張 涌，王茜碩，楊鴻賓（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

1 5G行業(yè)專網(wǎng)發(fā)展

1.1 5G專網(wǎng)是專網(wǎng)的新形態(tài)

5G 網(wǎng)絡(luò)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它能提供10 倍于4G 的用戶體驗(yàn)速率，其峰值速率高達(dá)20 Gbit/s，空口時(shí)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)行業(yè)應(yīng)用定義了mMTC 海量物聯(lián)和uRLLC 低時(shí)延高可靠等全新場(chǎng)景，推動(dòng)5G 由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代邁向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。由于傳統(tǒng)專網(wǎng)自身技術(shù)演進(jìn)緩慢，建設(shè)和運(yùn)營能力規(guī)模效益較差，5G 專網(wǎng)迎合行業(yè)客戶寬帶化、移動(dòng)化、物聯(lián)化、多業(yè)務(wù)融合發(fā)展的需求，助力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，5G行業(yè)專網(wǎng)是5G時(shí)代的重要產(chǎn)品。

5G 專網(wǎng)利用5G 組網(wǎng)、切片和MEC 邊緣計(jì)算等技術(shù)為客戶提供專屬覆蓋、網(wǎng)絡(luò)定制、數(shù)據(jù)隔離、質(zhì)量保證的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延、安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，滿足客戶生產(chǎn)、辦公、管理等應(yīng)用的通信服務(wù)需求。本文通過對(duì)5G 專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，提出5G技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用典型組網(wǎng)方案，分析5G專網(wǎng)產(chǎn)品和商業(yè)模式，推動(dòng)5G業(yè)務(wù)創(chuàng)新應(yīng)用在行業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用。

1.2 行業(yè)需求驅(qū)動(dòng)的專網(wǎng)建設(shè)

5G 時(shí)代行業(yè)客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量、時(shí)延、上行容量等有更高的要求，傳統(tǒng)專網(wǎng)在成本及靈活性等方面無法滿足需求，5G 專網(wǎng)可解決上述痛點(diǎn)，并為垂直行業(yè)深層次賦能，推動(dòng)行業(yè)深層次數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

5G 專網(wǎng)可滿足垂直行業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)多樣化、數(shù)據(jù)安全化、運(yùn)維自主化日益增長的需求，5G 專網(wǎng)的需求與垂直行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景高度契合，運(yùn)營商在基站站址、通信網(wǎng)絡(luò)等方面具有先天資源優(yōu)勢(shì)，有能力參與并引領(lǐng)5G專網(wǎng)，進(jìn)而激發(fā)出新的產(chǎn)業(yè)、新的業(yè)態(tài)和新的模式。以電力行業(yè)專網(wǎng)為例，無線專網(wǎng)建設(shè)要求發(fā)、輸、變、配、用各類設(shè)備及人員泛在接入、全程在線，全面感知電網(wǎng)信息和設(shè)備狀態(tài)，全面實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)末端配用電設(shè)備的實(shí)時(shí)可靠控制，最終實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的信息互通共享。

以電力場(chǎng)景為例，為滿足電力業(yè)務(wù)終端層萬物互聯(lián)的連接能力，打通輸電業(yè)務(wù)、變電業(yè)務(wù)、配電業(yè)務(wù)、用電業(yè)務(wù)、經(jīng)營管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，5G 電力創(chuàng)新應(yīng)用重點(diǎn)在現(xiàn)有配電自動(dòng)化、用電信息采集、分布式電源、電動(dòng)汽車充電樁等各類業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，逐漸向差動(dòng)保護(hù)、精準(zhǔn)負(fù)荷控制、實(shí)物ID、移動(dòng)巡檢、機(jī)器人巡檢、視頻監(jiān)控、AR/VR 運(yùn)維應(yīng)用等新興業(yè)務(wù)延伸，結(jié)合5G 專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景劃分，從網(wǎng)絡(luò)性能、業(yè)務(wù)接入和安全可靠性等維度，設(shè)定低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接、大容量高帶寬的3類業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，以實(shí)現(xiàn)各類終端設(shè)備的泛在接入、智能化應(yīng)用。

行業(yè)用戶的需求普遍呈現(xiàn)多樣化，需要針對(duì)不同的行業(yè)業(yè)務(wù)需求匹配合理的部署方案。其中，安全要求極高的場(chǎng)景對(duì)專頻專網(wǎng)有較高的依賴性，而一般場(chǎng)景使用公網(wǎng)專用部署方案可以達(dá)到較高性價(jià)比。2B的行業(yè)需求與這4個(gè)因素相關(guān)：網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域、安全要求、經(jīng)濟(jì)承擔(dān)能力和業(yè)務(wù)屬性，其中部署范圍、安全保障是最重要的影響因素，占比達(dá)到70%。針對(duì)2B差異化的部署場(chǎng)景，考慮用戶安全需求、承擔(dān)能力及運(yùn)營商把控能力，并結(jié)合無線側(cè)保障技術(shù)和核心網(wǎng)部署方案，本文總結(jié)出如圖1 所示的7 種不同的5G 行業(yè)部署方案來適配不同行業(yè)場(chǎng)景，在具體場(chǎng)景使用中可作參考。

圖1 5G行業(yè)專網(wǎng)部署方案

2 5G行業(yè)專網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 行業(yè)專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

5G 專網(wǎng)利用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)頻譜資源及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營優(yōu)勢(shì)，針對(duì)工業(yè)制造、能源礦山、交通物流、港口碼頭、軍隊(duì)/監(jiān)獄機(jī)構(gòu)、城市安防、新媒體、醫(yī)療及大型企業(yè)等場(chǎng)景，為客戶打造“專建專維、專用專享”的專有網(wǎng)絡(luò)，提供以5G為核心技術(shù)的綜合型專網(wǎng)，融合切片、MEC、Wi-Fi6 等技術(shù)，為客戶提供定制化的QoS 保障和業(yè)務(wù)隔離的安全獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定制化程度，5G 專網(wǎng)產(chǎn)品分為5G 獨(dú)立專網(wǎng)、5G 混合專網(wǎng)、5G 虛擬專網(wǎng)三種，為客戶提供特定區(qū)域覆蓋、數(shù)據(jù)可靠傳輸、業(yè)務(wù)安全隔離、設(shè)備可管可控的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)，滿足客戶在組織、指揮、管理、生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)的通信服務(wù)需求。

行業(yè)專網(wǎng)由核心網(wǎng)、基站、回傳網(wǎng)、終端、網(wǎng)管系統(tǒng)等構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，行業(yè)專網(wǎng)建設(shè)考慮定制化的行業(yè)業(yè)務(wù)需求，驗(yàn)證業(yè)務(wù)場(chǎng)景下5G 網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、覆蓋范圍、容量等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。專網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)針對(duì)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求研究端到端網(wǎng)絡(luò)切片方案并驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)隔離性和安全性，分析業(yè)務(wù)適配性和業(yè)務(wù)承載性能。

圖2 5G行業(yè)專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2 無線和核心網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與流程

5G 無線專網(wǎng)應(yīng)滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求，并與骨干通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)發(fā)展。無線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合行業(yè)生產(chǎn)、管理現(xiàn)狀及發(fā)展目標(biāo)，以業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為導(dǎo)向，提出規(guī)劃設(shè)計(jì)思路、目標(biāo)、原則和建設(shè)方案。在滿足業(yè)務(wù)生產(chǎn)安全性的前提下，結(jié)合終端分布密度、各類通信設(shè)備資產(chǎn)全壽命周期比選結(jié)果，建設(shè)無線專網(wǎng)，避免重復(fù)建設(shè)和重復(fù)投資。

專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)包括業(yè)務(wù)需求分析、核心網(wǎng)規(guī)劃、基站規(guī)劃、回傳網(wǎng)投資分析。以電力無線專網(wǎng)為例，在專網(wǎng)的設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)成熟的無線通信技術(shù)，提供安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，規(guī)劃建設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌考慮調(diào)度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、用電信息采集等業(yè)務(wù)以及無線終端、網(wǎng)管系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)房和電源部分等軟硬件系統(tǒng)。以下是5G無線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要原則。

a）安全性原則。無線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)以保障業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定運(yùn)行為核心，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)信息在無線專網(wǎng)中的安全可靠傳輸。

b）標(biāo)準(zhǔn)化原則。無線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)遵循統(tǒng)一的技術(shù)政策、技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

c）差異化原則。無線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)行差異化原則，充分考慮不同區(qū)域的發(fā)展水平、業(yè)務(wù)需求、系統(tǒng)規(guī)模差異，合理確定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模。

d）經(jīng)濟(jì)性原則。無線專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)性原則，充分挖掘現(xiàn)有通信技術(shù)以使整體成本最優(yōu)。

2.3 專網(wǎng)安全方案

5G 專網(wǎng)在應(yīng)用中需要滿足通信設(shè)備的安全要求，確保網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)的安全、完整、可用。因此需要專網(wǎng)提供終端、接入、傳輸、邊緣、核心、企業(yè)邊界等端到端的安全防護(hù)手段，通過系統(tǒng)化的安全防護(hù)管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶、用戶組和角色的管理，分權(quán)分域等安全控制。圖3 是專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)。在5G 網(wǎng)絡(luò)中通過配置TAI 與專網(wǎng)切片的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可靈活限制終端可接入的特定位置，防止跨區(qū)冒用，避免終端設(shè)備被惡意帶走后相關(guān)的企業(yè)數(shù)據(jù)泄密的風(fēng)險(xiǎn)。5G 核心網(wǎng)策略可靈活控制終端對(duì)企業(yè)資源的訪問權(quán)限，同時(shí)在原有運(yùn)營商認(rèn)證基礎(chǔ)上，增強(qiáng)企業(yè)自主二次認(rèn)證能力，防止非法接入。

圖3 端到端的5G行業(yè)專網(wǎng)安全方案

以某油田為例，5G 專網(wǎng)整體解決方案架構(gòu)如圖4所示。

圖4 5G油田專網(wǎng)設(shè)計(jì)案例

a）無線覆蓋方案：項(xiàng)目初期，在采油廠保護(hù)區(qū)以北區(qū)域開通一處5G 基站，依據(jù)測(cè)試模型，基站可覆蓋半徑2 km以內(nèi)的井場(chǎng)，單個(gè)基站覆蓋數(shù)量可達(dá)200個(gè)。根據(jù)油井位置分布，規(guī)劃了另外5 個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)覆蓋，基站建設(shè)完成后可基本滿足保護(hù)區(qū)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(xù)采用現(xiàn)網(wǎng)Zigbee 通信方式，通過RTU 匯聚后轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議與DTU互聯(lián)通信，攝像頭通過TCP/IP 協(xié)議直接連接DTU。DTU 裝載中國聯(lián)通5G 卡后接入5G網(wǎng)絡(luò)。

c）5G 切片方案：5G 空口基于5QI 進(jìn)行業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)保障，5G 承載基于DSCP 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)保障，5G 核心網(wǎng)對(duì)用戶進(jìn)行QoS策略制定和管理。

該方案可與2C/2H 用戶共享5G 網(wǎng)絡(luò)資源，快速進(jìn)行2B 業(yè)務(wù)發(fā)放。用戶保障基于QoS 方案，無需改造現(xiàn)網(wǎng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)和業(yè)務(wù)級(jí)體驗(yàn)保障。無線載荷、壓力以及位移傳感器通過RTU 進(jìn)行匯集，攝像機(jī)、DTU 以及電表等設(shè)備安裝在距離油井旁十余米的立桿上，RTU 及攝像機(jī)通過雙絞線連接DTU，視頻圖像和傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過DTU 接入5G 網(wǎng)絡(luò)。該方案在5GC核心網(wǎng)上做用戶策略配置，油井?dāng)?shù)據(jù)由5G基站轉(zhuǎn)發(fā)至運(yùn)營商機(jī)房的MEC上，與公網(wǎng)公眾數(shù)據(jù)隔離。

3 5G行業(yè)專網(wǎng)的商業(yè)模式

3.1 專網(wǎng)項(xiàng)目商業(yè)模式

運(yùn)營商在5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)拓展中應(yīng)重視運(yùn)營服務(wù)，提升產(chǎn)品豐富性和靈活性。5G 專網(wǎng)屬于典型的“集成+運(yùn)營”類產(chǎn)品，集成服務(wù)包括無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、自服務(wù)管理平臺(tái)以及勘查設(shè)計(jì)、集成安裝等服務(wù)。運(yùn)營服務(wù)包括頻譜占用、定制開發(fā)及服務(wù)、運(yùn)維服務(wù)、知識(shí)轉(zhuǎn)移與培訓(xùn)、號(hào)卡服務(wù)等。5G 專網(wǎng)可根據(jù)客戶需求及專網(wǎng)類型，靈活組合集成及運(yùn)營服務(wù)。

3.2 專網(wǎng)項(xiàng)目部署模式

以5G 智慧礦山部署獨(dú)立式MEC 為例，在實(shí)際部署中MEC 設(shè)備部署在礦山機(jī)房中，礦山專網(wǎng)流量進(jìn)行本地卸載。企業(yè)注冊(cè)用戶可按企業(yè)定制需求訪問不同網(wǎng)絡(luò)，在兼顧企業(yè)專網(wǎng)和公網(wǎng)業(yè)務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)基于園區(qū)范圍的網(wǎng)絡(luò)隔離，保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和隔離性。如圖5 所示，公網(wǎng)用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)按照路由①執(zhí)行，專網(wǎng)按照路由②執(zhí)行。

圖5 5G礦山專網(wǎng)部署模式案例

該專網(wǎng)方案通過與公網(wǎng)核心網(wǎng)對(duì)接，滿足專網(wǎng)內(nèi)用戶訪問公網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。同時(shí)在機(jī)房建設(shè)MEC 邊緣云，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)流特征，將訪問本地網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流分流到本地業(yè)務(wù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量的本地卸載，避免流量迂回，降低用戶訪問時(shí)延。

3.3 5G專網(wǎng)應(yīng)用案例

3.3.1 5G智慧礦山

在礦山場(chǎng)景通過在地面部署本地核心網(wǎng)、MEC 設(shè)備，在井下建設(shè)IPRAN 環(huán)網(wǎng)、多模5G 基站為煤礦打造井下“一張網(wǎng)”的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供高速、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸能力，實(shí)現(xiàn)智能礦山的全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、協(xié)同控制功能。

如圖6 所示，智慧礦山通信網(wǎng)采用混合5G 專網(wǎng)方案承載生產(chǎn)類業(yè)務(wù)，在礦區(qū)部署獨(dú)享基站+UPF，并部署MEC 設(shè)備實(shí)現(xiàn)本地分流，具體建設(shè)內(nèi)容如表1 所示。

表1 某礦山5G專網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容

圖6 某礦山塔5G專網(wǎng)示意圖

3.3.2 5G智慧鋼廠

5G 工業(yè)專網(wǎng)建成后，平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延將低于15 ms，數(shù)據(jù)傳輸速率將提升百倍，相當(dāng)于在工業(yè)園區(qū)搭建了一條“無線信息高速公路”，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)控等應(yīng)用。5G 智慧鋼廠的方案中結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，著力解決鋼鐵冶煉生產(chǎn)中的信息化應(yīng)用等方面的問題。根據(jù)客戶需求，生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)景采用獨(dú)立5G 專網(wǎng)方案，辦公生活場(chǎng)景采用混合5G專網(wǎng)方案。如圖7所示，室外部署宏站設(shè)備，與中國聯(lián)通大網(wǎng)共享使用；室內(nèi)部署室分設(shè)備，客戶獨(dú)享。客戶側(cè)部署一體化獨(dú)立核心網(wǎng)網(wǎng)元，通過MEC 設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地分流。方案建設(shè)內(nèi)容如表2所示。

表2 5G工業(yè)專網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容

圖7 5G工業(yè)專網(wǎng)示意圖

3.3.3 5G智慧港口

5G 網(wǎng)絡(luò)為港口高清視頻回傳提供了大帶寬保障，為設(shè)備遠(yuǎn)程控制提供了低時(shí)延保障，在滿足港口通信業(yè)務(wù)的同時(shí)，可以有效解決港口布線復(fù)雜、成本高的問題。如圖8 所示通過在港口部署MEC 邊緣云實(shí)現(xiàn)視頻流、控制指令等業(yè)務(wù)流本地卸載，既保證了港口運(yùn)營數(shù)據(jù)安全性，更進(jìn)一步降低了業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延。

圖8 中國聯(lián)通智慧港口示意圖

根據(jù)客戶需求，中國聯(lián)通為其量身定做5G 專網(wǎng)+MEC+CPE 解決方案，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用本地化、內(nèi)容區(qū)域化和計(jì)算邊緣化。此方案實(shí)現(xiàn)了港口設(shè)備全連接、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)控制，大幅提高了港口設(shè)備的操作靈活性和工作效率，提升了港口作業(yè)自動(dòng)化程度，減少了港口作業(yè)人員數(shù)量，降低了港口的勞動(dòng)成本和作業(yè)安全隱患。

4 結(jié)束語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)著運(yùn)營商提供差異化、定制化、融合管理的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以此確保行業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)高效率并行、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全以及網(wǎng)絡(luò)管理的自主便捷。5G專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)定制、業(yè)務(wù)隔離、客戶自服務(wù)等新能力滿足垂直行業(yè)高度個(gè)性化、碎片化的需求，推動(dòng)行業(yè)深層次變革?？偟膩砜?，行業(yè)的智能化升級(jí)對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的需求是非常明確的，包含了多業(yè)務(wù)承載、低時(shí)延控制、安全保障等特征。不同的應(yīng)用場(chǎng)景具有不同的網(wǎng)絡(luò)要求，這與行業(yè)的特征有關(guān)，也與客戶定制化相關(guān)。對(duì)于5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和商業(yè)模式的彈性化提出了更高的要求?，F(xiàn)階段，礦山、制造等重要行業(yè)場(chǎng)景具備了商用的條件，在應(yīng)用落地中證明了5G專網(wǎng)是最佳的解決方案。