5G ToB行业专网的建设模式和关键技术分析.pdf

2023 年 8 月行业专网的建设模式和关键技术分析钱林（中电科普天科技股份有限公司，广东 广州 510310）【摘要】为满足行业对专网的切实所需袁引入 5G 技术袁灵活选择 5G 专网部署方式袁以云化设计为基础袁确保用户面尧控制面分离袁并结合行业尧应用场景对网络的差异化需求完成行业专网建设遥 简要概述 5G 面向企业渊ToB冤和行业专网袁根据不同应用场景探讨 5G ToB 行业专网的建设模式袁并分析 5G ToB 行业专网建设的关键技术袁为后续相关研究积累经验遥【关键词】5GToB 行业专网曰建设模式曰关键技术【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）08-0031-030 引言行业专网多服务于轨道交通、消防、能源、公安、军队、政府等领域或部门，主要用于调度指挥、应急通信。为保证行业专网安全稳定运行，有必要探索5G 面向企业（ToB）行业专网的建设模式，发挥 5G 技术在行业专网建设中的作用，如打造 5G 智慧工厂、地面自动驾驶、智慧交通、智慧消防等，在确保数据不外泄的同时，为行业高速发展奠定基础。1 5G ToB 概述目前，5G ToB 业务主要涉及公网集成、专网集成两个领域，且各自设有独立的组织，若网络单独建设并只向商业组织提供服务，属于专网集成领域；若网络非独立建设且向商业组织、普通用户提供服务，则属于公网集成领域。以工业制造为例，5G ToB 典型场景主要包括以下 3 种：淤网络化协同。包括远程设备状态监测、维护等。于服务化延伸。包括增强现实（augmented reality,AR）、虚拟现实（virtual reality,VR）远程培训、售后维修等。盂智能化生产。包括远程设备控制、物流仓储自动化、预测性维护、AR 辅助设备、产品质量检测等。未来 5G ToB 的深化发展，将进一步拓展其在工业制造领域的应用范围，提升工业制造智能化水平，降低成本，提高收益。2 行业专网概述行业专网是指在特定区域完成网络信号覆盖，为特定用户在生产、调度、管理、组织、指挥、监督等方面提供通信服务的专业网络，其与公网原理相同。例如，在业务特征层面，除了专用数据网，基本上所有的专网皆以语音业务为主，在网络中同时进行数据、语音传输时，语音有优先级1-2。行业专网主要是对网络进行隔离，确保所用网络的安全性、私密性、稳定性，且对需求场景、覆盖范围、专用性等有着一定要求，不仅能够满足用户在设备管理、智能分析、视频采集、远程控制等方面的需求，还可结合数据满足不同专网区域的根本需求，达到降本增效的目的。3 5G ToB 行业专网的建设模式不同用户、行业需求不同，应用场景也会有所差异，可以以面向消费者（ToC）网络为基础，设计各种专网建设模式。3.1 独立部署独立部署是指由企业独立建设 5G ToB 行业专网，比较适用于一些超大型企业，如矿区、大型矿口等，其本身预算充足、盈利能力强，对 5G ToB 行业专网安全性、独立性要求较高，且专业人才充足、技术过关，可结合专网建设配备人才岗位。下设无线基站、EMC、传输、5G 核心网（5GC）等组成单位，实现无线接入网（wireless access network,RAN）与 5GC 专用，保证与外部大网隔离，该种物理隔离方式的网络自主性、灵活性大幅提升，可结合企业的实际需求进行布设，但此过程需要配备专门的运维团队，运维成本比较高。3.2 与 5G 公网部分共享与 5G 公网部分共享主要包括以下两种形式：淤共享 RAN。该种建设模式是 5GC 专用，共享大网RAN，通常部署在用户面、信令面需隔离的场景中，优势在于 5GC 专网专用，可防范数据泄漏风险，确保了数据的低时延和高安全性，建设成本也有所降低，但是其对部署、资金投入等要求较高，后续还需建设或引入专业化的运维团队，以保证 5GC 专网的持续可用性。于共享控制面。该种建设模式主要针对中大型企业建立 5G ToB 独立核心网，部署在有 EMC 或分流需求的场景中，确保用户面功能（UPF）网元、EMC 不出园区，整体部署特点突出，仅用户面功能下沉，且因 UPC 直接部署在园区，能够保障低时延，ToC 与 ToB 控制面复用，大幅降低建网成本，且不存通信设计与应用312023 年 8 月在明显的劣势，适用范围较广。3.3 完全共享完全共享是指 ToB、ToC 全方位的共享网络，其中 ToB 面向的是企业，注重提升效率；ToC 面向的是个人，注重用户体验。建设 ToB、ToC 共享网络，可兼具两者优势，主要搭建方式是借助运营商 ToC，建设企业 ToB 专网，适用于中小企业。5G ToB 从核心网到无线接入整体与 5G ToC 网络共享，对比传统形态的通信制式，5G 网络应用端到端网络切片技术，直接根据需求将物理网络切割为若干个逻辑虚拟网络，为企业提供更加安全、更具针对性的通信服务、专网覆盖。此外，部分小微企业为节省成本，可直接通过“虚拟专用网（VPN）+接入点名称（APN）”模式享受专网服务。但需要注意的是，企业数据安全很大程度上取决于运营商 ToC 网络安全，且数据传输时延会受到运营商 UPF 部署机制、位置影响。4 5G ToB 行业专网建设的关键技术在 5G ToB 行业专网建设稳步推进过程中，需要关键技术的支撑，从而保证其能够满足行业发展相关需求，主要涉及以下 4 种关键技术。4.1 SLA 保障技术服务级别协议（service level agreement,SLA）保障技术可为行业提供端对端服务，可靠性、低时延性有所保障，在搭建协定的同时，还需引入以下相关技术对其加以保障，确保其发挥出更大的价值与效应。主要包括：淤端到端网络切片技术3-4。在管理面应用计算机网络、云计算等技术建设端到端切片管理与编排系统，赋予切片设计、切片建立、切片管理、切片删除等各项功能，系统中央布置管理中台。在业务面借助网元切片技术保障端到端网络资源到位，例如，进行大规模多入多出（Massive MIMO）部署赋予从超宽带，通过资源块预留技术提升带宽水平；进行“时分双工（TDD）+频分双工（FDD）”时频双聚合快速部署，增强上行链路。于灵活应用服务化架构、增强空口、以太网、时间敏感网络（TSN）等技术，避免出现端对端网络抖动与高时延；通过双回传、双连接、双卡终端等链路保护技术，优化重传、编码速率等功能，以保障可靠性能；通过行业专网接入管理与控制、数据园区本地流量卸载、端对端网络隔离等各项技术保障 5G ToB 行业专网稳定性、安全性。4.2 无线技术现阶段，5G ToB 行业专网所用无线网络多以与5G 公网部分共享、完全共享建设模式为主，因行业专网对深覆盖、室内大容量等有着具体要求，故而在进行专网建设时需根据实际需求决定是否引入室内增强定位、毫米波基站规划、5G 室内小站等关键技术5。同时，还需关注以下 5 点内容。（1）探究 ToC 现用无线网络容量覆盖现状，明确无线网络业务分布情况，识别高价值区域、高热点内容，完成对 4G 网络增强、部署规划，实现 5G 热点精准覆盖。重复利用当前可用的现网站点以及配套资源等，提升 5G 部署效率、降低成本开支。（2）分析 5G ToC 无线侧网络切片，利用 5G 服务质量（QoS）标识符、切片 ID 组合完成业务调度、管理，通过基站调度约束确保用户业务间实现全面的软隔离，如果相关业务之间在引入物理资源块（PRB）资源时出现冲突，应遵循 5QI 优先级排序使用。此外，由于以 5G ToB 行业专网为基础的智慧矿山、智慧电力建设对空口资源确定性提出了更高标准，为确保各项业务的可靠性、实时性、连续性，应提前为切片留出专用 PRB 资源，使相关业务的安全隔离、资源优先级得到切实保障6。（3）在 5G ToB 行业专网中，部分对业务切换鲁棒性、传输中断时间等有着更高要求的场景，可选择 Rel谣16 终端移动性增强技术提供相应性能。此外，部分场景会发生较多的数据包收发现象，可选择 Rel谣17 Small Data 免调度传输技术保障无线资源充足。（4）考虑到行业专网建设在使用阶段需覆盖不同的应用场景，应引入适宜的产品或技术进一步提升网络性价比，有计划、分环节地完成覆盖过程，例如，在部署 ToB 时，先考虑将 3.5C 64TR 有源天线单元在主流城区进行覆盖，逐步覆盖到郊区 32TR 处，再选择低频天线设备进行广覆盖，最后选择 SmallCell 进行室内热点覆盖，在完成以上主要区域覆盖后，可选择专用设备覆盖隧道、高铁、高速公路、盲点等特殊区域。（5）5G 上行边缘设定在一定程度上影响着5GNR 站点密度，而在进入新时期后，5G 创新业务持续增加，以常见的增强宽带业务为例，大部分用户诉求在于进一步提升上行速率。在布置 5G ToB 行业专网时，应在考虑用户体验的同时，设定恰当的上行边缘速率，再结合其他影响因素，严控网络建设成本、规模。初期可设定上行速率为 2 Mbit/s 左右，而在 5G业务量持续增长的情况下，城区上行速率至少应提升到 10 Mbit/s 左右，才可满足基本需求。4.3 核心网络技术核心网络技术是指基于 4G 核心网升级支持非独立组网（NSA），但依靠现行网络基础难以支持独立组网（SA）各项功能，因此在适宜环境下，可融合核心通信设计与应用322023 年 8 月网来实现相关功能。需要关注以下要点。（1）在 5G 专网建设初期，提供 NSA 与虚拟演进分组核心网元功能，后续提供 5GC SA、虚拟演进分组核心融合网元功能，平滑向后演进，进行相关软硬件重复利用，降低成本，减少给用户带来的不良体验。（2）在进行核心网规划时，可从平台管理、网络编排、策略平台、用户数据平台、语音业务、5G 操作、多级数据中心规划等入手。（3）结合 5GToB 行业专网实际应用需求，决定是否选择 ToC、ToB 共享核心网，并可结合业务需求下沉到对应的应用节点，以最大限度地满足大带宽业务、低时延需求。（4）分阶段、分层级部署三级数据中心。结合专网业务需求，在各个位置、层级部署逻辑网元，实现数据中心间、数据中心内资源共享，跨地域一张网。其中，边缘数据中心主要部署移动边缘计算、ToBUPF，突出特征是将 ToB 算力下沉到边缘，开通远程管理功能，实现轻量化运维，引入加速硬件设备，增强媒体面性能。区域数据中心主要布置在 ToB 控制面、ToC 媒体面、行业专网控制面，突出特征是将 ToB算力下沉到区域，灵活应用 ToB 控制面，结合行业专网建设需求分离业务，而 ToB、ToC 则结合各阶段实际情况，进行资源配置，可合可分。核心数据中心主要布置在用户数据平台、ToC 控制面、IMS 多媒体业务平台等，突出特征是统一多数据中心云管理平台、ToC 与 ToB 共享业务平台，能够实现专网智能运维。（5）MEC 是目前相对有效的边缘云解决方法，可按需部署在核心机房、汇聚机房、网络接入节点等，满足用户安全、带宽、时延所需。并参考 ToB 网络业务在各阶段的发展需求，决定 ToC、ToB 是否进行核心网共享。以智慧矿山为例，应单独部署井下核心网，将用户面、控制面等下沉到矿区，即便在矿山开采进程中因相关因素与外部通信中断，依然不影响矿山内部的正常通信。而就行业专网用户来说，应部署集成度更高的 5GC，适应独立的低成本核心网应用所需，必要时部署“MEC+UPF”联合网，结合业务特点下沉到指定应用节点。4.4 承载网络技术通过 5G ToB 行业专网、ToC 网络共享搭建承载网络，切片划分，在相关行业应用时提供对应的承载能力，需要关注以下 3 种：淤规划设计承载网时，需关注光纤传输、微波传输，尽可能地降低建设成本，以往的无线回传网络依靠微波传输实现，而依靠 5G技术进行的微波传输吞吐能力超过 10 Gbit/s，适用于绝大多数 5G 端站数据传输，评估市面上网络承载设备，若可满足 5G ToC、ToB 应用标准要求，可进行重复利用，否则制定折中方案或直接替换。于建设部署多元数据中心的 5GC7。边缘数据中心部署 ToB 媒体面、MEC，增强媒体面性能，实现远程运维、云管理。区域数据中心部署 ToC 媒体面、ToB 控制面，实现 ToB、ToC 资源按需配置、ToB 控制面业务分离。核心数据中心部署 ToC 控制面、用户数据平台、多媒体业务平台，实现智能运维、多数据中心云管理等7。盂按照具体步骤部署灵活以太网寅软件定义网络（SDN）寅高精度同步寅TSN 等各项关键技术，提供相关性能，分析承载网发展规律，朝着智能化、自动化、高精度同步、低时延、高宽带等方向发展，特别是建立与完善以高频毫米波为基础的超大带宽基站，会让微波承载比例持续降低，而光纤承载比例也会持续升高，综合 5G 传输带宽的根本需求，在接入环、汇聚环可分别建设 100G 平台、400G 平台，满足各方面的承载需求。5 结语本文就 5G ToB 行业专网的建设模式和关键技术进行了重点论述，建议给予其足够的重视，分析各项行业专网建设模式在应用过程中的优势与不足，结合相关行业对专网的实际需求，把握各项关键技术的应用过程，确保发挥其更大的性能优势，确保专网建设能满足相关行业在数据、语音等方面关键信息传输上的安全、稳定需求，为行业利润增长、挖掘可持续增长点提供更多的思路。参考文献1 周丽莎，陆钢，马壮展，等.5G 专网场景需求与关键技术分析J.广东通信技术，2020，40（12）：35-38.2 孙鹏飞，宋振苏，于洋.专网物联网技术研究J.移动通信，2018，42（7）：92-96.3 黄蓉，唐雄燕，裴郁杉，等.5G 工业专网架构和关键技术探讨J.移动通信，2022，46（8）：8-14.4 黄珊.5G 关键技术及行业应用探索J.数字通信世界，2022（2）：30-32，35.5 马驰容，王梦晓，杨立，等.5GToB 行业专网的建设模式和关键技术J.邮电设计技术，2022（6）：40-44.6 曹亚平，孙颖，张会肖.基于 5GtoB 定制网的数据分流方案研究J.电信科学，2022，38（9）：161-168.7 万铭.5GtoB 商业模式利益相关者与边界重构J.电信科学，2022，38（增刊 1）：60-66.作者简介院钱林（1981），男，汉族，江苏泰兴人，本科，工程师，研究方向为通信业务网格化交付能力提升及 5GToB 应用赋能。通信设计与应用33