5G专网场景需求与关键技术分析

1 引言

5G专网，称为local 5G network，或者private 5G network，指专用于特定行业或企业的移动通信网络。5G主要面向政企市场，行业需求催生行业专网市场需求不断攀升，政企行业专网成为大势所趋。

据统计，全球私有专网（LTE/5G）市场规模在2018年超过20亿美元，预计在2019年至2026年之间的复合年增长率将超过30%。2020年全球5G专网市场规模估计达到9.197亿美元，据预测，2025年行业专网支出将5G公网规模的18%，2036年全球5G专网支出将首次超过5G公网。[1]

目前全球5G频率规划和许可工作进展迅速，德国、英国、日本等国家规划了区域5G频率，多家企业、设备制造商以及系统集成商积极申请频率建设区域5G专用网络。5G专网市场已经启动，运营商、通信设备制造商、云服务提供商、软件提供商纷纷结合自身优势开始布局这一领域。[2]

2 行业专网发展历程

5G专网本质上是行业专网技术的更新升级，行业专网是指在一些行业、部门或单位内部，为满足其进行组织管理、安全生产、调度指挥等需要所建设的专用通信网络，主要包括政务、公安、交通、电力、石化、钢铁、港口、森林、政务、金融等行业专网，以及应急专网等。

专网通信技术从窄带模拟集群通信、窄带数字通信，逐渐向宽带数字集群通信发展，能够支持语音集群、视频调度、移动图像等业务。由于行业特点鲜明，规模较小、投资分散，专用设备及终端价格高，因此进入壁垒较高。传统专网技术、业务、产品迭代速度较慢，整体处于2G水平；部分行业，如政务、公安、电力、石化、铁路等已应用4G LTE专网。随着大数据、物联网等技术和工业互联网、车联网发展，LTE及Wi-Fi无法满足对安全性、可靠性、可控性、低时延、抖动、连接密度、速率和定位精度等性能要求更高的专网场景。[3]

从政策环境来看，国家大力支持5G专网发展。2019年2月工信部发布《全国无线电管理工作要点》，要求提高频率使用效率，开展部分频段专网频率使用规划调整或许可，保障重点行业频率需求；2020年3月发布《关于推动5G加快发展的通知》，组织开展5G行业虚拟专网研究和试点，打通标准、技术、应用、部署等关键环节；提出“内网建设改造覆盖10个重点行业”、“打造一批5G+工业互联网内网建设改造标杆网络、样板工程；开展5G行业（含工业互联网）专用频率规划研究，适时实施技术试验频率许可。2020年7月发布《工业互联网专项工作组2020年工作计划》，依申请协调批复5G工业互联网专网频率试验使用许可，适时出台物联网、工业互联网频率使用指南。

运营商积极探索5G专网在垂直行业的应用，初步形成了较为完整的产品体系。中国电信于2019年开通5G云专线业务，发布六大5G行业云网方案；2020年11月发布“网定制、边智能、云协同、应用随选”的5G定制网解决方案，面向广域优先型、时延敏感型及安全敏感型政企客户分别提供“致远”“比邻”“如翼”三类定制专网服务模式。中国移动于2019年发布《5G专网研究报告》，2020年6月发布《中国移动5G行业专网技术白皮书》，7月发布5G专网产品、技术、运营三大体系与运营平台。联通在2020年8月发布《5G专网白皮书》。据统计，当前三大运营商在垂直行业已实施的5G专网重点项目以制造业、电力、港口等行业客户为主。

3 5G专网主要场景及客户需求

5G专网需求主要来自于由物联网传感器和大数据分析驱动的工业自动化，重点行业包括制造业、能源与公用事业、运输及物流、航空航天和国防、政府和公共安全、矿业、医疗、石油和天然气等，如图1所示。

图1 全球垂直行业5G专网市场份额（2020）

5G专网的主要应用场景包括以下几类。

（1）视频监控类、现场作业类业务：用于园区/厂区内安防监控、移动巡检、业务检测等领域；

（2）采集类业务（工业数据、传感数据采集）：联网终端多，用于环境检测、业务数据采集，通过后台对环境、业务运行状态分析，实现管理及运营智能化。

（3）远程控制类业务：用于支撑企业核心的生产运营，包括生产设备、维修机器人、AGV等远程控制，涉及业务操作的安全可靠与高效运营。

5G网络具备高带宽、低延迟、多接入的特点，但通常企业并不是同时需要这些业务特性。此外，部分企业希望可以获得对5G网络的所有控制权，以及高度的可靠性、安全性、隐私性等，公网无法完全满足这些特定需求。从行业用户角度来看，他们在发展行业应用过程中对专网提出如下需求。

（1）高安全：提供差异化的安全隔离能力，数据不出网、控制信息不出网。

（2）高性能：主要包括3项特性指标：大带宽：200 M以上带宽承载能力；低时延：20 ms以下的时延能力；大连接：百万～千万级的连接能力。

（3）轻量化：提供极简的配置模式，支持一键式安装模式。

（4）低成本：低成本的终端模组、低成本的网络设备、低成本的运维服务。

（5）网络协同：跨园区协同，不同园区之间可以互通；和大网协同，终端运行到专网覆盖范围外可以数据上网。

（6）定制化：包括网络能力可定制：可以依据具体需求定制网络功能，提供可灵活裁剪的网络能力；网络策略可定制：可以提供灵活的路由策略、QoS策略，便于企业进行业务网络保障；部署策略可定制：可以支持多类型的部署方式。

（7）自运营：包括网络管理：监测网络运行状态，动态调整网络资源；卡管理：在线开卡、远程写号、计费等；终端管理：能够监控终端状态，管理终端。

4 5G专网部署模式及关键技术

4.1 5G专网部署模式比较

目前业界基本上将5G专网部署模式分为独立专网、混合专网和虚拟专网三大类，不同模型的主要差异如表1所示。[4]

4.2 5G专网关键技术

5G专网，融合云原生轻量级5GC、定制基站、定制UPF、边缘计算、网络切片等核心技术，支撑5G专网研发，如图2所示。

图2 5G专网关键技术

（1）网络切片

网络切片是运营商为垂直行业提供5G行业虚拟专网的重要手段。根据网络现有能力，在不同切片等级内组合无线、传输、核心网和安全及运营等能力，匹配网络最有可能的部署策略。[5]

不同的垂直行业还会有各自的定制化需求，需要网络切片提供定制化能力，如支持Non-IP传输、支持时钟同步、支持设备高处理速度等，都可以在上述每种能力等级基础上额外叠加。

（2）定制UPF

UPF已逐渐从运营商的核心层走向行业客户的接入层。面向行业应用场景，需要轻量化、低成本、灵活部署的UPF。

聚焦行业应用（To B）场景，以“全集”UPF为基础，定义简单高效的“最简”UPF。通过最简UPF的功能满足高效灵活的部署，降低5G进入千行百业的门槛。满足行业差异化需求、探索功能定制的“增量”UPF。通过增量提升产业价值，同时避免碎片化的定制需求带来研发和维护成本的上升。可根据行业客户的需求按需支持以太网数据传输、头增强、白名单、重定向、Framed Routing、GRE/L2TP/IPSec隧道等功能。

表1 5G专网部署模式主要分类及差异比较

（3）云原生

云原生技术有利于各组织在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中，构建和运行可弹性扩展的应用，其代表技术包括容器、容器编排，微服务、智能运维、DevOps，这些技术的应用能够为行业专网提供快速部署的轻量级资源能力、基于服务的开发能力、资源管理编排能力、丰富的运维能力和快速迭代的定制化开发能力。

（4）轻量级5GC

轻量级5GC是指在标准规范基础上，对5GC功能进行充分解耦后，按照客户需求可进行定制化开发和灵活编排部署的5GC系统。轻量级5GC具备如下特点。

① 网元灵活裁剪：在基础5GC网元（UDM、AMF、SMF），可按需部署其他网元，满足多场景部署的多样化需求。

② 网元功能裁剪：在各网元基本功能基础上，可以按需定制化开发灵活提供其他功能。

③ 网元轻量级承载：采用云原生部署技术，基于轻量级虚拟化技术提供可快速部署的基础资源环境。

④ 多网协同：支持云边协同，云网融合，NB-IoT、4G、5G、卫星网等多网协同。

（5）定制化基站

按需定制专用基站，实现CU/DU分类，具备个性化、高性能、高安全、高隔离、资源独享等特点，能够满足重要2B场景的覆盖和容量需求。专用频率和专用帧结构，满足上行大带宽需求（上行峰值速率超过700 Mbit/s或更高），对于室内或封闭场景，可实现高效的干扰规避。

（6）边缘计算

边缘计算是面向行业和企业数字化转型的下一个超越连接的市场机会。运营商的边缘云基础设施需满足行业需求，管理多云模式下的边缘云。

业务场景通常涉及多种应用，要求网络在边缘位置提供超低时延和强大的处理、计算和存储能力。数据无需回传至网络中心，而是在本地完成处理、存储和下发。5G MEC技术还支持连接和计算集成，提高与最终用户的交互效率。

边缘计算最重要的移动网络功能包括：下行吞吐率、确定性通信、时延敏感性、隔离级别等。

5 总结

5G专网能独立实现企业所需的功能特性和服务定性指标，精准优化应用场景，更好支持生产及管理需求，安全性更高、企业对网络的自主性更强。当前5G专网已具备企业市场需求及政策环境支持，发展潜力巨大。但在网络部署、技术实现、运营运维以及行业融合等方面仍面临巨大挑战，包括如何综合考虑行业要求、业务需求及地域分布等因素定义专网部署架构；如何基于关键技术快速构建轻量级、弹性灵活、低成本的5G专网解决方案；运营运维服务能力如何清晰定义界面，并面向企业下发自主运营开发和自主管理权限；与行业原有系统和网络连接协议的自动转化、无缝对接等问题。后续需要深入探索实践，推进产品创新和价值创造，助力政企客户数字化转型。