5G行業無線專網技術與業務需求模型

張學智，趙婧博，趙慧杰

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 引言

5G行業無線專網已成為運營商基于5G技術賦能垂直行業的最重要產品服務之一。區別于為社會公眾提供服務的公網通信，專網通信以特定部門和群體為對象，為滿足其進行組織管理、安全生產、調度指揮等需要所建設的通信網絡。兩者在運營主體、業務類型、客戶類型、技術發展階段、主要供應商等方面均有較大不同。本文對5G行業無線專網發展趨勢、技術實現方案、需求模型等進行了分析介紹，并對運營商如何開展5G行業無線專網產品運營提出了建議。

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）5G標準從R15開始系統性地針對帶寬、時延和連接數進行了持續優化和迭代升級，后續版本還針對通用的安全等方面持續補充增強方案。這種大容量、低時延、海量連接的能力吸引了行業客戶希望將現有的業務遷移，但又希望與公網客戶進行不同程度的資源隔離和差異化，5G行業無線專網應運而生。

5G行業無線專網有不同的分類維度，可以從行業客戶使用范圍、關鍵技術組合、部署方式等不同角度分類。

· 5G行業無線專網從行業客戶使用范圍的角度可以分為：廣域專網和局域專網。廣域專網主要為客戶提供大范圍區域生產經營聯網支撐，能簡單復用運營商5G公網的空閑資源，做到按需租用，避免廣域專網建設投資過大，5G的切片技術能夠保障基于5G公網共享資源的5G行業無線專網通過切片能力提供定制化的網絡指標需求、差異化業務特征和不同級別的安全隔離要求。局域專網主要為客戶特定生產區域提供聯網支撐，可以更平滑地實現本地行業應用技術的迭代升級。例如現有的工業軟件運行在私有云上，但是由于組網的影響，時延較高，使用局域專網中的多接入邊緣計算（multi-access edge computing，MEC）本地分流能力可以有效降低時延，可以更好地實現本地化定制要求。

· 5G行業無線專網從關鍵技術組合的角度可以分為：5G+切片模式（可按設備資源能力進行切片，如空口、核心網、傳輸；也可按業務特征進行切片，如增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、低時延高可靠通信（ultra-reliable and low latency communications，uRLLC）、大連接物聯網（massive machine type communication，mMTC））；5G+邊緣計算模式（邊緣計算可以分為通用 MEC和專用 MEC）；5G+切片+邊緣計算混合模式。

· 5G行業無線專網從部署方式的角度可以分為：運營商獨建型、共建共享型、企業獨建型。運營商獨建型部署方式是在運營商公網資源的基礎上獨立部署專用于企業的5G行業無線專網設備；共建共享型部署方式是將運營商和行業企業的基礎設施資源整合用于部署5G行業無線專網設備；企業獨建型部署方式是在企業客戶自有的基礎設施空間部署5G行業無線專網設備。

當前，5G行業無線專網已應用于制造、能源、醫療、文娛、交通、港口、園區等領域，其中工業類企業（制造、礦山等）應用最為廣泛。據中國信息通信研究院2020年11月數據，應用于工業互聯網的5G基站已達3.2萬個。

2 5G行業無線專網的關鍵技術

5G行業無線專網的實現涉及眾多技術，如軟件定義網絡（software defined network，SDN）、網絡功能虛擬化（network function virtualization，NFV）、服務質量（quality of service，QoS）、網絡切片、MEC、無線帶寬增強、本地數據分流等。限于篇幅，本文主要對虛擬化、網絡切片、MEC進行簡要分析和介紹。

2.1 虛擬化

虛擬化最早源于信息技術（information technology，IT）行業，目標是通過軟件和硬件解耦，用戶能以單個物理硬件系統為基礎創建多個模擬環境或專用資源。通信技術（communication technology，CT）行業引入虛擬化后，目標是可基于一個原始網絡創建多個虛擬網絡，最早成功推出了NFV技術，并最先成熟用于5G核心網（5G core network，5GC），隨著軟硬件技術和能力的不斷增強，以及虛擬化帶來的用戶和運營商共贏的市場價值，也推動了業界進一步深入研究無線基站等更多網元的虛擬化方案。

· 行業終端虛擬化：當前行業終端形態多樣，且單終端數據無法直接給多個業務系統共享，進而難以實現資源的靈活共享，這與終端和傳統專網技術常常是封閉系統且存在多種煙囪式業務有關。但隨著虛擬化技術的發展，行業終端的發展可能會有兩個方向，其一是具備更強計算能力的超級終端，例如手機和無線網關，同時可以部署多個業務系統，或者通過不同通道接入多個業務系統；另一種是只具備感知和顯示能力的超簡終端，例如一個大型加工設備上的多個傳感器，將多個同類或不同類型的傳感器終端虛擬化成不同終端，并可接入多個業務系統。

· 射頻單元虛擬化：射頻單元是 CT設備廠商的核心陣地，虛擬化一直是IT廠商進攻傳統 CT廠商的主要技術路線。例如以英特爾支持的x86架構為基礎，運營商可以從一家設備商購買硬件，從另一家設備商購買軟件，即常說的白盒化，目前海外多家運營商已經宣稱進行了少量部署。或者從一家設備商購買射頻拉遠單元（remote radio unit，RRU），從另一家設備商購買室內基帶處理單元（building base band unit，BBU），從而實現模塊化組站。

· 承載網虛擬化：近年來增加靈活性一直是承載網技術發展的主要推動力之一，尤其在5G時代，5G端到端切片業務需要承載網切片能力支持。當前主要通過對承載網設備的接口、路由、控制器等資源的虛擬化逐步實現靈活的資源共享和差異化業務傳輸。例如實現介質訪問控制層和物理層接口收發器的解耦，從而大大增強了以太網組網靈活性的靈活以太網（flexible ethernet，FlexE）技術、滿足5G泛在靈活連接的分段路由（segment routing，SR）優化技術、基于網絡切片的軟件定義網絡架構和控制技術都已經成為了實現承載網切片的關鍵技術。

· 核心網虛擬化：對多業務承載的需求要求5G核心網能根據業務量的動態變化相應地調整資源使用，優化運行和管理。如出于對網絡安全或穩定性的考慮，不同業務或同一業務的不同類型數據流要求與其他業務數據邏輯隔離或網絡資源專用。通過虛擬化技術，網絡演進為軟件，可在虛擬資源上直接加載、擴容、縮容和靈活調度，從而滿足上述需求。3GPP定義的基于服務化架構的5G核心網架構，支持不同虛擬化網絡功能（virtual network function，VNF）進行重新組合成為不同容量和功能的 5G核心網，也更易于分級部署和分布式部署，進而支持靈活多樣的場景和業務需求。核心網虛擬化各個VNF可以分配的資源有兩種方式，一種是靜態的，即在該網絡功能部署到網絡時所需使用的固定資源；另一種是動態的，即該虛擬網絡功能在實際運行過程中由于業務量發生變化需要增加或減少平臺資源。

虛擬化既可以更好地實現資源靈活共享，還可以實現資源使用的差異化。在5G時代，運營商商業模式向多量綱演進就需要逐步加深全網端到端的虛擬化程度。

2.2 網絡切片

根據 3GPP定義，網絡切片是提供特定網絡能力和網絡特征的邏輯網絡，是網絡虛擬化后的重要產品服務形態之一。從網絡角度看，網絡切片是端到端的，即5G網絡必須從核心網絡、承載網、無線網以及終端方面進行端到端的技術保障。核心網網絡切片在規范和產品實現上都相對完善，主要技術包括網絡切片的選擇、切片會話管理、切片漫游等。承載網絡對網絡切片的支持分為兩類方案，一類是軟切片，另一類是硬切片。軟切片主要指虛擬專用網絡（virtual private network，VPN）技術，例如多協議標記交換（multi-propocol label switching，MPLS）VPN。硬切片主要指 IP網絡的靈活以太網（flexible ethernet，FlexE）技術和光網絡的光通路數據單元（optical channel data unit，ODUk）技術。在無線網絡方面，3GPP規范了無線網絡對網絡切片的感知、網絡切片的選擇、用戶級的QoS保障機制等，目前沒有定義無線網絡如何針對網絡切片進行資源調度和資源預留。無線側對切片業務支持主要基于QoS機制保障網絡切片服務。在終端方面，規范規定終端最多可以支持 8個網絡切片并發，終端上的應用與網絡切片的對應關系取決于UE路由選擇策略（UE route selection policy，URSP）。當用簽約多個網絡切片服務時，終端需要支持多切片，確保不同業務使用不同切片。

從部署而言，可采用傳統的專有硬件，也可采用NFV 方式實現。基于網絡切片技術所實現的按需組網改變了傳統網絡規劃、部署和運營維護模式，對網絡發展規劃和網絡運維提出了新的技術要求。通過網絡切片技術，可以實現業務需求和網絡資源的靈活匹配，虛擬出多張滿足不同業務應用場景和差異化需求的 5G 切片網絡，并能充分共享物理網絡資源。在同一個切片內部，通過數據網絡名稱（data network name，DNN）配置，可以實現不同業務流的路由隔離。

2.3 多接入邊緣計算

多接入邊緣計算（multi-access edge computing，MEC）是 5G行業無線專網的關鍵技術能力，是云、網、端的融合點，在5G網絡能力基礎上，可為客戶提供“連接+計算+能力+應用”的靈活組合，進一步提升5G專網的邊緣智能水平。

MEC技術通過對傳統無線網絡增加MEC平臺功能網元，使其具備了提供業務就近部署及本地化處理等能力。MEC 平臺面向固定、移動等多種接入網絡，按需就近提供流量引導等網絡能力、邊緣計算及存儲能力、AI 識別等業務原子能力、編排部署及自服務等平臺能力，支持用戶全面定制化，滿足用戶低時延、大帶寬、高算力、數據安全等差異化需求。MEC 平臺支持通過提供API 面向 MEC 應用進行能力開放，主要包括流量引導、QoS保障、固移融合等。流量引導指支持在 MEC 平臺配置分流策略，通過與 5G 核心網傳遞分流規則，實現邊緣節點特定業務分流，保障用戶就近訪問邊緣應用。QoS 保障指通過策略控制功能（policy control function，PCF）的策略授權服務接口，支持對特定業務流實現帶寬、資源優先級等 5G 接入服務質量保障。 固移融合指支持靈活路由，實現固定、移動等多網絡協同管理。MEC 平臺一般支持自有和第三方業務原子能力加載、統一開放、多量綱計費、按需調用，并可根據客戶需求靈活定制開發。

3 業務需求模型

5G行業無線專網將滿足行業客戶的高中低速數據業務組合。運營商需要與客戶一起將需要聯網的行業業務應用對網絡的需求轉化成 5G行業無線專網的容量和質量要求。當前行業客戶的需求與公眾客戶需求相比是不統一的，因此針對碎片化的需求需要運營商先根據服務能力（網絡、云、應用等）構建典型的業務模型庫，之后再結合行業客戶需求進行微調后形成定制的行業客戶專網業務模型。隨著5G行業無線專網的普及，后續將由定制化的業務模型進一步簡化和抽象出各種行業套餐，便于更多行業和企業客戶容易理解和采購。

圖1 業務模型定義方法

其中業務需求參數需要充分考慮業務本身特性以及信息傳輸規律，表1是一個示例，以“物和流程”為核心來收集信息。

表1 業務需求參數參考示例

構建典型業務模型需要重點考慮以下幾點。

（1）業務模型的構建要符合商業模式的邏輯，才能保證后續行業套餐廣泛推廣后的商業可持續性。例如2G時代主要是語音業務，最初的商業模式核心是月租費，因此業務模型就主要考慮覆蓋率、信號強度指標，后續商業模式的核心主要根據通話時長套餐收費，因此業務模型主要考慮并發用戶數、接通率等指標。3G/4G時代有了數據業務，商業模式中增加了按照數據流量收費，因此數據業務模型主要考慮平均業務時長、平均連接次數等指標。但不論語音還是數據業務，都是資源受限的，即邊際成本有天花板。到了5G時代，商業模式向互聯網看齊，要向定制化、多量綱、提供服務型能力轉變，就需要結合虛擬化技術的深度，盡量在資源型業務的基礎上，疊加更多的服務型維度，讓邊際成本進一步降低。

（2）與業務相關的指標和參數很多，業務模型應該主要考慮商業模式下的必要指標。例如當只按照數據流量收費時，上下行速率指標就不是必要指標。而考慮按照高中低數據速率收費時，業務模型就要重點考慮上下行速率指標。

（3）如果對速率、時延等多量綱進行收費時，需要明確主要指標和次要指標。在特定空間，網絡資源和終端能力有限的情況下，上行速率、下行速率、用戶數、時延指標、移動速度等是互相制約的，如果以上行速率為主要指標，則下行速率、時延和并發用戶數等指標需要妥協。終端、基站、承載、MEC、核心網、云計算、應用軟件的端到端配置參數決定了一個基站所覆蓋范圍內可提供資源的限制性條件。

（4）需要區分限制型和增值型指標，一般限制型指標都是主要指標，來源于網絡的資源型能力，限制型指標限制了系統整體提供資源的上限，例如上下行速率、并發用戶數、時延、丟包率等。增值型指標一般與網絡的資源之間沒有顯性關系（邊際成本較低），更多體現的是定制化和增值服務差異，來源于網絡的服務型能力，例如邊緣速率、移動性、連接頻率、總用戶數、定位、分流等。

（5）需要區分業務體驗指標和網絡指標的差異。體驗指標一般是應用層指標，一般可由一組網絡指標反映，但很難直接從數值上對應。因為體驗指標一般需要從應用層監控和維護，體驗指標的改善往往需要應用軟件、網絡、終端硬件、流程、管理等多維協作，作為行業無線專網運營商往往很難獨立完成，因此不建議以體驗指標作為業務模型的指標。

根據以上原則給出的幾類電信業務模型庫參考示例見表2，主要針對的是無線接入和核心網的限制型和增值型指標。

更多針對與互聯網專線、MEC和公有云相關的指標以限制型和服務型做區分，可以與表2的指標一起構成端到端的業務模型，但由于這3類原有業務模型已較成熟可以繼續沿用（MEC除UPF外可看作邊緣的云），因此可以與表2形成疊加組合關系。其中MEC的南向出口帶寬指標可與上述典型業務庫的本地分流帶寬指標混用，MEC北向出口帶寬指標與本地互聯網專線帶寬一致。但一般公有云網絡出口帶寬不等于核心網出口帶寬，而是與互聯網專線帶寬一致。

表2 業務模型指標參考示例

4 面臨的挑戰

垂直行業對于利用 5G 技術實現轉型升級的需求愈發迫切，而不同行業的信息化特征差異明顯，行業間的業務場景信息化需求程度各不相同，5G 公共網絡無法很好地滿足行業內不同應用場景的差異化需求。客戶亟須可定制的5G專用網絡滿足安全隔離等級、低時延、云網融合等不同層面的行業數字化轉型所需信息基礎設施需求。5G專網技術能否切實助力企業創造價值將成為下一步發展的關鍵。當前5G行業無線專網的發展主要面臨以下挑戰。

（1）專網需求與公網差異大，需按第一性原理重新設計

專網業務模型以上行為主，且精確度要求高，而公網用戶以下行為主，包容性強。公網是先用后優化，專網需要精準優化后才能投入使用。專網項目小而散，多專業協作定制化要求高，而公網項目由多部門大規模水平分工，因此成熟且成功的大批量公網建設和采購模式，會拖拽專網創新所需的快速迭代速度。

（2）創新技術孵化缺少機制保障，對公網影響的風險造成保守障礙

5G專網與公網的關系和定位，是確定組織流程和考核推進的關鍵。5G專網的創新型產品本質使得應該以行業客戶為中心重組資源，提高快速響應能力和靈活性。當前公網以穩定為主的運營方式和組織流程，無法為 5G專網客戶做快速定制化。

（3）深度融合行業的能力不足，缺乏通信+行業融合型人才

經過了近兩年的5G技術試點，積極參與的行業企業對5G的認知已經到了5G能用的層面上，但從5G能用到5G好用的轉變是規模化的前提，也促使電信運營商推出5G專網，但是電信運營商既懂5G又懂行業，可支持跨界聯合研究的人才相對缺乏。

（4）頻譜政策風險

隨著各行業信息化水平的持續推進和加深，行業信息化壁壘逐漸降低，分工進入了進一步細化階段。特別是工業互聯網平臺的出現，推動大批行業信息化集成商進一步向行業信息化運營商升級，且由于公網虛擬運營商的發展困難，促使行業信息化的網聯技術路線優選獨立專網模式，海外部分國家已發放可在限定區域/局域場景中使用的行業頻譜，對電信運營商發展行業無線專網提出了挑戰。

5 結束語

電信運營商歸屬于服務業，服務行業的數字化轉型路線是大同小異的，都要從生產工具（即網絡設備）的虛擬化起步進而過渡到智能化。因此可虛擬化程度就決定了可提供數字化服務的豐富度、靈活性和創新性。網絡設備的虛擬化技術路線從 SDN/NFV起步，到現在的云化白盒化等仍然在逐步深入中。設備的虛擬化程度和服務的多量綱能力開放程度是互相促進而且互相影響的。目前看，電信運營商在加快設備虛擬化的同時更需要完善服務能力的多量綱變現機制和商業模式的構建。

5G行業無線專網市場相對5G公網市場是全新的市場，新的商業模式，新的用戶需求，同時也應盡快制訂新的技術體系和服務體系。可以以公網指標體系為基礎，構建典型業務模型庫，然后根據行業用戶需求調整，進而生成行業專網定制的差異化指標，并以此作為套餐資費和運維服務等級協議（service level agreement，SLA）的基礎。

在政策方面，建議鼓勵電信運營商及行業信息化集成商統籌考慮應用場景、服務對象、安全可控和運營成本等因素，充分發揮5G技術和產業優勢，優先使用公眾移動通信網絡承載專網業務應用，并與客戶單位聯合開展專網創新實踐，共同促進5G行業無線專網的業務發展。