垂直行業(yè)企業(yè)5G專(zhuān)網(wǎng)的研究

陳澤宇，靳 永，張 丹（通信作者）

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇 南京 210023）

0 引言

我國(guó)在新一輪的技術(shù)革命與行業(yè)改革背景下，移動(dòng)5G通過(guò)機(jī)械、物料、信息系統(tǒng)與人的架構(gòu)鏈接，使得大數(shù)據(jù)的全面感知、動(dòng)態(tài)傳遞、信息分析，形成科學(xué)決策與智慧管理，在一定程度上提升企業(yè)資源配備效能，這種5G+垂直產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式是幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)突圍的有力抓手。但是由于碎片化市場(chǎng)和差異化需求無(wú)法通過(guò)統(tǒng)籌標(biāo)準(zhǔn)得以實(shí)現(xiàn)，因此必須建設(shè)符合產(chǎn)業(yè)共性要求的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)各企業(yè)指導(dǎo)定制化的解決方案，才能從根本上建立起垂直行業(yè)企業(yè)5G 專(zhuān)網(wǎng)。

1 相關(guān)概念概述

1.1 5G 專(zhuān)網(wǎng)

Private5G 也被稱(chēng)為5G 專(zhuān)網(wǎng)，即指通過(guò)3GPP 5G 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的企業(yè)及行業(yè)無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)5G專(zhuān)網(wǎng)部署模型：SNPN（獨(dú)立的非公共網(wǎng)絡(luò)）和PNI-NPN（公共網(wǎng)絡(luò)集成NPN）。其中SNPN 也是我們常說(shuō)的“自主建設(shè)模型”，即指公司可以自主建設(shè)由基地臺(tái)到中心網(wǎng)和云服務(wù)層的完整5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且可以完全和運(yùn)營(yíng)商的5G 公網(wǎng)隔離。而PNI-NPN 也被稱(chēng)為“公共網(wǎng)絡(luò)集成NPN”，通俗來(lái)說(shuō)就是公司可采用與運(yùn)營(yíng)商5G 公網(wǎng)共用RAN 或是共用RAN 和中心網(wǎng)管理面，或是終端共用5G 公網(wǎng)（端到端網(wǎng)絡(luò)切片）的方法來(lái)建設(shè)5G 專(zhuān)網(wǎng)；一方面，相比較于公網(wǎng)，5G 專(zhuān)網(wǎng)可以在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全信號(hào)覆蓋，應(yīng)用場(chǎng)合更明確，覆蓋面更精準(zhǔn)，針對(duì)性、專(zhuān)用性也更強(qiáng)。

另一方面，出于較高的安全性要求，5G 專(zhuān)網(wǎng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力也高于公網(wǎng)?，F(xiàn)如今5G 專(zhuān)網(wǎng)廣泛適用于某些大型企業(yè)或公司，具備高寬帶、強(qiáng)接入、小時(shí)延、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，5G 專(zhuān)網(wǎng)和公網(wǎng)結(jié)合將給公司建設(shè)上網(wǎng)提供很大的方便，極大地節(jié)約公司網(wǎng)站建設(shè)的時(shí)間與成本。同時(shí)建設(shè)5G 專(zhuān)網(wǎng)這也是企業(yè)星級(jí)上云內(nèi)容中的一部分，加快數(shù)字化、智能化，迎來(lái)新一輪企業(yè)改革的大潮流[1]。

1.2 垂直行業(yè)

垂直行業(yè)這個(gè)概念其實(shí)源于—項(xiàng)綜合的IT 技術(shù)的CRM系統(tǒng)。CRM 是customer relationship management 的縮寫(xiě)，也就是客戶關(guān)系管理的意思。假如A 公司專(zhuān)注于某一個(gè)行業(yè)，其服務(wù)的行業(yè)a 形成了一個(gè)平面，而B(niǎo) 公司是A 公司的客戶，并且其從事的行業(yè)與A 行業(yè)一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，即稱(chēng)為行業(yè)a 的垂直行業(yè)。

對(duì)于通信行業(yè)來(lái)說(shuō)，設(shè)備商、運(yùn)營(yíng)商以及各種工程，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃或者優(yōu)化服務(wù)的企業(yè)等都是屬于這一行業(yè)內(nèi)的。而對(duì)于交通、能源、娛樂(lè)、工業(yè)、智慧城市、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、金融、教育等行業(yè)，它們的主攻方向并不是通信，但是卻要不可避免地用到5G 技術(shù)，因此和通信行業(yè)存在特定的交叉點(diǎn)，所以便可稱(chēng)作垂直行業(yè)。對(duì)于這些垂直行業(yè)面向移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商通用的解決方案不適用，需要進(jìn)行深度的定制化。因此垂直的另一層意思也就是細(xì)分市場(chǎng)，需要進(jìn)行深度的產(chǎn)品和方案定制化。

移動(dòng)通信發(fā)展到5G，已經(jīng)從人與人之間的連接拓展到了人與物，以及物與物之間的連接，同時(shí)也需要高可靠性、低時(shí)延的通訊。這些要求都是從不同的產(chǎn)業(yè)中衍生出來(lái)，所以被稱(chēng)為垂直產(chǎn)業(yè)。

2 5G專(zhuān)網(wǎng)對(duì)于垂直行業(yè)企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

5G 技術(shù)具有上行大帶寬、極低端到端時(shí)延、超高可靠度的特性。5G 采用的是大容量多入多出Massive-MIMO 技術(shù)，該技術(shù)作為5G 的核心技術(shù)之一，通過(guò)提高M(jìn)IMO 系統(tǒng)振子數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加天線的接收發(fā)送通道，從而增加天線接收發(fā)送能力，真正做到了多路信號(hào)同步傳送。

采用大帶寬的表面質(zhì)量測(cè)試業(yè)務(wù)，單路4 K 圖像的數(shù)據(jù)流上行最大帶寬為50 Mbps，但是LTE 的上行鏈路最高傳輸速率卻為50 Mbps，在高速業(yè)務(wù)并發(fā)的情形下，LTE 所提供的最高傳輸速率已經(jīng)根本無(wú)法滿足其大帶寬要求；而采用極低端到端時(shí)延技術(shù)的智能AGV 的調(diào)度管理、智能故障及應(yīng)急管理等服務(wù)要求，將端到端的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延限制在微秒量級(jí)，而LTE 的端到端數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為100 ms，再乘以數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的終端到端時(shí)延，已根本無(wú)法滿足AGV 調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程管理等服務(wù)普遍使用；采用高可靠性設(shè)計(jì)的垂直業(yè)務(wù)關(guān)鍵設(shè)備連接不中斷服務(wù)，要求的安全性超過(guò)99.999%，不過(guò)依然面臨著安全性不高、覆蓋受限、信號(hào)根本無(wú)法透過(guò)鋼結(jié)構(gòu)障礙物傳播等缺點(diǎn)，無(wú)法保證其可靠性。

部分產(chǎn)品采用有線互聯(lián)網(wǎng)或Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)于企業(yè)廠房?jī)?nèi)部和機(jī)臺(tái)外部，但因?yàn)楣镜膹S房建筑面積很大，構(gòu)造繁雜、設(shè)施散亂、連線麻煩多、成本高、費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，企業(yè)迫切需要更安全便捷的通信工具和設(shè)備聯(lián)機(jī)問(wèn)題。由于Wi-Fi 受機(jī)器磁場(chǎng)影響出現(xiàn)丟包和數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這一問(wèn)題還有待改進(jìn)。所以，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以得到實(shí)時(shí)性更高、更安全、更快捷、可維護(hù)性更佳、投入更少的工廠網(wǎng)建設(shè)方法[2-3]。

2.1 可靠性

5G 抗干擾能力較好，5G 終端為芯片加密存儲(chǔ)，AKA 雙向認(rèn)證安全性高；5G R16 標(biāo)準(zhǔn)化防DDoS 攻擊；5G 的個(gè)人標(biāo)識(shí)是從UE 到網(wǎng)絡(luò)端到端加密。5G 通過(guò)使用運(yùn)營(yíng)商自有頻段，在帶寬、時(shí)延、安全性、穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流不出園等方面的特性更加適合企業(yè)智慧工程應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)移動(dòng)終端的全量連接，切實(shí)解決廠區(qū)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行連接管理存在的問(wèn)題。

5G 使用licensed 頻譜，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，能提供工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景所需的穩(wěn)定低時(shí)延、低抖動(dòng)；通過(guò)終端雙發(fā)選取、設(shè)備主備等系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)99.999%可靠性。5G 能夠進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換確保數(shù)據(jù)的安全傳送，而針對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景，在Wi-Fi 連接下無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，但5G 網(wǎng)絡(luò)卻能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，因此5G 更可靠[4-6]。

2.2 覆蓋能力

Wi-Fi 基帶和射頻合一，不支持聯(lián)合接收；Wi-Fi 概率性測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，切換時(shí)會(huì)idle 態(tài)，類(lèi)似于小區(qū)重選或重定向，非嚴(yán)格意義切換，欠缺無(wú)損切換能力。對(duì)于工廠等場(chǎng)景，5G 可以通過(guò)多TRP 分布式處理提升整網(wǎng)速率；5G 定義完整的切換和測(cè)量，對(duì)測(cè)量的事件、頻點(diǎn)、周期、上報(bào)門(mén)限等均有完善定義，實(shí)現(xiàn)基站控制下的切片，支持?jǐn)?shù)據(jù)前轉(zhuǎn)。5G 技術(shù)可以提供超低端的端時(shí)延和更廣覆蓋，Wi-Fi 時(shí)延一般不增加，隨著用戶的增加端到端時(shí)延增加；5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以根據(jù)行業(yè)定制化減少時(shí)延，從而提高覆蓋功能[7]。

2.3 大帶寬特性

5G 可以支撐高速并發(fā)大信息量服務(wù)，但由于Wi-Fi 信道范圍較小，資源相對(duì)有限。5G 實(shí)現(xiàn)了OFDM 化的波形和多址接入技術(shù)，OFDM 技術(shù)已經(jīng)在如今的4G LTE 和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中普遍應(yīng)用，增加了帶寬應(yīng)用，提高了最大帶寬功能。大帶寬服務(wù)器，最重要的作用就是讓兩路數(shù)據(jù)同步，讓數(shù)據(jù)的傳輸速度更快、更穩(wěn)定。同時(shí)，服務(wù)器的安全性也非常高。這種服務(wù)器能夠適應(yīng)各種企業(yè)的需求，而且應(yīng)用的范圍也更加廣。

3 5G專(zhuān)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案

5G 專(zhuān)網(wǎng)的規(guī)格在實(shí)際上是遠(yuǎn)低于5G 公網(wǎng)的，和5G 公網(wǎng)同樣也是由5GCCP、UDM、MEC、UPF 和gNB 組成，正所謂是麻雀雖小，五臟俱全。專(zhuān)網(wǎng)顧名思義，當(dāng)然就是采用了專(zhuān)門(mén)的頻段，并自建了涵蓋5GCCP、UDM、MEC、UPF 和gNB 的5G 移動(dòng)專(zhuān)網(wǎng)。甚至為了垂直行業(yè)，多個(gè)國(guó)家分配了5G 本地頻段。所謂的5G 專(zhuān)網(wǎng)頻率資源，也就是政府決策者為垂直行業(yè)專(zhuān)門(mén)分配的5G 頻率資源。有了5G 專(zhuān)網(wǎng)頻率資源，意味著垂直產(chǎn)業(yè)在頻率資源上不再受制于政府運(yùn)營(yíng)商，而是能夠自設(shè)專(zhuān)網(wǎng)[8]。

現(xiàn)如今，全世界已經(jīng)有許多國(guó)家為垂直行業(yè)分配了5G的專(zhuān)用頻率，或者稱(chēng)之為5G 本地服務(wù)頻率。例如，意大利分配了3.7～3.8 GHz、英國(guó)分配了3.8～4.2 GHz 頻率、日本分配了2575～2595 MHz、28.2～28.3 GHz、4.6～4.8 GHz，以及28.3～29.1 GHz 頻率。這種部署方法的好處就是能保證企業(yè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全性，因?yàn)槿颗c公網(wǎng)分離。而且互聯(lián)網(wǎng)端到端時(shí)延較小，從中心網(wǎng)到無(wú)線接入網(wǎng)都布置在了本地。而數(shù)據(jù)來(lái)回傳遞的距離也只有數(shù)千米，當(dāng)然端到端傳輸時(shí)延也從而變小。

早在2020年7月，中國(guó)移動(dòng)按照靈活組網(wǎng)、按市場(chǎng)需求規(guī)劃的原則，新提出的5G 專(zhuān)網(wǎng)可包括優(yōu)享5G 專(zhuān)網(wǎng)、專(zhuān)享5G 專(zhuān)網(wǎng)、尊享5G 專(zhuān)網(wǎng)等三個(gè)基本產(chǎn)品，為客戶提供特定地域內(nèi)覆蓋范圍、數(shù)據(jù)安全傳送、業(yè)務(wù)安全隔離、設(shè)備可管控制的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)，以解決客戶在組織、指揮管理、生產(chǎn)、調(diào)度等各環(huán)節(jié)的通信業(yè)務(wù)需要，幫助垂直行業(yè)企業(yè)智能化升級(jí)，同時(shí)也進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)商與企業(yè)的合作[9-10]。

優(yōu)享模式下設(shè)有流量加速和服務(wù)隔離兩種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式，以滿足客戶對(duì)上網(wǎng)速度、時(shí)延和安全性的要求。服務(wù)加速通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的水平，完成了擁塞預(yù)調(diào)度，可以給用戶提供速度更快的沖浪服務(wù)，可以應(yīng)用于電視直播、AR/VR、云游戲等對(duì)時(shí)延、速度需求比較大的領(lǐng)域；服務(wù)隔離，采用切片的方式為用戶設(shè)定專(zhuān)屬鏈路，保證了用戶使用的安全性，可以適用于銀行、電網(wǎng)等對(duì)安全性要求較高的行業(yè)環(huán)境中。

專(zhuān)享方式采用強(qiáng)化覆蓋和邊緣計(jì)算的能力，即可進(jìn)行本地流量卸載、邊界處理，以解決用戶對(duì)信息不出場(chǎng)、超低時(shí)間延遲等服務(wù)要求。公網(wǎng)專(zhuān)業(yè)，能夠?yàn)橛脩魩?lái)強(qiáng)化包裹服務(wù)能力，同時(shí)具備超強(qiáng)并發(fā)連接力量的服務(wù)特點(diǎn)，能夠應(yīng)用在醫(yī)院、園區(qū)等特殊場(chǎng)合；本地服務(wù)保障方面，采用邊界計(jì)算、UPF 下沉，以解決企業(yè)用戶對(duì)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)延的高需求，能夠減少時(shí)間延至20 ms 以內(nèi)。為了保證安全性，邊緣結(jié)點(diǎn)也能夠承載業(yè)務(wù)平臺(tái)和應(yīng)用側(cè)的一些個(gè)性化應(yīng)用，透過(guò)直接和生產(chǎn)系統(tǒng)互動(dòng)，完成對(duì)邊界信息的超強(qiáng)管理和運(yùn)算。

尊享模式通常是對(duì)基站、頻段的專(zhuān)建專(zhuān)用，能夠協(xié)助企業(yè)構(gòu)建專(zhuān)門(mén)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，因此也迎合企業(yè)對(duì)高穩(wěn)定性、高距離感需要、高度定制化的建網(wǎng)需要的要求。而專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用，則通常是針對(duì)基站、頻段等特別專(zhuān)業(yè)、更適合用在無(wú)開(kāi)采、不有序施工的封閉項(xiàng)目；超級(jí)上行，采用相應(yīng)的技術(shù)手段，可以提升企業(yè)接口的上行速效率，從而真正地實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)、智慧礦山以及一些對(duì)上有特殊要求的情景；企業(yè)專(zhuān)屬接口，則采用專(zhuān)門(mén)的準(zhǔn)入機(jī)制實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于為企業(yè)建立一個(gè)專(zhuān)屬的接口白名單。

4 5G專(zhuān)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

2021年4月30日，中國(guó)工信部印發(fā)《5G 應(yīng)用“揚(yáng)帆”活動(dòng)規(guī)劃（2021-2023年）》（征求意見(jiàn)稿）表示，“到2023年，建設(shè)突破3000 個(gè)5G 產(chǎn)業(yè)虛擬專(zhuān)網(wǎng)”。他還進(jìn)一步指出：“支持各地政府根據(jù)區(qū)域需要，建立移動(dòng)5G 領(lǐng)域虛擬專(zhuān)網(wǎng)，并創(chuàng)新建網(wǎng)的方法，以建立區(qū)域先導(dǎo)效應(yīng)”。

傳統(tǒng)專(zhuān)網(wǎng)供應(yīng)商將依托于前期深耕產(chǎn)業(yè)專(zhuān)網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合為顧客提出綜合應(yīng)用數(shù)字化方案和咨詢服務(wù)，以促進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)踐驗(yàn)證與產(chǎn)業(yè)方案“技術(shù)三角”的高效連接，形成共生共享產(chǎn)業(yè)合作創(chuàng)新生態(tài)。

中國(guó)電信5G 云網(wǎng)、XR 數(shù)字經(jīng)濟(jì)孿生、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新科技，使線下商業(yè)空間實(shí)現(xiàn)了3D 的高精度空間信息再現(xiàn)，形成了線上線下深度結(jié)合的空中數(shù)字經(jīng)濟(jì)“元宇宙”，提供“AR 導(dǎo)航尋車(chē)、AR 景觀游戲、AR 寶箱集卡、AR 試妝試戴、XR 娛樂(lè)空間、VR 數(shù)字云MALL”等一系列5G 新型消費(fèi)應(yīng)用。在商場(chǎng)任意位置通過(guò)AR 導(dǎo)航服務(wù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、路徑規(guī)劃及全程實(shí)景AR 導(dǎo)航，并可隨機(jī)領(lǐng)取AR 寶箱優(yōu)惠。通過(guò)AR 成像技術(shù)讓消費(fèi)者置身在炫酷多彩的AR 景觀里，感受虛擬與現(xiàn)實(shí)的完美融合。

相比較而言，中國(guó)聯(lián)通通過(guò)在云南大理蒼山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)投入多臺(tái)5G 網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)，對(duì)防火關(guān)鍵地段實(shí)現(xiàn)全方位火情監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)全天候作業(yè)待命。人員無(wú)須到現(xiàn)場(chǎng)，在指揮中心即可通過(guò)5G 網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)綜合應(yīng)用管理平臺(tái)和5G 網(wǎng)絡(luò)同時(shí)指令多臺(tái)無(wú)人機(jī)在指定時(shí)間，飛往指定地點(diǎn)進(jìn)行巡檢。一旦發(fā)現(xiàn)火情，指揮部可以調(diào)派大載重滅火無(wú)人機(jī)第一時(shí)間前往投彈滅火作業(yè)，或?yàn)橄廊藛T運(yùn)輸撲火工具、食物等物資，大幅提高作業(yè)效率。

再比如中國(guó)移動(dòng)云平臺(tái)打造智慧海洋底座。福建移動(dòng)聯(lián)合華為等合作伙伴，在寧德成功落地全國(guó)首個(gè)5G 智慧海洋精品網(wǎng)絡(luò)樣板點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)50 公里海域5G 全覆蓋，并形成基線化的5G 智慧海洋解決方案，不僅為沿海智慧漁村建設(shè)、捕魚(yú)養(yǎng)殖作業(yè)、漁民村民數(shù)字化生活提供有力網(wǎng)絡(luò)保障，也打造了全省首個(gè)5G 海洋執(zhí)法示范項(xiàng)目等應(yīng)用，5G 智慧海洋拓展取得了積極成效。

那么從這一方面可以看出面對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)龐大的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本，中國(guó)電信、移動(dòng)、聯(lián)通三大運(yùn)營(yíng)商從企業(yè)實(shí)際情況與所處環(huán)境考慮，都在積極嘗試通過(guò)各領(lǐng)域的合作共享，降本增效。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，大幅度推動(dòng)了通信技術(shù)的研究，現(xiàn)如今不光中國(guó)，包括別國(guó)也在積極地參與建設(shè)5G 專(zhuān)網(wǎng)，使其應(yīng)用更完善。部署的5G 專(zhuān)網(wǎng)，更是在垂直領(lǐng)域推進(jìn)5G 的創(chuàng)新發(fā)展應(yīng)用、加速向數(shù)字化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變、實(shí)現(xiàn)降本增效不可或缺的手段。經(jīng)營(yíng)者們要緊緊抓住專(zhuān)網(wǎng)的發(fā)展窗口，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)與5G 專(zhuān)網(wǎng)整合信息作用，不斷創(chuàng)新合作方式，同時(shí)也需要政府、企業(yè)一起推動(dòng)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)，促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的智能化升級(jí)，讓企業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)型和發(fā)展，從而帶動(dòng)社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。