5G專網(wǎng)場(chǎng)景需求與關(guān)鍵技術(shù)分析

1 引言

5G專網(wǎng)，稱為local 5G network，或者private 5G network，指專用于特定行業(yè)或企業(yè)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。5G主要面向政企市場(chǎng)，行業(yè)需求催生行業(yè)專網(wǎng)市場(chǎng)需求不斷攀升，政企行業(yè)專網(wǎng)成為大勢(shì)所趨。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球私有專網(wǎng)（LTE/5G）市場(chǎng)規(guī)模在2018年超過20億美元，預(yù)計(jì)在2019年至2026年之間的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過30%。2020年全球5G專網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)達(dá)到9.197億美元，據(jù)預(yù)測(cè)，2025年行業(yè)專網(wǎng)支出將5G公網(wǎng)規(guī)模的18%，2036年全球5G專網(wǎng)支出將首次超過5G公網(wǎng)。[1]

目前全球5G頻率規(guī)劃和許可工作進(jìn)展迅速，德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家規(guī)劃了區(qū)域5G頻率，多家企業(yè)、設(shè)備制造商以及系統(tǒng)集成商積極申請(qǐng)頻率建設(shè)區(qū)域5G專用網(wǎng)絡(luò)。5G專網(wǎng)市場(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng)，運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備制造商、云服務(wù)提供商、軟件提供商紛紛結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)開始布局這一領(lǐng)域。[2]

2 行業(yè)專網(wǎng)發(fā)展歷程

5G專網(wǎng)本質(zhì)上是行業(yè)專網(wǎng)技術(shù)的更新升級(jí)，行業(yè)專網(wǎng)是指在一些行業(yè)、部門或單位內(nèi)部，為滿足其進(jìn)行組織管理、安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮等需要所建設(shè)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括政務(wù)、公安、交通、電力、石化、鋼鐵、港口、森林、政務(wù)、金融等行業(yè)專網(wǎng)，以及應(yīng)急專網(wǎng)等。

專網(wǎng)通信技術(shù)從窄帶模擬集群通信、窄帶數(shù)字通信，逐漸向?qū)拵?shù)字集群通信發(fā)展，能夠支持語音集群、視頻調(diào)度、移動(dòng)圖像等業(yè)務(wù)。由于行業(yè)特點(diǎn)鮮明，規(guī)模較小、投資分散，專用設(shè)備及終端價(jià)格高，因此進(jìn)入壁壘較高。傳統(tǒng)專網(wǎng)技術(shù)、業(yè)務(wù)、產(chǎn)品迭代速度較慢，整體處于2G水平；部分行業(yè)，如政務(wù)、公安、電力、石化、鐵路等已應(yīng)用4G LTE專網(wǎng)。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，LTE及Wi-Fi無法滿足對(duì)安全性、可靠性、可控性、低時(shí)延、抖動(dòng)、連接密度、速率和定位精度等性能要求更高的專網(wǎng)場(chǎng)景。[3]

從政策環(huán)境來看，國(guó)家大力支持5G專網(wǎng)發(fā)展。2019年2月工信部發(fā)布《全國(guó)無線電管理工作要點(diǎn)》，要求提高頻率使用效率，開展部分頻段專網(wǎng)頻率使用規(guī)劃調(diào)整或許可，保障重點(diǎn)行業(yè)頻率需求；2020年3月發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，組織開展5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)研究和試點(diǎn)，打通標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、應(yīng)用、部署等關(guān)鍵環(huán)節(jié)；提出“內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造覆蓋10個(gè)重點(diǎn)行業(yè)”、“打造一批5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造標(biāo)桿網(wǎng)絡(luò)、樣板工程；開展5G行業(yè)（含工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）專用頻率規(guī)劃研究，適時(shí)實(shí)施技術(shù)試驗(yàn)頻率許可。2020年7月發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)工作組2020年工作計(jì)劃》，依申請(qǐng)協(xié)調(diào)批復(fù)5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)頻率試驗(yàn)使用許可，適時(shí)出臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率使用指南。

運(yùn)營(yíng)商積極探索5G專網(wǎng)在垂直行業(yè)的應(yīng)用，初步形成了較為完整的產(chǎn)品體系。中國(guó)電信于2019年開通5G云專線業(yè)務(wù)，發(fā)布六大5G行業(yè)云網(wǎng)方案；2020年11月發(fā)布“網(wǎng)定制、邊智能、云協(xié)同、應(yīng)用隨選”的5G定制網(wǎng)解決方案，面向廣域優(yōu)先型、時(shí)延敏感型及安全敏感型政企客戶分別提供“致遠(yuǎn)”“比鄰”“如翼”三類定制專網(wǎng)服務(wù)模式。中國(guó)移動(dòng)于2019年發(fā)布《5G專網(wǎng)研究報(bào)告》，2020年6月發(fā)布《中國(guó)移動(dòng)5G行業(yè)專網(wǎng)技術(shù)白皮書》，7月發(fā)布5G專網(wǎng)產(chǎn)品、技術(shù)、運(yùn)營(yíng)三大體系與運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。聯(lián)通在2020年8月發(fā)布《5G專網(wǎng)白皮書》。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前三大運(yùn)營(yíng)商在垂直行業(yè)已實(shí)施的5G專網(wǎng)重點(diǎn)項(xiàng)目以制造業(yè)、電力、港口等行業(yè)客戶為主。

3 5G專網(wǎng)主要場(chǎng)景及客戶需求

5G專網(wǎng)需求主要來自于由物聯(lián)網(wǎng)傳感器和大數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化，重點(diǎn)行業(yè)包括制造業(yè)、能源與公用事業(yè)、運(yùn)輸及物流、航空航天和國(guó)防、政府和公共安全、礦業(yè)、醫(yī)療、石油和天然氣等，如圖1所示。

圖1 全球垂直行業(yè)5G專網(wǎng)市場(chǎng)份額（2020）

5G專網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括以下幾類。

（1）視頻監(jiān)控類、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)類業(yè)務(wù)：用于園區(qū)/廠區(qū)內(nèi)安防監(jiān)控、移動(dòng)巡檢、業(yè)務(wù)檢測(cè)等領(lǐng)域；

（2）采集類業(yè)務(wù)（工業(yè)數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)采集）：聯(lián)網(wǎng)終端多，用于環(huán)境檢測(cè)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集，通過后臺(tái)對(duì)環(huán)境、業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)管理及運(yùn)營(yíng)智能化。

（3）遠(yuǎn)程控制類業(yè)務(wù)：用于支撐企業(yè)核心的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，包括生產(chǎn)設(shè)備、維修機(jī)器人、AGV等遠(yuǎn)程控制，涉及業(yè)務(wù)操作的安全可靠與高效運(yùn)營(yíng)。

5G網(wǎng)絡(luò)具備高帶寬、低延遲、多接入的特點(diǎn)，但通常企業(yè)并不是同時(shí)需要這些業(yè)務(wù)特性。此外，部分企業(yè)希望可以獲得對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的所有控制權(quán)，以及高度的可靠性、安全性、隱私性等，公網(wǎng)無法完全滿足這些特定需求。從行業(yè)用戶角度來看，他們?cè)诎l(fā)展行業(yè)應(yīng)用過程中對(duì)專網(wǎng)提出如下需求。

（1）高安全：提供差異化的安全隔離能力，數(shù)據(jù)不出網(wǎng)、控制信息不出網(wǎng)。

（2）高性能：主要包括3項(xiàng)特性指標(biāo)：大帶寬：200 M以上帶寬承載能力；低時(shí)延：20 ms以下的時(shí)延能力；大連接：百萬～千萬級(jí)的連接能力。

（3）輕量化：提供極簡(jiǎn)的配置模式，支持一鍵式安裝模式。

（4）低成本：低成本的終端模組、低成本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、低成本的運(yùn)維服務(wù)。

（5）網(wǎng)絡(luò)協(xié)同：跨園區(qū)協(xié)同，不同園區(qū)之間可以互通；和大網(wǎng)協(xié)同，終端運(yùn)行到專網(wǎng)覆蓋范圍外可以數(shù)據(jù)上網(wǎng)。

（6）定制化：包括網(wǎng)絡(luò)能力可定制：可以依據(jù)具體需求定制網(wǎng)絡(luò)功能，提供可靈活裁剪的網(wǎng)絡(luò)能力；網(wǎng)絡(luò)策略可定制：可以提供靈活的路由策略、QoS策略，便于企業(yè)進(jìn)行業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)保障；部署策略可定制：可以支持多類型的部署方式。

（7）自運(yùn)營(yíng)：包括網(wǎng)絡(luò)管理：監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源；卡管理：在線開卡、遠(yuǎn)程寫號(hào)、計(jì)費(fèi)等；終端管理：能夠監(jiān)控終端狀態(tài)，管理終端。

4 5G專網(wǎng)部署模式及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 5G專網(wǎng)部署模式比較

目前業(yè)界基本上將5G專網(wǎng)部署模式分為獨(dú)立專網(wǎng)、混合專網(wǎng)和虛擬專網(wǎng)三大類，不同模型的主要差異如表1所示。[4]

4.2 5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

5G專網(wǎng)，融合云原生輕量級(jí)5GC、定制基站、定制UPF、邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等核心技術(shù)，支撐5G專網(wǎng)研發(fā)，如圖2所示。

圖2 5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是運(yùn)營(yíng)商為垂直行業(yè)提供5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)的重要手段。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有能力，在不同切片等級(jí)內(nèi)組合無線、傳輸、核心網(wǎng)和安全及運(yùn)營(yíng)等能力，匹配網(wǎng)絡(luò)最有可能的部署策略。[5]

不同的垂直行業(yè)還會(huì)有各自的定制化需求，需要網(wǎng)絡(luò)切片提供定制化能力，如支持Non-IP傳輸、支持時(shí)鐘同步、支持設(shè)備高處理速度等，都可以在上述每種能力等級(jí)基礎(chǔ)上額外疊加。

（2）定制UPF

UPF已逐漸從運(yùn)營(yíng)商的核心層走向行業(yè)客戶的接入層。面向行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，需要輕量化、低成本、靈活部署的UPF。

聚焦行業(yè)應(yīng)用（To B）場(chǎng)景，以“全集”UPF為基礎(chǔ)，定義簡(jiǎn)單高效的“最簡(jiǎn)”UPF。通過最簡(jiǎn)UPF的功能滿足高效靈活的部署，降低5G進(jìn)入千行百業(yè)的門檻。滿足行業(yè)差異化需求、探索功能定制的“增量”UPF。通過增量提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值，同時(shí)避免碎片化的定制需求帶來研發(fā)和維護(hù)成本的上升?？筛鶕?jù)行業(yè)客戶的需求按需支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、頭增強(qiáng)、白名單、重定向、Framed Routing、GRE/L2TP/IPSec隧道等功能。

表1 5G專網(wǎng)部署模式主要分類及差異比較

（3）云原生

云原生技術(shù)有利于各組織在公有云、私有云和混合云等新型動(dòng)態(tài)環(huán)境中，構(gòu)建和運(yùn)行可彈性擴(kuò)展的應(yīng)用，其代表技術(shù)包括容器、容器編排，微服務(wù)、智能運(yùn)維、DevOps，這些技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)樾袠I(yè)專網(wǎng)提供快速部署的輕量級(jí)資源能力、基于服務(wù)的開發(fā)能力、資源管理編排能力、豐富的運(yùn)維能力和快速迭代的定制化開發(fā)能力。

（4）輕量級(jí)5GC

輕量級(jí)5GC是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，對(duì)5GC功能進(jìn)行充分解耦后，按照客戶需求可進(jìn)行定制化開發(fā)和靈活編排部署的5GC系統(tǒng)。輕量級(jí)5GC具備如下特點(diǎn)。

① 網(wǎng)元靈活裁剪：在基礎(chǔ)5GC網(wǎng)元（UDM、AMF、SMF），可按需部署其他網(wǎng)元，滿足多場(chǎng)景部署的多樣化需求。

② 網(wǎng)元功能裁剪：在各網(wǎng)元基本功能基礎(chǔ)上，可以按需定制化開發(fā)靈活提供其他功能。

③ 網(wǎng)元輕量級(jí)承載：采用云原生部署技術(shù)，基于輕量級(jí)虛擬化技術(shù)提供可快速部署的基礎(chǔ)資源環(huán)境。

④ 多網(wǎng)協(xié)同：支持云邊協(xié)同，云網(wǎng)融合，NB-IoT、4G、5G、衛(wèi)星網(wǎng)等多網(wǎng)協(xié)同。

（5）定制化基站

按需定制專用基站，實(shí)現(xiàn)CU/DU分類，具備個(gè)性化、高性能、高安全、高隔離、資源獨(dú)享等特點(diǎn)，能夠滿足重要2B場(chǎng)景的覆蓋和容量需求。專用頻率和專用幀結(jié)構(gòu)，滿足上行大帶寬需求（上行峰值速率超過700 Mbit/s或更高），對(duì)于室內(nèi)或封閉場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)高效的干擾規(guī)避。

（6）邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是面向行業(yè)和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的下一個(gè)超越連接的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。運(yùn)營(yíng)商的邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施需滿足行業(yè)需求，管理多云模式下的邊緣云。

業(yè)務(wù)場(chǎng)景通常涉及多種應(yīng)用，要求網(wǎng)絡(luò)在邊緣位置提供超低時(shí)延和強(qiáng)大的處理、計(jì)算和存儲(chǔ)能力。數(shù)據(jù)無需回傳至網(wǎng)絡(luò)中心，而是在本地完成處理、存儲(chǔ)和下發(fā)。5G MEC技術(shù)還支持連接和計(jì)算集成，提高與最終用戶的交互效率。

邊緣計(jì)算最重要的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能包括：下行吞吐率、確定性通信、時(shí)延敏感性、隔離級(jí)別等。

5 總結(jié)

5G專網(wǎng)能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)企業(yè)所需的功能特性和服務(wù)定性指標(biāo)，精準(zhǔn)優(yōu)化應(yīng)用場(chǎng)景，更好支持生產(chǎn)及管理需求，安全性更高、企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的自主性更強(qiáng)。當(dāng)前5G專網(wǎng)已具備企業(yè)市場(chǎng)需求及政策環(huán)境支持，發(fā)展?jié)摿薮?。但在網(wǎng)絡(luò)部署、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、運(yùn)營(yíng)運(yùn)維以及行業(yè)融合等方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)，包括如何綜合考慮行業(yè)要求、業(yè)務(wù)需求及地域分布等因素定義專網(wǎng)部署架構(gòu)；如何基于關(guān)鍵技術(shù)快速構(gòu)建輕量級(jí)、彈性靈活、低成本的5G專網(wǎng)解決方案；運(yùn)營(yíng)運(yùn)維服務(wù)能力如何清晰定義界面，并面向企業(yè)下發(fā)自主運(yùn)營(yíng)開發(fā)和自主管理權(quán)限；與行業(yè)原有系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議的自動(dòng)轉(zhuǎn)化、無縫對(duì)接等問題。后續(xù)需要深入探索實(shí)踐，推進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新和價(jià)值創(chuàng)造，助力政企客戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型。