面向垂直行業(yè)的5G定制專網(wǎng)應(yīng)用探討

葉惠卿

（廣東省環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

1 引言

5G應(yīng)用包含三大場(chǎng)景eMBB、mMTC和uRLLC，其中eMBB主要面向ToC市場(chǎng)，mMTC、uRLLC則更多面向ToB市場(chǎng)，比如物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。mMTC、uRLLC可以跟垂直行業(yè)應(yīng)用充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延、高可靠，從而滿足智能制造、智能調(diào)度、智能電網(wǎng)和自動(dòng)駕駛等垂直行業(yè)需求。5G定制專網(wǎng)指將5G技術(shù)創(chuàng)建具有統(tǒng)一連接性、優(yōu)化服務(wù)和特定區(qū)域內(nèi)安全通信方式的專用網(wǎng)絡(luò)[1]。自2019年工信部發(fā)放四張5G商用牌照，國(guó)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)蓬勃發(fā)展，截至2021年上半年，我國(guó)5G基站總數(shù)達(dá)到96.1萬(wàn)個(gè)。目前業(yè)界越來(lái)越關(guān)注5G的toB市場(chǎng)，5G定制專網(wǎng)在垂直行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越快、規(guī)模越來(lái)越大，并且園區(qū)（工業(yè)園區(qū)、港口、校園）內(nèi)的應(yīng)用更為廣泛。本文歸納總結(jié)5G定制專網(wǎng)的需求、各種部署模式，加以分析對(duì)比并提出發(fā)展挑戰(zhàn)，為5G定制專網(wǎng)的應(yīng)用提供建議。

2 5G定制專網(wǎng)需求

5G定制專網(wǎng)集成5G網(wǎng)絡(luò)能力（eMBB、mMTC和uRLLC）和5G融合能力（AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和MEC等），可提供AI與大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集、視頻與A/V/XR、遠(yuǎn)程控制、目標(biāo)識(shí)別等共性業(yè)務(wù)，最終形成智慧工廠、智慧園區(qū)、智慧交通、智慧電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧校園等典型的5G行業(yè)應(yīng)用，如圖1所示。但是不同的行業(yè)應(yīng)用有著不同的需求或面臨不同的挑戰(zhàn)，比如：

圖1 5G定制網(wǎng)行業(yè)需求

（1）智慧工廠。工廠生產(chǎn)面臨柔性化不足，難以進(jìn)行多品種小批次的新產(chǎn)品快速生產(chǎn)[2]；工廠內(nèi)部各種無(wú)線通信混雜，比如WIFI、藍(lán)牙、2/3/4G、RFID等，集中管理與維護(hù)困難；生產(chǎn)安全和控制速度要求數(shù)據(jù)本地化處理。

（2）智慧港口。港機(jī)人力需求高、作業(yè)條件艱苦；斗輪機(jī)WIFI連接不穩(wěn)定、時(shí)延大，高清監(jiān)測(cè)視頻回傳卡頓；智能AGV對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延有較高要求，以滿足遠(yuǎn)程操控、遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)（雷達(dá)+相機(jī)）上傳、車(chē)路/車(chē)車(chē)/人車(chē)協(xié)同。

（3）智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)無(wú)線通信應(yīng)用場(chǎng)景分為控制、采集兩大類：控制類包含智能分布式配電自動(dòng)化、用電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)、分布式能源調(diào)控等，要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低、抖動(dòng)少；采集類主要包括高級(jí)計(jì)量、智能電網(wǎng)大視頻應(yīng)用，無(wú)線連接數(shù)多且對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度有一定要求。

可見(jiàn)，行業(yè)客戶基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)5G定制專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求多且各不相同，歸納起來(lái)主要包括：業(yè)務(wù)加速、數(shù)據(jù)隔離、低時(shí)延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)、邊緣計(jì)算：

（1）業(yè)務(wù)加速。根據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量要求，在帶寬和時(shí)延方面提供差異性的服務(wù)質(zhì)量保障，保證高優(yōu)先級(jí)用戶或業(yè)務(wù)獲得增強(qiáng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量保障、更好的業(yè)務(wù)加速體驗(yàn)。

（2）數(shù)據(jù)隔離。要求專用網(wǎng)絡(luò)與公眾網(wǎng)隔離，通過(guò)專用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量的定向匯聚傳輸和隔離，保證數(shù)據(jù)專用和安全。

（3）低時(shí)延。要求在靠近用戶或靠近業(yè)務(wù)接入側(cè)，實(shí)現(xiàn)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)快速處理。

（4）數(shù)據(jù)不出園區(qū)。要求超低時(shí)延、敏感相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在園區(qū)內(nèi)分流卸載，不出園區(qū)，滿足數(shù)據(jù)安全和本地?cái)?shù)據(jù)快速處理需求。

（5）邊緣計(jì)算。要求在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署邊緣業(yè)務(wù)以及低時(shí)延應(yīng)用。

3 部署模式

根據(jù)垂直行業(yè)對(duì)5G定制專網(wǎng)的需求，綜合考慮覆蓋、傳輸帶寬、時(shí)延、可靠性、安全性和成本等因素，5G定制專網(wǎng)通常采用切片、混合組網(wǎng)、獨(dú)立組網(wǎng)三種模式部署[3]。

3.1 切片專網(wǎng)模式

切片專網(wǎng)如圖2所示，從基站、傳輸網(wǎng)到核心網(wǎng)完全復(fù)用公網(wǎng)資源，利用端到端QoS或切片技術(shù)，為行業(yè)用戶提供特定SLA保障以及與公網(wǎng)數(shù)據(jù)隔離服務(wù)。專用用戶使用切片專網(wǎng)發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，用戶數(shù)據(jù)經(jīng)專網(wǎng)終端、公網(wǎng)基站、公網(wǎng)UPF提交到用戶內(nèi)網(wǎng)。

圖2 切片專網(wǎng)部署圖

切片專網(wǎng)基于公網(wǎng)切片的靈活配置提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，公網(wǎng)覆蓋的地方都可部署，服務(wù)范圍廣、部署靈活但只能提供有限的SLA保障，適用于智慧城市、智慧景區(qū)、智慧交通、智慧環(huán)保等接入?yún)^(qū)域不固定或廣域覆蓋、低成本的場(chǎng)景。這類場(chǎng)景通常只需要一定的QoS保障和數(shù)據(jù)隔離。

3.2 混合專網(wǎng)模式

混合專網(wǎng)如圖3所示，其與公網(wǎng)共享5G基站，基于5G數(shù)據(jù)分流技術(shù)，將核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元UPF下沉到靠近用戶側(cè)（運(yùn)營(yíng)商地市機(jī)房，甚至用戶私有機(jī)房），無(wú)線基站、核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元根據(jù)客戶需求靈活配置和部署，從而為行業(yè)用戶構(gòu)建一張?jiān)鰪?qiáng)帶寬、低時(shí)延、數(shù)據(jù)不出園的專用網(wǎng)絡(luò)?；旌蠈＞W(wǎng)通常結(jié)合邊緣計(jì)算MEC進(jìn)行部署，由專網(wǎng)UPF基于IP、設(shè)備內(nèi)切片等規(guī)則將專網(wǎng)數(shù)據(jù)分流到MEC服務(wù)器，并在MEC服務(wù)器上部署低時(shí)延或邊緣應(yīng)用。采用混合專網(wǎng)，既可滿足園區(qū)本地化分流處理的特殊需求，也支持專網(wǎng)終端訪問(wèn)公網(wǎng)的一般需求。

圖3 混合專網(wǎng)部署圖

混合專網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地卸載和功能定制優(yōu)化，建設(shè)成本整體可控，適用于交通物流/港口碼頭、高端景區(qū)、城市安防、工業(yè)制造等局域開(kāi)放、對(duì)安全隔離需求適中、對(duì)成本可控接受程度高的場(chǎng)景。

3.3 獨(dú)立專網(wǎng)模式

獨(dú)立專網(wǎng)如圖4所示，是面向可靠性、私密性要求極高的行業(yè)應(yīng)用專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)用戶與公網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)完全隔離，且不受公網(wǎng)影響。該模式下，從無(wú)線基站、傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)用戶面+控制面端到端為行業(yè)用戶單獨(dú)建設(shè)，提供完全物理獨(dú)享的專用網(wǎng)絡(luò)，滿足行業(yè)用戶大帶寬、低時(shí)延、高安全、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求。適用于工業(yè)制造、礦產(chǎn)、軍隊(duì)等局域封閉、對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全隔離性、自主可控性和業(yè)務(wù)可靠性要求極高、對(duì)性能關(guān)注遠(yuǎn)高于成本的場(chǎng)景。

圖4 獨(dú)立專網(wǎng)部署圖

3.4 分析

如表1所示，切片專網(wǎng)、混合專網(wǎng)、獨(dú)立專網(wǎng)三種模式在覆蓋范圍、與公網(wǎng)資源共享、數(shù)據(jù)隔離、SLA服務(wù)保障和工程建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等方面各不相同，所適應(yīng)的場(chǎng)景也各不相同：切片專網(wǎng)偏向要求廣域接入、低成本、業(yè)務(wù)質(zhì)量要求一般的場(chǎng)景，混合專網(wǎng)重點(diǎn)解決行業(yè)用戶數(shù)據(jù)本地處理、云邊協(xié)同的場(chǎng)景，獨(dú)立專網(wǎng)則為行業(yè)用戶提供專屬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。開(kāi)展實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)行業(yè)用戶具體需求，選擇合適的部署模式。

表1 三種模式對(duì)比表

4 發(fā)展挑戰(zhàn)

5G定制專網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)制造、港口碼頭、礦井油田、能源電力、城市治理等領(lǐng)域成功落地，商業(yè)合同超過(guò)1000個(gè)，但還存在技術(shù)門(mén)檻和建設(shè)成本高[6]、客戶使用意愿低等問(wèn)題，快速規(guī)模推廣面臨不小的挑戰(zhàn)，需要企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商等行業(yè)各方共同積極推進(jìn)。

（1）企業(yè)用戶數(shù)字化人才缺乏，對(duì)5G定制專網(wǎng)技術(shù)難以掌握，對(duì)5G定制專網(wǎng)可能帶來(lái)的“降成本、提性能、保安全、增運(yùn)維”存在困惑，使用意愿不夠強(qiáng)。

（2）5G定制專網(wǎng)面向的行業(yè)領(lǐng)域非常寬泛，包括金融證券、教育醫(yī)療、工業(yè)制造、物流運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)、文化旅游、農(nóng)林牧漁等等，每個(gè)行業(yè)都有獨(dú)特的商業(yè)模式和產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，個(gè)性化需求極多，需要運(yùn)營(yíng)商提供深度的定制化服務(wù)。但是運(yùn)營(yíng)商一線技術(shù)人員對(duì)5G以及云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)掌握不夠，對(duì)行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景理解不夠，難以提供企業(yè)用戶期望的方案和服務(wù)；5G定制專網(wǎng)引入切片、UPF下沉分流等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維比起傳統(tǒng)大網(wǎng)復(fù)雜得多，甚至間接對(duì)大網(wǎng)帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)維人員難以兼顧。

（3）目前5G定制專網(wǎng)涉及的軟件、硬件和解決方案主要由幾家頭部企業(yè)壟斷，需要政府和行業(yè)協(xié)會(huì)共同促進(jìn)構(gòu)建開(kāi)放的行業(yè)生態(tài)，加快5G定制專網(wǎng)整體成本和技術(shù)門(mén)檻的下降。

5 結(jié)語(yǔ)

本文梳理5G定制專網(wǎng)的需求、部署模式，分析對(duì)比切片專網(wǎng)、混合專業(yè)和獨(dú)立專網(wǎng)的特征，并指出當(dāng)前發(fā)展5G定制專網(wǎng)過(guò)程中企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)梳理，我們可以發(fā)現(xiàn)5G定制專網(wǎng)通過(guò)資源和能力定制化服務(wù)于垂直行業(yè)用戶，可以滿足差異化能力、服務(wù)質(zhì)量保障、靈活便捷等網(wǎng)絡(luò)需求，但規(guī)模應(yīng)用面臨多方面挑戰(zhàn)，需要行業(yè)共同推進(jìn)發(fā)展。