5G專網技術應用與方案設計

齊佩鈞

（中國聯合網絡通信有限公司太原市分公司 山西省太原市 030000）

1 概述

專網，是指在特定區域為特定行業或企業用戶提供的專用通信網絡。相較于公網，專網性能更強、可靠性更高，安全性更好，且可隨需求進行定制，在軍用、公安、鐵路、港口、能源、制造等場景都有應用。而5G 專網是服務特定用戶的專用5G 網絡,是覆蓋在指定區域、提供數據不出場、性能確定等特點的規模化網絡。

在國家政策的指導下，我國5G 發展迅速，5G 產業鏈上下游技術服務商、設備供應商、運營商、行業客戶等多方積極協同，以技術和需求雙向驅動，有效加快了5G 的發展步伐。5G 網絡主要面向物聯網和工業互聯網，賦能千行百業。預計到2023年，5G 主要應用的價值空間將超萬億，到2026年，5G 60%的新增市場機會將來自于2B 行業應用。

在使用5G 頻段方面，德國、法國、日本等國家為垂直行業分配了專用的5G 專網頻段并且允許企業自建5G 專用網絡。在我國，部分省份提出5G 專用頻段申請，擬在政務、公安、應急管理、電網等重點行業建設5G 專網。

在組網方式上，5G 有獨立組網、混合組網和虛擬組網三種專網組網模式。從目前實踐成果來看，除特殊行業和山區、井下礦區等采用獨立專網以外，其他行業還是以混合專網、虛擬專網為主要5G 專網形式。相對于獨立專網，混合專網和虛擬專網在建設成本、部署周期、調測難度和運維成本等方面都有較大的優勢，同時，這兩種組網方式在不同程度上達到網絡“共享”，不需要單獨分配頻譜資源，能夠有效提升頻譜利用率。

2 5G專網技術

2.1 5G獨立專網

如圖1所示，5G 獨立專網是指在一定地域或一定行業范圍內，通過專用基站、專用核心網等獨享專用設備，采用專用頻段完成網絡建設，實現數據通信。這種網絡部署方式與公眾5G網絡物理隔離，能夠達到數據信息高度保密、網絡特性高度定制的效果。

圖1：5G 獨立專網

2.2 5G混合專網

如圖2所示，5G 混合專網是通過5G 數據分流技術，將核心網部分功能從運營商核心網下沉至行業客戶專網側。無線側可根據需求，利用公網實現或在特定區域加裝無線基站設備。這種網絡部署方式是部分獨享、部分與公眾網絡共享的模式，能夠實現數據本地處理、網絡功能定制，同時也可避免公眾網絡故障時對生產、辦公的影響。

圖2：5G 混合專網

2.3 5G虛擬專網

5G 虛擬專網是完全基于5G 公眾網絡資源，采用QoS（服務質量）或切片技術，實現從無線基站到核心網整體網絡完全共享的邏輯專網，同時可提供具有特定SLA（服務水平協議）保障。

3 5G專網應用方案設計

在工業場景中，根據不同需求設計了以下幾種應用網絡架構，涉及三種組網方式，且均已完成實地測試或已成功應用。

3.1 礦用井下5G獨立專網

如圖3所示，項目在鐵礦井下進行5G 專網建設，該礦區在進行5G 智能礦山建設，無人駕駛電機車項目的實施需要最先進的5G通信技術提供無線網絡支撐。5G 網絡低延時、大帶寬、廣連接的特性，能為無人駕駛電機車提供穩定可靠的網絡環境。

圖3：礦用井下5G 獨立專網組網

礦用井下5G 無線通信網絡架構與常用地面5G 網絡架構相同，但網絡部署位置可分為地面部分和井下部分。地面網絡部分主要部署核心網設備（企業級輕量化5G 核心網），其余的控制單元、數據匯聚單、微型射頻拉遠單元等網絡設備部署在礦井，構成井下網絡部分。

企業級輕量化5G 核心網是構建園區自主可控的專有網絡，提供更加貼近行業應用的定制服務；提供井下無線網絡的注冊和控制、業務的鑒權、語音和數據的交換；礦方可自主管控自己的用戶；礦方數據不出園區，保證所有數據信息的安全可靠。通過在礦區部署企業級核心網設備，實現煤礦5G 無線通信系統獨立組網、獨立運行，在礦區與運營商傳輸鏈路發生故障或者外部網絡故障時，能夠實現5G 無線通信系統安全、獨立、穩定運行，保證無線通信及數據傳輸的可靠性、穩定性，在有效范圍內可以支持正常的語音、數據、視頻通信傳輸。

基帶控制單元（BBU）和遠端數據匯聚單元（RHUB）的完成基帶信號的處理，提供線資源管理、傳輸管理和接口。

由微型射頻拉遠單元（pRRU）和無源雙極化定向天線組成基站，實現井下5G 無線信號的覆蓋，配套的天線具備增益功能，增益后的發射閾功率滿足防爆安全要求。

本方案中5G 無線通信網絡采用NR TDD（Time Division Duplexing，時分雙工）制式，頻段為3500-3600MHz，組網方式為SA（Standalone，獨立組網）架構，通信類別及制式均為經營許可范圍，符合國家現行規定。

3.2 高新制造業高可靠雙鏈路獨立專網

項目在6C 產業工廠車間進行實際部署測試，該工廠為精密專業從事電腦、通訊、消費電子、數位內容、汽車零組件、通路等的生產制造，嚴格要求技術和生產數據不出園區、保證數據安全，在數據傳輸、設備控制方面對低延時要求極高，同時，工業生產要求穩定網絡，網絡故障直接導致停產，影響企業效益和運營。

原有CNC 數控機床的車間設備數據回傳是通過有線回傳，由于廠房環境相對有限，布線比較繁瑣，油污染也比較嚴重，維護起來也不方便。數據回傳還是通過運營商的網絡，數據安全也相對有限。采用5G 專網的方式可實現園區的5G 無線覆蓋，為AGV 小車、機械手和機床等設備的遠程控制與數據傳輸提供無線傳輸環境。5G傳輸的設備專網數據通過5G 核心網傳送到工業管控調度平臺，以5G 專網為基礎來打造5G 無線智慧工廠。

在這種應用場景需求上，我們采用獨立組網的方案。

5G 網絡架構通過鏈路實時備份的方式，可具備整條鏈路的抗災能力，從上到下配備兩套核心網，分別連接至兩臺5GIPRAN 交換機，交換機下分兩條鏈路（一主一備），平分100Mhz 頻譜帶寬，每條鏈路配備一臺BBU，一臺HUB，三臺pRRU（劃分兩個小區）。所有設備同時運行，主備鏈路均提供5G 信號雙頻點覆蓋相同區域，無線端設置優先連接主鏈路5G 信號，當主鏈路信號任何一點出現故障造成信號丟失時，自動切換至備用鏈路5G 信號。

3.3 食品制造業園區5G混合專網

本項目是在某釀造企業園區里建設5G 專網，支撐園區安防監控、視覺AI 檢測、消防、智能灌裝生產線等5G 應用。園區已覆蓋5G 公網，采用混合組網的方式快速實現5G 專網的部署。

公網5G 基站雙聯5G 核心網的混合組網模式下，企業5G 專網與5G 公網共享基站，5G 專網具備和5G 獨立專網同等的高帶寬、低時延等性能，部署成本相對較低；采用5G 端計算網關產品，具備計算能力、AI 能力，可提供靈活的管理和控制權限；5G 輕量化核心網產品在生產安全方面實現了“人物隔離，人走公網，物走專網”、“數據不出園區”，提升企業數據安全性；混合組網模式也為行業客戶打造“逃生模式”，即在5G 公網傳輸中斷時，5G 專網可正常運行，從而保障企業5G 業務連續性。

3.4 建筑材料制造及施工現場5G虛擬專網

如圖4所示，該項目施工廠區已實現5G 公網的全覆蓋，在施工完成后5G 應用地點發生改變，在這種情況下提出5G 虛擬專網的解決方案，以最低成本實現網絡的靈活部署。

圖4：建筑材料制造施工現場5G 虛擬專網

虛擬專網采用基于QoS 的用戶保障方案，與2C/2H 用戶完全共享5G 網絡資源，快速進行2B 業務發放，無單獨進行網絡規劃，可以實現用戶級和業務級體驗保障。具體的，在5G RAN 上，采用基于5QI 進行業務優先級保障和PMBR/GBR 特性保障；在5G承載網，采用基于DSCP 業務優先級保障；在5G 核心網側，進行QoS 策略制定。

4 結論

5G 專網的設計方案依據三種基本組網方式，結合應用場景對時延、數據安全、生產控制以及公網覆蓋情況、建設費用等多方面因素考慮。

在礦區井下建設5G 專網，由于礦區大都遠離市區，地勢復雜，5G 公網基礎建設薄弱，方案多采用獨立專網的方式實現礦山的無線覆蓋；在高新技術產業，生產控制對延時要求和網絡穩定性要求高，需要在網絡設計時雙路設計來保障網絡不中斷、業務不受影響；在一些生產園區里，通過混合組網的方式可低成本、快速實現專網的建設，服務于園區AI 質檢等智能化應用；對于建筑材料制造、施工現場等場景，5G 專網的需求根據項目地點的變化而變化，呈現非固定性，可依據公網建設的基礎通過虛擬專網的方式搭建5G專網，避免資源的重復投入。

未來5G 專網的應用方案設計仍然會以三種基本組網方式為基礎，但會更加緊密的結合行業特點和工業場景，更充分的發揮出5G 在每個特定工業場景的作用，呈現出更加豐富多樣的可落地方案，加快工業互聯網的發展，促進工業轉型升級。