5G行業專網設計與商業模式研究

張 涌，王茜碩，楊鴻賓（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

1 5G行業專網發展

1.1 5G專網是專網的新形態

5G 網絡是一種全新的網絡架構，它能提供10 倍于4G 的用戶體驗速率，其峰值速率高達20 Gbit/s，空口時延低至1 ms，具有99.999%的超高可靠性，可滿足100萬每平方千米的連接密度。5G標準對行業應用定義了mMTC 海量物聯和uRLLC 低時延高可靠等全新場景，推動5G 由移動互聯網時代邁向產業互聯網時代。由于傳統專網自身技術演進緩慢，建設和運營能力規模效益較差，5G 專網迎合行業客戶寬帶化、移動化、物聯化、多業務融合發展的需求，助力行業數字化轉型升級，5G行業專網是5G時代的重要產品。

5G 專網利用5G 組網、切片和MEC 邊緣計算等技術為客戶提供專屬覆蓋、網絡定制、數據隔離、質量保證的基礎連接網絡，實現大帶寬、低時延、安全可靠的數據傳輸，滿足客戶生產、辦公、管理等應用的通信服務需求。本文通過對5G 專網網絡技術研究，提出5G技術在行業應用典型組網方案，分析5G專網產品和商業模式，推動5G業務創新應用在行業的商業化應用。

1.2 行業需求驅動的專網建設

5G 時代行業客戶對網絡的覆蓋質量、時延、上行容量等有更高的要求，傳統專網在成本及靈活性等方面無法滿足需求，5G 專網可解決上述痛點，并為垂直行業深層次賦能，推動行業深層次數字化轉型。

5G 專網可滿足垂直行業對業務多樣化、數據安全化、運維自主化日益增長的需求，5G 專網的需求與垂直行業應用場景高度契合，運營商在基站站址、通信網絡等方面具有先天資源優勢，有能力參與并引領5G專網，進而激發出新的產業、新的業態和新的模式。以電力行業專網為例，無線專網建設要求發、輸、變、配、用各類設備及人員泛在接入、全程在線，全面感知電網信息和設備狀態，全面實現電網末端配用電設備的實時可靠控制，最終實現能源生產和消費的信息互通共享。

以電力場景為例，為滿足電力業務終端層萬物互聯的連接能力，打通輸電業務、變電業務、配電業務、用電業務、經營管理等業務場景，5G 電力創新應用重點在現有配電自動化、用電信息采集、分布式電源、電動汽車充電樁等各類業務基礎上，逐漸向差動保護、精準負荷控制、實物ID、移動巡檢、機器人巡檢、視頻監控、AR/VR 運維應用等新興業務延伸，結合5G 專網網絡技術和應用場景劃分，從網絡性能、業務接入和安全可靠性等維度，設定低時延高可靠、廣覆蓋大連接、大容量高帶寬的3類業務應用場景，以實現各類終端設備的泛在接入、智能化應用。

行業用戶的需求普遍呈現多樣化，需要針對不同的行業業務需求匹配合理的部署方案。其中，安全要求極高的場景對專頻專網有較高的依賴性，而一般場景使用公網專用部署方案可以達到較高性價比。2B的行業需求與這4個因素相關：網絡部署區域、安全要求、經濟承擔能力和業務屬性，其中部署范圍、安全保障是最重要的影響因素，占比達到70%。針對2B差異化的部署場景，考慮用戶安全需求、承擔能力及運營商把控能力，并結合無線側保障技術和核心網部署方案，本文總結出如圖1 所示的7 種不同的5G 行業部署方案來適配不同行業場景，在具體場景使用中可作參考。

圖1 5G行業專網部署方案

2 5G行業專網設計應用

2.1 行業專網關鍵技術

5G 專網利用運營商網絡頻譜資源及移動網絡運營優勢，針對工業制造、能源礦山、交通物流、港口碼頭、軍隊/監獄機構、城市安防、新媒體、醫療及大型企業等場景，為客戶打造“專建專維、專用專享”的專有網絡，提供以5G為核心技術的綜合型專網，融合切片、MEC、Wi-Fi6 等技術，為客戶提供定制化的QoS 保障和業務隔離的安全獨立網絡。

根據網絡定制化程度，5G 專網產品分為5G 獨立專網、5G 混合專網、5G 虛擬專網三種，為客戶提供特定區域覆蓋、數據可靠傳輸、業務安全隔離、設備可管可控的基礎連接網絡，滿足客戶在組織、指揮、管理、生產、調度等環節的通信服務需求。

行業專網由核心網、基站、回傳網、終端、網管系統等構成，網絡結構如圖2所示，行業專網建設考慮定制化的行業業務需求，驗證業務場景下5G 網絡帶寬、時延、覆蓋范圍、容量等網絡性能指標。專網的應用設計中需要重點針對業務的網絡需求研究端到端網絡切片方案并驗證網絡隔離性和安全性，分析業務適配性和業務承載性能。

圖2 5G行業專網關鍵技術

2.2 無線和核心網絡規劃與流程

5G 無線專網應滿足業務發展需求，并與骨干通信網絡協調發展。無線專網規劃設計應結合行業生產、管理現狀及發展目標，以業務應用需求為導向，提出規劃設計思路、目標、原則和建設方案。在滿足業務生產安全性的前提下，結合終端分布密度、各類通信設備資產全壽命周期比選結果，建設無線專網，避免重復建設和重復投資。

專網規劃設計應包括業務需求分析、核心網規劃、基站規劃、回傳網投資分析。以電力無線專網為例，在專網的設計中采用先進成熟的無線通信技術，提供安全的數據傳輸通道，規劃建設應統籌考慮調度自動化、配電自動化、用電信息采集等業務以及無線終端、網管系統、網絡安全、機房和電源部分等軟硬件系統。以下是5G無線專網規劃設計的主要原則。

a）安全性原則。無線專網規劃設計應以保障業務安全穩定運行為核心，實現各類業務信息在無線專網中的安全可靠傳輸。

b）標準化原則。無線專網規劃設計應遵循統一的技術政策、技術路線、標準規范，對系統進行標準化設計。

c）差異化原則。無線專網規劃設計應實行差異化原則，充分考慮不同區域的發展水平、業務需求、系統規模差異，合理確定建設標準和規模。

d）經濟性原則。無線專網規劃設計應遵循經濟性原則，充分挖掘現有通信技術以使整體成本最優。

2.3 專網安全方案

5G 專網在應用中需要滿足通信設備的安全要求，確保網絡及業務的安全、完整、可用。因此需要專網提供終端、接入、傳輸、邊緣、核心、企業邊界等端到端的安全防護手段，通過系統化的安全防護管理機制實現對用戶、用戶組和角色的管理，分權分域等安全控制。圖3 是專網網絡安全架構。在5G 網絡中通過配置TAI 與專網切片的對應關系，可靈活限制終端可接入的特定位置，防止跨區冒用，避免終端設備被惡意帶走后相關的企業數據泄密的風險。5G 核心網策略可靈活控制終端對企業資源的訪問權限，同時在原有運營商認證基礎上，增強企業自主二次認證能力，防止非法接入。

圖3 端到端的5G行業專網安全方案

以某油田為例，5G 專網整體解決方案架構如圖4所示。

圖4 5G油田專網設計案例

a）無線覆蓋方案：項目初期，在采油廠保護區以北區域開通一處5G 基站，依據測試模型，基站可覆蓋半徑2 km以內的井場，單個基站覆蓋數量可達200個。根據油井位置分布，規劃了另外5 個站點進行信號覆蓋，基站建設完成后可基本滿足保護區以北油井的5G覆蓋。

b）終端接入方案：無線壓力、溫度以及角位移傳感器繼續采用現網Zigbee 通信方式，通過RTU 匯聚后轉換為TCP/IP協議與DTU互聯通信，攝像頭通過TCP/IP 協議直接連接DTU。DTU 裝載中國聯通5G 卡后接入5G網絡。

c）5G 切片方案：5G 空口基于5QI 進行業務優先級保障，5G 承載基于DSCP 業務優先級保障，5G 核心網對用戶進行QoS策略制定和管理。

該方案可與2C/2H 用戶共享5G 網絡資源，快速進行2B 業務發放。用戶保障基于QoS 方案，無需改造現網，可以同時實現用戶級和業務級體驗保障。無線載荷、壓力以及位移傳感器通過RTU 進行匯集，攝像機、DTU 以及電表等設備安裝在距離油井旁十余米的立桿上，RTU 及攝像機通過雙絞線連接DTU，視頻圖像和傳感器數據經過DTU 接入5G 網絡。該方案在5GC核心網上做用戶策略配置，油井數據由5G基站轉發至運營商機房的MEC上，與公網公眾數據隔離。

3 5G行業專網的商業模式

3.1 專網項目商業模式

運營商在5G專網業務拓展中應重視運營服務，提升產品豐富性和靈活性。5G 專網屬于典型的“集成+運營”類產品，集成服務包括無線網、傳輸網、核心網、自服務管理平臺以及勘查設計、集成安裝等服務。運營服務包括頻譜占用、定制開發及服務、運維服務、知識轉移與培訓、號卡服務等。5G 專網可根據客戶需求及專網類型，靈活組合集成及運營服務。

3.2 專網項目部署模式

以5G 智慧礦山部署獨立式MEC 為例，在實際部署中MEC 設備部署在礦山機房中，礦山專網流量進行本地卸載。企業注冊用戶可按企業定制需求訪問不同網絡，在兼顧企業專網和公網業務的同時，實現基于園區范圍的網絡隔離，保證了企業數據的安全性和隔離性。如圖5 所示，公網用戶訪問互聯網按照路由①執行，專網按照路由②執行。

圖5 5G礦山專網部署模式案例

該專網方案通過與公網核心網對接，滿足專網內用戶訪問公網的業務需求。同時在機房建設MEC 邊緣云，根據用戶業務流特征，將訪問本地網絡的業務流分流到本地業務服務器，實現業務流量的本地卸載，避免流量迂回，降低用戶訪問時延。

3.3 5G專網應用案例

3.3.1 5G智慧礦山

在礦山場景通過在地面部署本地核心網、MEC 設備，在井下建設IPRAN 環網、多模5G 基站為煤礦打造井下“一張網”的高質量網絡環境，提供高速、低時延的數據傳輸能力，實現智能礦山的全面感知、實時互聯、協同控制功能。

如圖6 所示，智慧礦山通信網采用混合5G 專網方案承載生產類業務，在礦區部署獨享基站+UPF，并部署MEC 設備實現本地分流，具體建設內容如表1 所示。

表1 某礦山5G專網建設內容

圖6 某礦山塔5G專網示意圖

3.3.2 5G智慧鋼廠

5G 工業專網建成后，平均網絡時延將低于15 ms，數據傳輸速率將提升百倍，相當于在工業園區搭建了一條“無線信息高速公路”，實現實時設備狀態監測、安全監控等應用。5G 智慧鋼廠的方案中結合5G 網絡、物聯網等新技術，著力解決鋼鐵冶煉生產中的信息化應用等方面的問題。根據客戶需求，生產作業場景采用獨立5G 專網方案，辦公生活場景采用混合5G專網方案。如圖7所示，室外部署宏站設備，與中國聯通大網共享使用；室內部署室分設備，客戶獨享。客戶側部署一體化獨立核心網網元，通過MEC 設備實現業務數據本地分流。方案建設內容如表2所示。

表2 5G工業專網建設內容

圖7 5G工業專網示意圖

3.3.3 5G智慧港口

5G 網絡為港口高清視頻回傳提供了大帶寬保障，為設備遠程控制提供了低時延保障，在滿足港口通信業務的同時，可以有效解決港口布線復雜、成本高的問題。如圖8 所示通過在港口部署MEC 邊緣云實現視頻流、控制指令等業務流本地卸載，既保證了港口運營數據安全性，更進一步降低了業務傳輸時延。

圖8 中國聯通智慧港口示意圖

根據客戶需求，中國聯通為其量身定做5G 專網+MEC+CPE 解決方案，實現應用本地化、內容區域化和計算邊緣化。此方案實現了港口設備全連接、遠程控制、精準控制，大幅提高了港口設備的操作靈活性和工作效率，提升了港口作業自動化程度，減少了港口作業人員數量，降低了港口的勞動成本和作業安全隱患。

4 結束語

數字化轉型驅動著運營商提供差異化、定制化、融合管理的網絡服務，以此確保行業關鍵業務高效率并行、業務數據安全以及網絡管理的自主便捷。5G專網的網絡定制、業務隔離、客戶自服務等新能力滿足垂直行業高度個性化、碎片化的需求，推動行業深層次變革。總的來看，行業的智能化升級對于5G網絡的需求是非常明確的，包含了多業務承載、低時延控制、安全保障等特征。不同的應用場景具有不同的網絡要求，這與行業的特征有關，也與客戶定制化相關。對于5G 網絡建設和商業模式的彈性化提出了更高的要求。現階段，礦山、制造等重要行業場景具備了商用的條件，在應用落地中證明了5G專網是最佳的解決方案。