垂直行業企業5G專網的研究

陳澤宇，靳 永，張 丹（通信作者）

（南京理工大學紫金學院 江蘇 南京 210023）

0 引言

我國在新一輪的技術革命與行業改革背景下，移動5G通過機械、物料、信息系統與人的架構鏈接，使得大數據的全面感知、動態傳遞、信息分析，形成科學決策與智慧管理，在一定程度上提升企業資源配備效能，這種5G+垂直產業的發展模式是幫助企業實現產業突圍的有力抓手。但是由于碎片化市場和差異化需求無法通過統籌標準得以實現，因此必須建設符合產業共性要求的新型網絡結構，對各企業指導定制化的解決方案，才能從根本上建立起垂直行業企業5G 專網。

1 相關概念概述

1.1 5G 專網

Private5G 也被稱為5G 專網，即指通過3GPP 5G 標準建設的企業及行業無線專網。3GPP 標準定義了兩個5G專網部署模型：SNPN（獨立的非公共網絡）和PNI-NPN（公共網絡集成NPN）。其中SNPN 也是我們常說的“自主建設模型”，即指公司可以自主建設由基地臺到中心網和云服務層的完整5G 網絡系統，并且可以完全和運營商的5G 公網隔離。而PNI-NPN 也被稱為“公共網絡集成NPN”，通俗來說就是公司可采用與運營商5G 公網共用RAN 或是共用RAN 和中心網管理面，或是終端共用5G 公網（端到端網絡切片）的方法來建設5G 專網；一方面，相比較于公網，5G 專網可以在一定的范圍內實現全信號覆蓋，應用場合更明確，覆蓋面更精準，針對性、專用性也更強。

另一方面，出于較高的安全性要求，5G 專網的穩定性、抗干擾能力也高于公網。現如今5G 專網廣泛適用于某些大型企業或公司，具備高寬帶、強接入、小時延、穩定性高等優點，5G 專網和公網結合將給公司建設上網提供很大的方便，極大地節約公司網站建設的時間與成本。同時建設5G 專網這也是企業星級上云內容中的一部分，加快數字化、智能化，迎來新一輪企業改革的大潮流[1]。

1.2 垂直行業

垂直行業這個概念其實源于—項綜合的IT 技術的CRM系統。CRM 是customer relationship management 的縮寫，也就是客戶關系管理的意思。假如A 公司專注于某一個行業，其服務的行業a 形成了一個平面，而B 公司是A 公司的客戶，并且其從事的行業與A 行業一個交叉點時，即稱為行業a 的垂直行業。

對于通信行業來說，設備商、運營商以及各種工程，網絡規劃或者優化服務的企業等都是屬于這一行業內的。而對于交通、能源、娛樂、工業、智慧城市、醫療、農業、金融、教育等行業，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，因此和通信行業存在特定的交叉點，所以便可稱作垂直行業。對于這些垂直行業面向移動通信運營商通用的解決方案不適用，需要進行深度的定制化。因此垂直的另一層意思也就是細分市場，需要進行深度的產品和方案定制化。

移動通信發展到5G，已經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，同時也需要高可靠性、低時延的通訊。這些要求都是從不同的產業中衍生出來，所以被稱為垂直產業。

2 5G專網對于垂直行業企業的技術優勢

5G 技術具有上行大帶寬、極低端到端時延、超高可靠度的特性。5G 采用的是大容量多入多出Massive-MIMO 技術，該技術作為5G 的核心技術之一，通過提高MIMO 系統振子數來實現增加天線的接收發送通道，從而增加天線接收發送能力，真正做到了多路信號同步傳送。

采用大帶寬的表面質量測試業務，單路4 K 圖像的數據流上行最大帶寬為50 Mbps，但是LTE 的上行鏈路最高傳輸速率卻為50 Mbps，在高速業務并發的情形下，LTE 所提供的最高傳輸速率已經根本無法滿足其大帶寬要求；而采用極低端到端時延技術的智能AGV 的調度管理、智能故障及應急管理等服務要求，將端到端的數據傳輸時延限制在微秒量級，而LTE 的端到端數據傳輸時延為100 ms，再乘以數據傳輸網絡的終端到端時延，已根本無法滿足AGV 調節、遠程管理等服務普遍使用；采用高可靠性設計的垂直業務關鍵設備連接不中斷服務，要求的安全性超過99.999%，不過依然面臨著安全性不高、覆蓋受限、信號根本無法透過鋼結構障礙物傳播等缺點，無法保證其可靠性。

部分產品采用有線互聯網或Wi-Fi 網絡架設于企業廠房內部和機臺外部，但因為公司的廠房建筑面積很大，構造繁雜、設施散亂、連線麻煩多、成本高、費時長，企業迫切需要更安全便捷的通信工具和設備聯機問題。由于Wi-Fi 受機器磁場影響出現丟包和數據傳輸不穩定的現象，這一問題還有待改進。所以，通過5G 網絡的應用可以得到實時性更高、更安全、更快捷、可維護性更佳、投入更少的工廠網建設方法[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，AKA 雙向認證安全性高；5G R16 標準化防DDoS 攻擊；5G 的個人標識是從UE 到網絡端到端加密。5G 通過使用運營商自有頻段，在帶寬、時延、安全性、穩定性、系統可靠性、可實現數據流不出園等方面的特性更加適合企業智慧工程應用場景，實現各類移動終端的全量連接，切實解決廠區自動化設備運行連接管理存在的問題。

5G 使用licensed 頻譜，系統抗干擾能力強，能提供工業應用場景所需的穩定低時延、低抖動；通過終端雙發選取、設備主備等系統級設計，能夠實現99.999%可靠性。5G 能夠進行快速轉換確保數據的安全傳送，而針對高速移動場景，在Wi-Fi 連接下無法實現轉換，但5G 網絡卻能夠進行數據轉移，因此5G 更可靠[4-6]。

2.2 覆蓋能力

Wi-Fi 基帶和射頻合一，不支持聯合接收；Wi-Fi 概率性測量，測量結果不準確，切換時會idle 態，類似于小區重選或重定向，非嚴格意義切換，欠缺無損切換能力。對于工廠等場景，5G 可以通過多TRP 分布式處理提升整網速率；5G 定義完整的切換和測量，對測量的事件、頻點、周期、上報門限等均有完善定義，實現基站控制下的切片，支持數據前轉。5G 技術可以提供超低端的端時延和更廣覆蓋，Wi-Fi 時延一般不增加，隨著用戶的增加端到端時延增加；5G 網絡技術還可以根據行業定制化減少時延，從而提高覆蓋功能[7]。

2.3 大帶寬特性

5G 可以支撐高速并發大信息量服務，但由于Wi-Fi 信道范圍較小，資源相對有限。5G 實現了OFDM 化的波形和多址接入技術，OFDM 技術已經在如今的4G LTE 和Wi-Fi網絡中普遍應用，增加了帶寬應用，提高了最大帶寬功能。大帶寬服務器，最重要的作用就是讓兩路數據同步，讓數據的傳輸速度更快、更穩定。同時，服務器的安全性也非常高。這種服務器能夠適應各種企業的需求，而且應用的范圍也更加廣。

3 5G專網的網絡技術方案

5G 專網的規格在實際上是遠低于5G 公網的，和5G 公網同樣也是由5GCCP、UDM、MEC、UPF 和gNB 組成，正所謂是麻雀雖小，五臟俱全。專網顧名思義，當然就是采用了專門的頻段，并自建了涵蓋5GCCP、UDM、MEC、UPF 和gNB 的5G 移動專網。甚至為了垂直行業，多個國家分配了5G 本地頻段。所謂的5G 專網頻率資源，也就是政府決策者為垂直行業專門分配的5G 頻率資源。有了5G 專網頻率資源，意味著垂直產業在頻率資源上不再受制于政府運營商，而是能夠自設專網[8]。

現如今，全世界已經有許多國家為垂直行業分配了5G的專用頻率，或者稱之為5G 本地服務頻率。例如，意大利分配了3.7～3.8 GHz、英國分配了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數據的絕對安全性，因為全部與公網分離。而且互聯網端到端時延較小，從中心網到無線接入網都布置在了本地。而數據來回傳遞的距離也只有數千米，當然端到端傳輸時延也從而變小。

早在2020年7月，中國移動按照靈活組網、按市場需求規劃的原則，新提出的5G 專網可包括優享5G 專網、專享5G 專網、尊享5G 專網等三個基本產品，為客戶提供特定地域內覆蓋范圍、數據安全傳送、業務安全隔離、設備可管控制的基礎連接網絡，以解決客戶在組織、指揮管理、生產、調度等各環節的通信業務需要，幫助垂直行業企業智能化升級，同時也進一步加強運營商與企業的合作[9-10]。

優享模式下設有流量加速和服務隔離兩種網絡服務方式，以滿足客戶對上網速度、時延和安全性的要求。服務加速通過提高網絡系統的水平，完成了擁塞預調度，可以給用戶提供速度更快的沖浪服務，可以應用于電視直播、AR/VR、云游戲等對時延、速度需求比較大的領域；服務隔離，采用切片的方式為用戶設定專屬鏈路，保證了用戶使用的安全性，可以適用于銀行、電網等對安全性要求較高的行業環境中。

專享方式采用強化覆蓋和邊緣計算的能力，即可進行本地流量卸載、邊界處理，以解決用戶對信息不出場、超低時間延遲等服務要求。公網專業，能夠為用戶帶來強化包裹服務能力，同時具備超強并發連接力量的服務特點，能夠應用在醫院、園區等特殊場合；本地服務保障方面，采用邊界計算、UPF 下沉，以解決企業用戶對互聯網時延的高需求，能夠減少時間延至20 ms 以內。為了保證安全性，邊緣結點也能夠承載業務平臺和應用側的一些個性化應用，透過直接和生產系統互動，完成對邊界信息的超強管理和運算。

尊享模式通常是對基站、頻段的專建專用，能夠協助企業構建專門的無線網絡，因此也迎合企業對高穩定性、高距離感需要、高度定制化的建網需要的要求。而專網專用，則通常是針對基站、頻段等特別專業、更適合用在無開采、不有序施工的封閉項目；超級上行，采用相應的技術手段，可以提升企業接口的上行速效率，從而真正地實現智能生產、智慧礦山以及一些對上有特殊要求的情景；企業專屬接口，則采用專門的準入機制實現，相當于為企業建立一個專屬的接口白名單。

4 5G專網工業互聯網應用案例

2021年4月30日，中國工信部印發《5G 應用“揚帆”活動規劃（2021-2023年）》（征求意見稿）表示，“到2023年，建設突破3000 個5G 產業虛擬專網”。他還進一步指出：“支持各地政府根據區域需要，建立移動5G 領域虛擬專網，并創新建網的方法，以建立區域先導效應”。

傳統專網供應商將依托于前期深耕產業專網的成功經驗，聯合為顧客提出綜合應用數字化方案和咨詢服務，以促進技術標準、實踐驗證與產業方案“技術三角”的高效連接，形成共生共享產業合作創新生態。

中國電信5G 云網、XR 數字經濟孿生、大數據分析、人工智能等新科技，使線下商業空間實現了3D 的高精度空間信息再現，形成了線上線下深度結合的空中數字經濟“元宇宙”，提供“AR 導航尋車、AR 景觀游戲、AR 寶箱集卡、AR 試妝試戴、XR 娛樂空間、VR 數字云MALL”等一系列5G 新型消費應用。在商場任意位置通過AR 導航服務可實現實時定位、路徑規劃及全程實景AR 導航，并可隨機領取AR 寶箱優惠。通過AR 成像技術讓消費者置身在炫酷多彩的AR 景觀里，感受虛擬與現實的完美融合。

相比較而言，中國聯通通過在云南大理蒼山國家級自然保護區投入多臺5G 網聯無人機，對防火關鍵地段實現全方位火情監測。實現24 小時全天候作業待命。人員無須到現場，在指揮中心即可通過5G 網聯無人機綜合應用管理平臺和5G 網絡同時指令多臺無人機在指定時間，飛往指定地點進行巡檢。一旦發現火情，指揮部可以調派大載重滅火無人機第一時間前往投彈滅火作業，或為消防人員運輸撲火工具、食物等物資，大幅提高作業效率。

再比如中國移動云平臺打造智慧海洋底座。福建移動聯合華為等合作伙伴，在寧德成功落地全國首個5G 智慧海洋精品網絡樣板點，實現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、捕魚養殖作業、漁民村民數字化生活提供有力網絡保障，也打造了全省首個5G 海洋執法示范項目等應用，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5G 網絡龐大的建設與運營成本，中國電信、移動、聯通三大運營商從企業實際情況與所處環境考慮，都在積極嘗試通過各領域的合作共享，降本增效。

5 結語

綜上所述，網絡的飛速發展，大幅度推動了通信技術的研究，現如今不光中國，包括別國也在積極地參與建設5G 專網，使其應用更完善。部署的5G 專網，更是在垂直領域推進5G 的創新發展應用、加速向數字化產業轉變、實現降本增效不可或缺的手段。經營者們要緊緊抓住專網的發展窗口，發揮網絡與5G 專網整合信息作用，不斷創新合作方式，同時也需要政府、企業一起推動專網建設，促進整個行業的智能化升級，讓企業實現更好的轉型和發展，從而帶動社會整體經濟的發展。