据核心网储算能力数据能力数据采集应用数据储算能力数据能力
5G大数据平台应用侧基础数据
基础网络保障行业应用保障应急通信保障专项业务实施基础能力保障应急服务保障服务能力调整
冬奥保障体系智慧应用保障
5G专网监管功能5G智能监控功能应用监控应用管理新开业务
5G智慧运营平台
商品配置切片订购
政企智慧中台
资源调度智能网管
切片技术载波专网上行增强多维组网DMM技术高密重载4/8K直播办赛参赛观赛创新行业应用
ToB专项提升ToC保障方案数智应用专项
能力规划频率资源设备选型工程工艺MEC下沉服务终端感知探头专用设备专用设备
前端设施
功能
呈现
流程
管控
能力
平台
数据
支撑
专项
方案
基础
设施
TOC/TTOC运维人员业务运营经理TOC/TTOC现场运维人员行业运维管理
5G+智慧观赛
全覆盖+超感知+切片
基础网络能力
5G+AI/AR数字运维5G+基础通信替代
5G+智慧办赛5G+无障碍网络
赛事服务保障
5G+医疗防疫
5G+智慧参赛
运动员参赛
5G+4K/8K直播5G+智慧城市
5G+MEC/AI5G+自动驾驶
行业用户
数智能力接口
智慧冬奥5G基座
公众用户奥组委服务保障/VIK运动员行业用户
5G新基建
5G+AI/AR数字运维
预测基础参数包括按15万人做容量规划、5G用户占
比按50%计算、上行并发激活率10%~15%计算。表2
给出了国家体育场覆盖方案。
看台区采用最新300MHz设备和分布式Massive
MIMO小区覆盖，同时pRRU设备外接赋型天线，波瓣
角30°×30°，上下行干扰控制效果较好，SINR提升3dB
以上。看台区上层看台的设备安装在钢架上（部分在
顶棚马道），中层和下层安装在看台上沿内部。覆盖
方式如图2和图3所示。
图3国家体育场看台室分安装示意
图2国家体育场看台小区分布
表2国家体育场覆盖方案
看台区
场地区
看台外围走廊，
疏散区
VIP区
重要办公区
停车场
电梯
奥运博物馆
人流量
极高
较高
较低
业务量
重要性
5G建设方式
新型（300M）+赋形天线
RRU（8T8R）+赋形天线
新型（200M）
传统
二层看台：
三层看台：
一层看台：
天线挂高：53.2m
天线挂高：24.4m
10m
13m
36.4m
21m35m
天线挂高：10.3m
34m14m24m
25m16m
19.2m
7m
30.08m
26.07m
15m
29m8m
16m
观众看台斜面示意图
天线天线天线天线天线天线天线天线
天线天线天线天线天线天线天线
237与F1观
-CELL12
共小区
1116
15F2观众席18
与F1观
-CELL11
238
236
235234233232231230
535536
534533532531530528
526
229228227226225
222
224
223
-CELL13
-CELL14
-CELL15
-CELL16
529527
525
F3观-CELLF3观-CELL10
F3观众席10F3观众席9
F3观众席11
表1国家体育场ToB/ToC需求表
需求描述
观众看台区中国联通用户70000人的移动手机5G通信业务稳定、流畅
运动员看台区中国联通用户2800人的移动手机5G通信业务稳定、流畅
运动员（持中国联通配发手机，列队4人一排、长度约700m）从场馆东门
入场，穿过场心后上跑道分流，左右绕跑道至运动员观看台就座
运动员视角从场馆东门入场，穿过场中心后上跑道分流，左右绕跑道至
运动员观看区
保障央视5G+8K视频转播项目：场馆观众区预留5G专网切片保障央视
5G+8K视频转播项目2~3路
保障Intel360度VR5G+8K项目：场馆场心预留5G专网切片保障Intel
360°VR5G+8K自由视角视频项目1~2路
OBS需求
主席台预留5G专网切片采用CPE方式连接约200个用户同时进行高清
视频下载
位置
固定或移动
移动
场馆中心区演出
场地
主席台VIP区
单用户需求
下行4Mbit/s、上行1Mbit/s
下行4Mbit/s或者更高、上行
4Mbit/s
下行4Mbit/s或者更高、上行30
Mbit/s
200~300Mbit/s
上行20Mbit/s，用户2~3个；4K
摄像机，上行80Mbit/s，用户不详
1Mbit/s
70000
2800
5
用户2~3个
用户1~2个
待确定
时延/ms
20~500
41
看台采用分布式MassiveMIMO小区模式，小区平
均吞吐率相比较普通小区模式提高约3倍。一层看
台、二层看台同小区，能够利用二层看台的低容量，均
衡小区的业务量；同时，考虑同层干扰较严重，在硬件
上也具备拆分一层、二层看台同小区的能力，使同一
小区仅覆盖同一层双倍面积区域。表3给出了国家体
育场5G看台区域容量估算（ToC）。
如图3所示，以一层看台为例，需要30个100MHz
小区，即10个300MHz扇区，小区能力按照极限情况
下行300Mbit/s、上行136Mbit/s计算，23000人按50%
中国电信和中国联通用户、50%的5G渗透率、15%激
活比计算，可保障单用户至少满足下行16Mbit/s、上行
5Mbit/s的速率。
3.2国家体育场场心覆盖方案设计
根据国家体育场现场情况，选择点位1、2、3、4、5
（见图4）进行部署，场心与看台按需异频部署，开通多
载波，优先推荐距离场心较近的场缘pRRU与能够全
场景覆盖的顶棚马道RRU信源。该实施方案可全方
位提升场心覆盖，站点部署充足，确保后续有优化空
间。但需合理规划小区分布及频点，减少同频干扰，
避免乒乓切换。具体实施方案如表4所示。
摄影槽pRRU方案1+马道方案3为建议主用方
案。该方案能够兼顾场心覆盖的容量问题，同时方案
3AAU的覆盖能力具备以下2个方面优势：完整连续
覆盖，避免场缘对中心区域的水平遮挡。沿跑道摄影
槽部署pRRU+外接天线（波瓣角20°×60°）的方式，波
束方向压低对场心进行覆盖；沿马道部署AAU/RRU+
外接赋形天线（波瓣角45°×45°）的方式，波束方向主
要覆盖场心。国家体育场场心pRRU位置与顶棚AAU
位置示意如图5所示，方案1+方案3的仿真效果如图6
所示。
通过方案1+方案3的整体覆盖，能够满足场心容
量需求及连续覆盖需求。方案1的pRRU方案通过小
区的合理划分及DMM技术能够有效保障场心ToC用
户的高爆发感知。同时，方案3的整体覆盖也能够满
足行业直播稳定传输、高可靠要求，有效提升媒体用
户现场多角度直播、跟拍直播的要求。能够提供ToC
用户2Gbit/s的上行容量和ToB高可靠用户300Mbit/s
的上行容量。覆盖示意如图7所示。
4ToB/ToC保障策略
图8所示为国家体育场ToB/ToC保障可行方案示
根据前面所述，分别计算3种ToB/ToC策略中ToB
业务总容量，评估方式如下。
方案1：ToB独享5G基站，ToC承载在3G/4G网络。
方案2：载波隔离，ToB独占2个载波。
读所需450kbit/s。
对应3种场景下5G网络ToB单小区和网络总容
量能力如表5所示，速率容量单位为Mbit/s。
图4国家体育场场心覆盖实施位置
表4国家体育场场心区域设备详单
点位方案
方案1
方案2
方案3
方案4
方案5
沿跑道
马道
LED屏
下
通道顶
高度/m
设备
RRU
型号
3.3~3.6GHz（外
置天线）
3.4~3.6GHz
5G（3.3~3.6GHz）
4G（1.8GHz）
5G毫米波
安装方式
间隔10m安装，
共约32个pRRU
共8个点位
共8个点位；其中
2个点位开通4G
LED屏下<1m，
波束由下向上打
共5个RRU，波束
指向场心位置
表3国家体育场5G看台区域容量估算（ToC）
区域
人数
忙时平均激活用
户数
小区数Max
上行/下行
DMM小区平均
吞吐率（/Mbit/s）
总容量（/Mbit/s）
用户平均速率/
（Mbit/s）
看台运动员
294
300
3600
12.24
392
136
1632
4.16
一层看台其
他区域
23000
603.8
9000
16.3
805
4080
二层看台
30000
787.5
42
12600
1050
5712
5.4
三层看台
25000
656.3
10800
15.9
875
4896
通过以上计算数据，根据实际用户的需求，国家
体育场采用3载波覆盖，同时ToB用户还储备NR2.1、
毫米波手段。根据各用户需求，ToB用户独享5G的方
案风险较大，作为特殊区域的储备保障手段，不能在
国家体育场整体实施。计划采用载波隔离+5QI切片
的方案，完全能够满足上文所述的ToB数据传输及视
频直播业务，对于媒体视频直播等高可靠需求用户采
图7国家体育场ToB/ToC整体覆盖示意用载波隔离方案，对于其他数据传输类ToB业务采用