一文读懂5G专网

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本文5G通信
 
5G专用网络(private 5G network)是一种局域网(LAN),它将使用5G技术创建具有统一连接性、优化服务和特定区域内安全通信方式的专用网络 。此前,机构曾预测2020年全球5G专网市场规模将达到9.197亿美元, 2020年至2027年间的复合年增长率将达到37.8%。而北美将以31.2%的份额在5G专网市场中占主导地位。
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专网
 
其实早在2/3/4G时代,专网的概念就有了,对我们来说并不陌生。所谓专网,就是指在特定区域实现网络信号覆盖,为特定用户提供通信服务的专业网络。
 
简而言之,专网就是为特定用户提供网络通信服务的专用网络,公网与专网的区别主要在于公网为社会大众服务,而专网为特定对象服务。
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为什么要建设5G专网?
 
5G网络有三大特点:高带宽、低延迟、多接入,但很多时候,企业并不是同时需要这些业务特性。另外,有的企业希望可以获得对5G网络的所有控制权、高度的可靠性、安全性、隐私性等,公网无法完全满足这些特定需求。
 
5G专网提供了企业定制化网络的自由度,可以根据使用场所、工作类型提供不同的配置,在隐私和安全方面都有明显的优势。
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5G专用网络要求
 
高可用性:意味着用户可以始终使用该网络服务,可以确保最大的可用性。
 
可靠性:是指在预定持续时间内高可靠地传输一定数量业务的能力,需要足够的网络覆盖范围和容量,以及强大的业务切换功能。
 
互通:与公网互通是一项重要功能,例如医疗救护车等关键服务从一个网络迁移到另一个网络(例如从专网到公网)时需要服务连续性,这就要求网络之间需要一定程度的集成。
 
服务:质量QoS包括吞吐量、延迟、抖动、丢包率等,在专用频谱上运行专用网络可以得到更好地控制。此外,可以针对专用网络部署中的特定需求量身定制不同服务的系统性能和资源使用。
 
安全性:专用网络有望提供全面的端到端安全性,以确保信息、基础架构和人员免受威胁。专用网络可以利用网络隔离、数据保护和设备/用户身份验证来保护关键资产,企业还可以控制保留数据主权,以确保敏感信息保留在本地。
 
WIFI 6、LTE专网和5G专网
 
与专用蜂窝网络相比,Wi-Fi的部署更加快速、简便且便宜,专用Wi-Fi网络在工厂中也已经开始使用,通常用于一些非关键应用。
 
在拥有完整的5G工业网络之前,一些企业可能会使用专用LTE网络作为过渡, LTE的覆盖范围和移动性比固定以太网或Wi-Fi大,通常是工业环境中实现连接的首选技术。
 
例如,全球最大自动化码头洋山港就是基于5.8GHz的LTE打造的工业无线网络,“区域内将不再有人,完全实现自动化,不仅岸桥不需要人驾驶,可以后台操作,连集卡也不再需要,直接由自动运行的AGV小车装载运输货物。”;英国Ocado也部署了一个专用LTE网络,以控制物流中心的1,000个快速移动的机器人在线处理订单;诺基亚利用专用LTE网络(4.9G)使基站工实现了厂自动化业务。
 
下图展示了WIFI 6、LTE专网以及5G在可靠性、场景、速度等方面的对比:
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5G专网七大部署方案
 
目前5G专网主要有以下七大部署方案:
 
1.企业自建5G专网(本地5G频段、完全私有、不共享)
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第一种部署方案就是企业基于专网频段,部署全套5G网络(gNB,UPF,5GC CP,UDM,MEC)。这里使用的频谱是私有5G频谱,而不是运营商的授权频谱。企业自建的5G专网隐私与安全性高、具有超低延迟、独立可控性。
 
但自建专网部署成本高,普通企业特别是小型企业无法承担购买和部署全套5G网络的费用,另外后期还需要一些专业的运维人员来维护网络。
 
2.运营商帮助企业构建5G专网(基于运营商的5G频段,完全私有,不共享)
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这种专用5G网络架构与第一种方案部署方式相似,唯一的区别是,使用的是运营商许可的5G频段来构建和运行5G专网。
 
3.公网和专网之间RAN共享
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专网和公网之间仅共享5G基站(gNB)(RAN共享),而UPF、5GC CP、UDM和MEC部署在企业中,并于公网在物理上隔离。
 
属于专网的数据流量被传送到企业中的专网UPF,属于公网的数据流量交付给运营商边缘云的UPF。换句话说,内部设备控制的专用网络流量仅保留在企业中,而像语音和Internet之类的公共网络服务流量则被传输到运营商的网络。
 
4.公网和专网之间RAN和控制平面共享
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专网和公网之间共享5G基站(gNB)和5GC CP、UDM(RAN和控制平面共享),专用的UPF、MEC内置于企业中,企业专网的gNB和UPF通过N2、N4接口连接到运营商的网络并由其管理。这种部署方案相较于前几种,企业专网的设备信息存储在运营商的服务器中,而不是企业内部,因此在私密性方面会稍弱。
 
5.公网和专网之间RAN和核心共享(端到端网络切片)
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专网与公网共享UDM、5GC CP、UPF、MEC和5G基站,也就是端到端网络切片,用户信息和数据流量的安全性取决于网络切片能力,但与前几种方案相比,这种架构的成本最低。
 
6.N3 LBO(Local Breakout,本地疏导):韩国SK Telecom的案例
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企业引入了MEC数据平面和MEC应用,运营商的移动边缘平台(MEP)通过Mp2接口将流量规则发送到MEC DP。MEC DP查看来自gNB的所有GTP隧道的数据包的目标IP地址(GTP Decap),并将用户IP包路由到内部专用网络。
 
与方案3和方案4不同的是,通过添加低成本的MEC DP(实际上是SDN/P4交换机),可以大大降低构建专用5G网络的成本,而无需购入昂贵的UPF设备。
 
7.F1 LBO(Local Breakout):韩国KT案例
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与方案6相同,区别在于仅部署了企业中的RU/DU,并且CU放置在移动网络的边缘云中,专用网络流量是从F1接口本地断开,而不是从N3接口。
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最后,上述5G专网架构各有优缺点,没有一种架构能够适合所有情况,企业应该根据自身要求以及实施/运营预算来选择最适合自己的架构。
 
挑战
 
1.频谱问题
 
建立专网不是一件容易的事,目前网络切片仍处于发展阶段,其他几种5G专网部署方式面临的关键问题还是频谱的获取。频谱资源是有限的,并非随需随得,在大多数国家,频谱被视为一种自然资源,其使用受到国家主管部门的控制,国家主管部门根据国家的需求分配资源。
 
在专用频谱难以获取的情况下,共享频谱和非授权频谱也不失为建立私网的好方法,越来越多的运营商也开始投资非授权和共享频谱资源。共享频谱是一种“轻授权”的频谱使用方式,某些国家监管机构会出台一些共享使用的频谱使用制度,行业用户可以采用共享频谱部署其专有网络。非授权频谱是一个公共资源,企业机构都可以公平接入,因此需要更精细的频谱规划技术,来减少互相之间的干扰。
 
2.国家政策
 
专网想要大规模地部署,除了频谱技术的不断发展外,还需要国家的支持。目前一些国家正在思考开放更多的频谱资源,提供政策保障,让5G专网能够快速发展。
 
美国
 
美国联邦通信委员会(FCC)计划于2020年6月开始进行CBRS 3.5GHz频谱拍卖,并预计2020年12月开始另一次C波段拍卖,CBRS将为企业部署4G和5G专网提供新的机遇。
 
德国
 
德国电信监管机构BNetzA将3700MHz-3800MHz频段中的100MHz频谱预留给私人公司。目前已有几十家企业购买了5G私有许可证,其中包括博世、宝马、巴斯夫、汉莎航空、西门子和大众汽车等。
 
英国
 
在英国,OFCOM于2019年发布了有关将支持其本地频谱访问和频谱共享政策的法定文书草案的咨询。监管机构将把3.8-4.2 GHz频段专用于本地部署,要求国家运营商将未使用的许可频谱移交给企业。较低的26 GHz频段也将保留给私有和共享访问。
 
国内
 
中国信息通信研究院副院长王志勤表示中国对5G专网专频持包容审慎的态度。在5G的初级阶段,行业应用不是很广,专网比较分散,产业链集聚要求很高,专用设备和终端价格较高。“5G频谱可能很难分给单独的一个行业,一方面我们积极探索行业的模式,另外积极研究5G行业应用是不是真的需要单独的专用频率,包括必要性、可行性及具体模式。”
 
近期,广东省工信厅发文《关于应对疫情影响进一步促进信息服务和消费的若干政策措施》的通知,广东省工信厅联合通管局等9个省直部门提出向国家申请1.4G专用频段建设10个以上的5G专网,在多个重点领域探索5G专网试点应用、5G专网设备研发。
 
部署案例
 
到2020年底,全球100多家公司将开始测试5G专网部署,在接下来的几年中,用于5G专网部署的支出会急剧上升,每年可能总计达数百亿美元。
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阿里XG实验室联合中移动落地首个创新型5G专网
 
5月15日,阿里巴巴与中国移动合作建设的5G智慧园区专网正式启用。在杭州移动布设的5G网络基础上,XG实验室研发出一套全新的5G专网安全架构体系,大幅提高5G专网的安全性和易用性。这一架构设计也将形成提案报送3GPP,未来可能成为5G R17全球标准的一部分。
 
据阿里介绍,达摩院XG实验室通过自研基于5G核心网的EAC(Enterprise Access Controller),创新实现5G鉴权信息与企业认证信息的打通,搭建起一个安全、智能、灵活扩展的5G企业专网。在这一5G专网环境下,员工进入园区可通过授权移动终端直接访问内网,离开园区后则自动转入公共网络,完成公网与专网的安全平滑切换。网络管理部门还可通过钉钉等平台进行5G终端的智能管理。
 
青岛5G智能电网
 
2020年7月11日,中国电信宣布由国网青岛供电公司、中国电信青岛分公司和华为公司联合开发的青岛5G智能电网项目一期工程正式交付投产,这标志着目前国内规模最大的5G智能电网正式建成。
 
电网应用提供更快、更细、更准的差异化和确定性网络能力,实现了基于5G SA切片的智能分布式配电、变电站作业监护及电网态势感知、5G基站削峰填谷供电等新应用。工作人员通过电力塔杆上的5G+4K超高清摄像头来监控输电线路和配电设施,可以及时发现故障隐患,能节省80%的现场巡检人力物力。借助5G的超低时延和超高可靠性,还能快速定位、隔离和恢复电网线路故障,把停电时间从分钟级缩短到秒级甚至毫秒级。
 
富士通推出日本首个商业5G专网
 
日本将企业独立自建5G专网称为“Local 5G”,推行“5G公网+Local 5G”双轨发展战略。
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来源:网优雇佣军
 
2020年3月,富士通从关东电讯局获得了日本首个商业专用5G广播电台许可证,将通过利用其5G专网技术传输由多点相机收集的高清图像的数据,增强AI的安全系统,通过运动分析快速检测可疑行为,从而加强犯罪预防措施。
 
富士通的5G私网部署于新川崎科技广场,覆盖面积2.8万平方米。据报道,该5G私网初期应用为5G智慧安防,即通过5G网络上传由多个摄像头采集的超高清视频流,并通过AI分析来检测可疑行为,以确保园区安全。
 
南方电网
 
中国移动与南方电网合作,针对深圳市南方电网业务中智能分布式配电自动化(智能分布式配网差动保护和配网自动化三遥)、电网应急通信保障及配网计量等4个业务特性,基于5G SA架构和切片技术提供系统性的5G指挥电网解决方案,该案例旨在探索面向垂直行业的5G创新业务及需求,验证5G网络及业务的能力,并为5G商用奠定基础。
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南方电网基于5G的电力业务网络切片整体方案(来源:5G应用产业方阵)
 
海尔5G+MEC虚拟专网
 
海尔基于运营商的5G网络在总部园区落地MEC(UPF+MEP),构建了行业内首个“5G+MEC”虚拟专网。基于5G+MEC虚拟专网基础网络,海尔实现了中德园区的冰箱、滚筒、中央空调三家互联工厂的应用赋能。该方案实现设备端轻量化,产线机器视觉应用点只保留工业相机,取消单独的工控机,工厂或园区统一部署MEC,总体方案降低布线成本、硬件及算力浪费,总体投资成本降低约40%。目前已上线运行近半年时间。
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海尔基于5G+MEC虚拟专网架构(来源:5G应用产业方阵)
 
业界对5G专网一直寄予厚望,尽管在发展过程中伴随着一定的挑战,但随着技术的不断完善,专网部署数量也开始不断增加。ABI Research近日发布的一份报告显示,到2036年全球5G专网支出将超过5G公网,届时,市场格局又会发生怎样的变化?
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