垂直行业企业5G专网的研究

陈泽宇，靳 永，张 丹（通信作者）

（南京理工大学紫金学院 江苏 南京 210023）

我国在新一轮的技术革命与行业改革背景下，移动5G通过机械、物料、信息系统与人的架构链接，使得大数据的全面感知、动态传递、信息分析，形成科学决策与智慧管理，在一定程度上提升企业资源配备效能，这种5G+垂直产业的发展模式是帮助企业实现产业突围的有力抓手。但是由于碎片化市场和差异化需求无法通过统筹标准得以实现，因此必须建设符合产业共性要求的新型网络结构，对各企业指导定制化的解决方案，才能从根本上建立起垂直行业企业5G 专网。

1.1 5G 专网

Private5G 也被称为5G 专网，即指通过3GPP 5G 标准建设的企业及行业无线专网。3GPP 标准定义了两个5G专网部署模型：SNPN（独立的非公共网络）和PNI-NPN（公共网络集成NPN）。其中SNPN 也是我们常说的“自主建设模型”，即指公司可以自主建设由基地台到中心网和云服务层的完整5G 网络系统，并且可以完全和运营商的5G 公网隔离。而PNI-NPN 也被称为“公共网络集成NPN”，通俗来说就是公司可采用与运营商5G 公网共用RAN 或是共用RAN 和中心网管理面，或是终端共用5G 公网（端到端网络切片）的方法来建设5G 专网；
一方面，相比较于公网，5G 专网可以在一定的范围内实现全信号覆盖，应用场合更明确，覆盖面更精准，针对性、专用性也更强。

另一方面，出于较高的安全性要求，5G 专网的稳定性、抗干扰能力也高于公网。现如今5G 专网广泛适用于某些大型企业或公司，具备高宽带、强接入、小时延、稳定性高等优点，5G 专网和公网结合将给公司建设上网提供很大的方便，极大地节约公司网站建设的时间与成本。同时建设5G 专网这也是企业星级上云内容中的一部分，加快数字化、智能化，迎来新一轮企业改革的大潮流[1]。

1.2 垂直行业

垂直行业这个概念其实源于—项综合的IT 技术的CRM系统。CRM 是customer relationship management 的缩写，也就是客户关系管理的意思。假如A 公司专注于某一个行业，其服务的行业a 形成了一个平面，而B 公司是A 公司的客户，并且其从事的行业与A 行业一个交叉点时，即称为行业a 的垂直行业。

对于通信行业来说，设备商、运营商以及各种工程，网络规划或者优化服务的企业等都是属于这一行业内的。而对于交通、能源、娱乐、工业、智慧城市、医疗、农业、金融、教育等行业，它们的主攻方向并不是通信，但是却要不可避免地用到5G 技术，因此和通信行业存在特定的交叉点，所以便可称作垂直行业。对于这些垂直行业面向移动通信运营商通用的解决方案不适用，需要进行深度的定制化。因此垂直的另一层意思也就是细分市场，需要进行深度的产品和方案定制化。

移动通信发展到5G，已经从人与人之间的连接拓展到了人与物，以及物与物之间的连接，同时也需要高可靠性、低时延的通讯。这些要求都是从不同的产业中衍生出来，所以被称为垂直产业。

5G 技术具有上行大带宽、极低端到端时延、超高可靠度的特性。5G 采用的是大容量多入多出Massive-MIMO 技术，该技术作为5G 的核心技术之一，通过提高MIMO 系统振子数来实现增加天线的接收发送通道，从而增加天线接收发送能力，真正做到了多路信号同步传送。

采用大带宽的表面质量测试业务，单路4 K 图像的数据流上行最大带宽为50 Mbps，但是LTE 的上行链路最高传输速率却为50 Mbps，在高速业务并发的情形下，LTE 所提供的最高传输速率已经根本无法满足其大带宽要求；
而采用极低端到端时延技术的智能AGV 的调度管理、智能故障及应急管理等服务要求，将端到端的数据传输时延限制在微秒量级，而LTE 的端到端数据传输时延为100 ms，再乘以数据传输网络的终端到端时延，已根本无法满足AGV 调节、远程管理等服务普遍使用；
采用高可靠性设计的垂直业务关键设备连接不中断服务，要求的安全性超过99.999%，不过依然面临着安全性不高、覆盖受限、信号根本无法透过钢结构障碍物传播等缺点，无法保证其可靠性。

部分产品采用有线互联网或Wi-Fi 网络架设于企业厂房内部和机台外部，但因为公司的厂房建筑面积很大，构造繁杂、设施散乱、连线麻烦多、成本高、费时长，企业迫切需要更安全便捷的通信工具和设备联机问题。由于Wi-Fi 受机器磁场影响出现丢包和数据传输不稳定的现象，这一问题还有待改进。所以，通过5G 网络的应用可以得到实时性更高、更安全、更快捷、可维护性更佳、投入更少的工厂网建设方法[2-3]。

2.1 可靠性

5G 抗干扰能力较好，5G 终端为芯片加密存储，AKA 双向认证安全性高；
5G R16 标准化防DDoS 攻击；
5G 的个人标识是从UE 到网络端到端加密。5G 通过使用运营商自有频段，在带宽、时延、安全性、稳定性、系统可靠性、可实现数据流不出园等方面的特性更加适合企业智慧工程应用场景，实现各类移动终端的全量连接，切实解决厂区自动化设备运行连接管理存在的问题。

5G 使用licensed 频谱，系统抗干扰能力强，能提供工业应用场景所需的稳定低时延、低抖动；
通过终端双发选取、设备主备等系统级设计，能够实现99.999%可靠性。5G 能够进行快速转换确保数据的安全传送，而针对高速移动场景，在Wi-Fi 连接下无法实现转换，但5G 网络却能够进行数据转移，因此5G 更可靠[4-6]。

2.2 覆盖能力

Wi-Fi 基带和射频合一，不支持联合接收；
Wi-Fi 概率性测量，测量结果不准确，切换时会idle 态，类似于小区重选或重定向，非严格意义切换，欠缺无损切换能力。对于工厂等场景，5G 可以通过多TRP 分布式处理提升整网速率；
5G 定义完整的切换和测量，对测量的事件、频点、周期、上报门限等均有完善定义，实现基站控制下的切片，支持数据前转。5G 技术可以提供超低端的端时延和更广覆盖，Wi-Fi 时延一般不增加，随着用户的增加端到端时延增加；
5G 网络技术还可以根据行业定制化减少时延，从而提高覆盖功能[7]。

2.3 大带宽特性

5G 可以支撑高速并发大信息量服务，但由于Wi-Fi 信道范围较小，资源相对有限。5G 实现了OFDM 化的波形和多址接入技术，OFDM 技术已经在如今的4G LTE 和Wi-Fi网络中普遍应用，增加了带宽应用，提高了最大带宽功能。大带宽服务器，最重要的作用就是让两路数据同步，让数据的传输速度更快、更稳定。同时，服务器的安全性也非常高。这种服务器能够适应各种企业的需求，而且应用的范围也更加广。

5G 专网的规格在实际上是远低于5G 公网的，和5G 公网同样也是由5GCCP、UDM、MEC、UPF 和gNB 组成，正所谓是麻雀虽小，五脏俱全。专网顾名思义，当然就是采用了专门的频段，并自建了涵盖5GCCP、UDM、MEC、UPF 和gNB 的5G 移动专网。甚至为了垂直行业，多个国家分配了5G 本地频段。所谓的5G 专网频率资源，也就是政府决策者为垂直行业专门分配的5G 频率资源。有了5G 专网频率资源，意味着垂直产业在频率资源上不再受制于政府运营商，而是能够自设专网[8]。

现如今，全世界已经有许多国家为垂直行业分配了5G的专用频率，或者称之为5G 本地服务频率。例如，意大利分配了3.7～3.8 GHz、英国分配了3.8～4.2 GHz 频率、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 频率。这种部署方法的好处就是能保证企业数据的绝对安全性，因为全部与公网分离。而且互联网端到端时延较小，从中心网到无线接入网都布置在了本地。而数据来回传递的距离也只有数千米，当然端到端传输时延也从而变小。

早在2020年7月，中国移动按照灵活组网、按市场需求规划的原则，新提出的5G 专网可包括优享5G 专网、专享5G 专网、尊享5G 专网等三个基本产品，为客户提供特定地域内覆盖范围、数据安全传送、业务安全隔离、设备可管控制的基础连接网络，以解决客户在组织、指挥管理、生产、调度等各环节的通信业务需要，帮助垂直行业企业智能化升级，同时也进一步加强运营商与企业的合作[9-10]。

优享模式下设有流量加速和服务隔离两种网络服务方式，以满足客户对上网速度、时延和安全性的要求。服务加速通过提高网络系统的水平，完成了拥塞预调度，可以给用户提供速度更快的冲浪服务，可以应用于电视直播、AR/VR、云游戏等对时延、速度需求比较大的领域；
服务隔离，采用切片的方式为用户设定专属链路，保证了用户使用的安全性，可以适用于银行、电网等对安全性要求较高的行业环境中。

专享方式采用强化覆盖和边缘计算的能力，即可进行本地流量卸载、边界处理，以解决用户对信息不出场、超低时间延迟等服务要求。公网专业，能够为用户带来强化包裹服务能力，同时具备超强并发连接力量的服务特点，能够应用在医院、园区等特殊场合；
本地服务保障方面，采用边界计算、UPF 下沉，以解决企业用户对互联网时延的高需求，能够减少时间延至20 ms 以内。为了保证安全性，边缘结点也能够承载业务平台和应用侧的一些个性化应用，透过直接和生产系统互动，完成对边界信息的超强管理和运算。

尊享模式通常是对基站、频段的专建专用，能够协助企业构建专门的无线网络，因此也迎合企业对高稳定性、高距离感需要、高度定制化的建网需要的要求。而专网专用，则通常是针对基站、频段等特别专业、更适合用在无开采、不有序施工的封闭项目；
超级上行，采用相应的技术手段，可以提升企业接口的上行速效率，从而真正地实现智能生产、智慧矿山以及一些对上有特殊要求的情景；
企业专属接口，则采用专门的准入机制实现，相当于为企业建立一个专属的接口白名单。

2021年4月30日，中国工信部印发《5G 应用“扬帆”活动规划（2021-2023年）》（征求意见稿）表示，“到2023年，建设突破3000 个5G 产业虚拟专网”。他还进一步指出：“支持各地政府根据区域需要，建立移动5G 领域虚拟专网，并创新建网的方法，以建立区域先导效应”。

传统专网供应商将依托于前期深耕产业专网的成功经验，联合为顾客提出综合应用数字化方案和咨询服务，以促进技术标准、实践验证与产业方案“技术三角”的高效连接，形成共生共享产业合作创新生态。

中国电信5G 云网、XR 数字经济孪生、大数据分析、人工智能等新科技，使线下商业空间实现了3D 的高精度空间信息再现，形成了线上线下深度结合的空中数字经济“元宇宙”，提供“AR 导航寻车、AR 景观游戏、AR 宝箱集卡、AR 试妆试戴、XR 娱乐空间、VR 数字云MALL”等一系列5G 新型消费应用。在商场任意位置通过AR 导航服务可实现实时定位、路径规划及全程实景AR 导航，并可随机领取AR 宝箱优惠。通过AR 成像技术让消费者置身在炫酷多彩的AR 景观里，感受虚拟与现实的完美融合。

相比较而言，中国联通通过在云南大理苍山国家级自然保护区投入多台5G 网联无人机，对防火关键地段实现全方位火情监测。实现24 小时全天候作业待命。人员无须到现场，在指挥中心即可通过5G 网联无人机综合应用管理平台和5G 网络同时指令多台无人机在指定时间，飞往指定地点进行巡检。一旦发现火情，指挥部可以调派大载重灭火无人机第一时间前往投弹灭火作业，或为消防人员运输扑火工具、食物等物资，大幅提高作业效率。

再比如中国移动云平台打造智慧海洋底座。福建移动联合华为等合作伙伴，在宁德成功落地全国首个5G 智慧海洋精品网络样板点，实现50 公里海域5G 全覆盖，并形成基线化的5G 智慧海洋解决方案，不仅为沿海智慧渔村建设、捕鱼养殖作业、渔民村民数字化生活提供有力网络保障，也打造了全省首个5G 海洋执法示范项目等应用，5G 智慧海洋拓展取得了积极成效。

那么从这一方面可以看出面对5G 网络庞大的建设与运营成本，中国电信、移动、联通三大运营商从企业实际情况与所处环境考虑，都在积极尝试通过各领域的合作共享，降本增效。

综上所述，网络的飞速发展，大幅度推动了通信技术的研究，现如今不光中国，包括别国也在积极地参与建设5G 专网，使其应用更完善。部署的5G 专网，更是在垂直领域推进5G 的创新发展应用、加速向数字化产业转变、实现降本增效不可或缺的手段。经营者们要紧紧抓住专网的发展窗口，发挥网络与5G 专网整合信息作用，不断创新合作方式，同时也需要政府、企业一起推动专网建设，促进整个行业的智能化升级，让企业实现更好的转型和发展，从而带动社会整体经济的发展。