5G專網場景需求與關鍵技術分析

1 引言

5G專網，稱為local 5G network，或者private 5G network，指專用于特定行業或企業的移動通信網絡。5G主要面向政企市場，行業需求催生行業專網市場需求不斷攀升，政企行業專網成為大勢所趨。

據統計，全球私有專網（LTE/5G）市場規模在2018年超過20億美元，預計在2019年至2026年之間的復合年增長率將超過30%。2020年全球5G專網市場規模估計達到9.197億美元，據預測，2025年行業專網支出將5G公網規模的18%，2036年全球5G專網支出將首次超過5G公網。[1]

目前全球5G頻率規劃和許可工作進展迅速，德國、英國、日本等國家規劃了區域5G頻率，多家企業、設備制造商以及系統集成商積極申請頻率建設區域5G專用網絡。5G專網市場已經啟動，運營商、通信設備制造商、云服務提供商、軟件提供商紛紛結合自身優勢開始布局這一領域。[2]

2 行業專網發展歷程

5G專網本質上是行業專網技術的更新升級，行業專網是指在一些行業、部門或單位內部，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專用通信網絡，主要包括政務、公安、交通、電力、石化、鋼鐵、港口、森林、政務、金融等行業專網，以及應急專網等。

專網通信技術從窄帶模擬集群通信、窄帶數字通信，逐漸向寬帶數字集群通信發展，能夠支持語音集群、視頻調度、移動圖像等業務。由于行業特點鮮明，規模較小、投資分散，專用設備及終端價格高，因此進入壁壘較高。傳統專網技術、業務、產品迭代速度較慢，整體處于2G水平；部分行業，如政務、公安、電力、石化、鐵路等已應用4G LTE專網。隨著大數據、物聯網等技術和工業互聯網、車聯網發展，LTE及Wi-Fi無法滿足對安全性、可靠性、可控性、低時延、抖動、連接密度、速率和定位精度等性能要求更高的專網場景。[3]

從政策環境來看，國家大力支持5G專網發展。2019年2月工信部發布《全國無線電管理工作要點》，要求提高頻率使用效率，開展部分頻段專網頻率使用規劃調整或許可，保障重點行業頻率需求；2020年3月發布《關于推動5G加快發展的通知》，組織開展5G行業虛擬專網研究和試點，打通標準、技術、應用、部署等關鍵環節；提出“內網建設改造覆蓋10個重點行業”、“打造一批5G+工業互聯網內網建設改造標桿網絡、樣板工程；開展5G行業（含工業互聯網）專用頻率規劃研究，適時實施技術試驗頻率許可。2020年7月發布《工業互聯網專項工作組2020年工作計劃》，依申請協調批復5G工業互聯網專網頻率試驗使用許可，適時出臺物聯網、工業互聯網頻率使用指南。

運營商積極探索5G專網在垂直行業的應用，初步形成了較為完整的產品體系。中國電信于2019年開通5G云專線業務，發布六大5G行業云網方案；2020年11月發布“網定制、邊智能、云協同、應用隨選”的5G定制網解決方案，面向廣域優先型、時延敏感型及安全敏感型政企客戶分別提供“致遠”“比鄰”“如翼”三類定制專網服務模式。中國移動于2019年發布《5G專網研究報告》，2020年6月發布《中國移動5G行業專網技術白皮書》，7月發布5G專網產品、技術、運營三大體系與運營平臺。聯通在2020年8月發布《5G專網白皮書》。據統計，當前三大運營商在垂直行業已實施的5G專網重點項目以制造業、電力、港口等行業客戶為主。

3 5G專網主要場景及客戶需求

5G專網需求主要來自于由物聯網傳感器和大數據分析驅動的工業自動化，重點行業包括制造業、能源與公用事業、運輸及物流、航空航天和國防、政府和公共安全、礦業、醫療、石油和天然氣等，如圖1所示。

圖1 全球垂直行業5G專網市場份額（2020）

5G專網的主要應用場景包括以下幾類。

（1）視頻監控類、現場作業類業務：用于園區/廠區內安防監控、移動巡檢、業務檢測等領域；

（2）采集類業務（工業數據、傳感數據采集）：聯網終端多，用于環境檢測、業務數據采集，通過后臺對環境、業務運行狀態分析，實現管理及運營智能化。

（3）遠程控制類業務：用于支撐企業核心的生產運營，包括生產設備、維修機器人、AGV等遠程控制，涉及業務操作的安全可靠與高效運營。

5G網絡具備高帶寬、低延遲、多接入的特點，但通常企業并不是同時需要這些業務特性。此外，部分企業希望可以獲得對5G網絡的所有控制權，以及高度的可靠性、安全性、隱私性等，公網無法完全滿足這些特定需求。從行業用戶角度來看，他們在發展行業應用過程中對專網提出如下需求。

（1）高安全：提供差異化的安全隔離能力，數據不出網、控制信息不出網。

（2）高性能：主要包括3項特性指標：大帶寬：200 M以上帶寬承載能力；低時延：20 ms以下的時延能力；大連接：百萬～千萬級的連接能力。

（3）輕量化：提供極簡的配置模式，支持一鍵式安裝模式。

（4）低成本：低成本的終端模組、低成本的網絡設備、低成本的運維服務。

（5）網絡協同：跨園區協同，不同園區之間可以互通；和大網協同，終端運行到專網覆蓋范圍外可以數據上網。

（6）定制化：包括網絡能力可定制：可以依據具體需求定制網絡功能，提供可靈活裁剪的網絡能力；網絡策略可定制：可以提供靈活的路由策略、QoS策略，便于企業進行業務網絡保障；部署策略可定制：可以支持多類型的部署方式。

（7）自運營：包括網絡管理：監測網絡運行狀態，動態調整網絡資源；卡管理：在線開卡、遠程寫號、計費等；終端管理：能夠監控終端狀態，管理終端。

4 5G專網部署模式及關鍵技術

4.1 5G專網部署模式比較

目前業界基本上將5G專網部署模式分為獨立專網、混合專網和虛擬專網三大類，不同模型的主要差異如表1所示。[4]

4.2 5G專網關鍵技術

5G專網，融合云原生輕量級5GC、定制基站、定制UPF、邊緣計算、網絡切片等核心技術，支撐5G專網研發，如圖2所示。

圖2 5G專網關鍵技術

（1）網絡切片

網絡切片是運營商為垂直行業提供5G行業虛擬專網的重要手段。根據網絡現有能力，在不同切片等級內組合無線、傳輸、核心網和安全及運營等能力，匹配網絡最有可能的部署策略。[5]

不同的垂直行業還會有各自的定制化需求，需要網絡切片提供定制化能力，如支持Non-IP傳輸、支持時鐘同步、支持設備高處理速度等，都可以在上述每種能力等級基礎上額外疊加。

（2）定制UPF

UPF已逐漸從運營商的核心層走向行業客戶的接入層。面向行業應用場景，需要輕量化、低成本、靈活部署的UPF。

聚焦行業應用（To B）場景，以“全集”UPF為基礎，定義簡單高效的“最簡”UPF。通過最簡UPF的功能滿足高效靈活的部署，降低5G進入千行百業的門檻。滿足行業差異化需求、探索功能定制的“增量”UPF。通過增量提升產業價值，同時避免碎片化的定制需求帶來研發和維護成本的上升。可根據行業客戶的需求按需支持以太網數據傳輸、頭增強、白名單、重定向、Framed Routing、GRE/L2TP/IPSec隧道等功能。

表1 5G專網部署模式主要分類及差異比較

（3）云原生

云原生技術有利于各組織在公有云、私有云和混合云等新型動態環境中，構建和運行可彈性擴展的應用，其代表技術包括容器、容器編排，微服務、智能運維、DevOps，這些技術的應用能夠為行業專網提供快速部署的輕量級資源能力、基于服務的開發能力、資源管理編排能力、豐富的運維能力和快速迭代的定制化開發能力。

（4）輕量級5GC

輕量級5GC是指在標準規范基礎上，對5GC功能進行充分解耦后，按照客戶需求可進行定制化開發和靈活編排部署的5GC系統。輕量級5GC具備如下特點。

① 網元靈活裁剪：在基礎5GC網元（UDM、AMF、SMF），可按需部署其他網元，滿足多場景部署的多樣化需求。

② 網元功能裁剪：在各網元基本功能基礎上，可以按需定制化開發靈活提供其他功能。

③ 網元輕量級承載：采用云原生部署技術，基于輕量級虛擬化技術提供可快速部署的基礎資源環境。

④ 多網協同：支持云邊協同，云網融合，NB-IoT、4G、5G、衛星網等多網協同。

（5）定制化基站

按需定制專用基站，實現CU/DU分類，具備個性化、高性能、高安全、高隔離、資源獨享等特點，能夠滿足重要2B場景的覆蓋和容量需求。專用頻率和專用幀結構，滿足上行大帶寬需求（上行峰值速率超過700 Mbit/s或更高），對于室內或封閉場景，可實現高效的干擾規避。

（6）邊緣計算

邊緣計算是面向行業和企業數字化轉型的下一個超越連接的市場機會。運營商的邊緣云基礎設施需滿足行業需求，管理多云模式下的邊緣云。

業務場景通常涉及多種應用，要求網絡在邊緣位置提供超低時延和強大的處理、計算和存儲能力。數據無需回傳至網絡中心，而是在本地完成處理、存儲和下發。5G MEC技術還支持連接和計算集成，提高與最終用戶的交互效率。

邊緣計算最重要的移動網絡功能包括：下行吞吐率、確定性通信、時延敏感性、隔離級別等。

5 總結

5G專網能獨立實現企業所需的功能特性和服務定性指標，精準優化應用場景，更好支持生產及管理需求，安全性更高、企業對網絡的自主性更強。當前5G專網已具備企業市場需求及政策環境支持，發展潛力巨大。但在網絡部署、技術實現、運營運維以及行業融合等方面仍面臨巨大挑戰，包括如何綜合考慮行業要求、業務需求及地域分布等因素定義專網部署架構；如何基于關鍵技術快速構建輕量級、彈性靈活、低成本的5G專網解決方案；運營運維服務能力如何清晰定義界面，并面向企業下發自主運營開發和自主管理權限；與行業原有系統和網絡連接協議的自動轉化、無縫對接等問題。后續需要深入探索實踐，推進產品創新和價值創造，助力政企客戶數字化轉型。