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行业客户5G专网部署主要决策问题分析

2021-03-30廖晓红

广东通信技术 2021年1期
关键词:专网频谱运营商

[廖晓红]

从2019年起,全球移动通信行业有了广泛共识,即移动网络需要新的连接模式,这就是正在兴起中的专用移动网络(private mobile networks,简称移动专网),初期主要基于4G技术,目前正向4.9G/5G过渡。严格来说,移动专网并非新概念,其在一些小的利基市场已经存在10-20年,比如铁道部门就曾部署过2G专网系统GSM-R,专用于铁路的日常运营管理。不过,业界今天所讨论的移动专网,不再是仅仅针对利基市场的局域联网技术,而是成为了几乎与公共移动网络相提并论的可规模化的新的连接解决方案。这主要得益于行业客户加速数字化转型对高性能网络连接的需求拉动、监管部门开放本地或行业性频率授权而形成的供给驱动以及云化5GC、企业级基站和自动化运维等的技术使能。

越来越多的行业机构,包括大型企业、政府部门、IT解决方案提供商、行业专业公司、城市管理部门、交通枢纽以及其他部门等,都在考虑部署、运营和拥有自己的移动网络。那么行业客户在准备投资5G移动专网时,需要考虑哪些关键问题呢?本文对此进行了梳理,主要涉及三个方面,即是否需要部署5G专网、怎样部署以及如何发挥专网价值。

1 是否需要部署5G专网

行业和企业在向工业4.0或数字化转型的过程中,当现有网络连接无法满足业务发展转型需要时,需要考虑部署移动专网。具体情形有5种:

(1)工厂和设施处在公共网络覆盖范围之外,比如电厂、天然气厂、矿场等,一般位置比较偏,部署移动专网可以提供自动化操控能力;

(2)工厂和设施处在公共网络覆盖范围之内,但公共覆盖不足、存在盲区,如机场、港口和工业园区等;

(3)企业对网络连接有特殊技术要求,公共网络无法满足。比如工业物联网下某些制造业场景,对可靠性要求特别高,有些区域设备密度高,对数据上行下行速率都有较高要求,还有对网络吞吐量和时延有特别要求的,通常只有移动专网才有比较大的确定性可以满足;

(4)企业特别关注流量控制和数据安全,希望能够自主确定允许/禁止在其场所内进行网络访问,以保持数据主权或实现数据隔离;

(5)需要替代或增强现有网络服务,比如集群通信上的紧急服务、用于工程运营的传统无线网络,甚至宽带服务的增强等。

以上5种情况出现时,企业可以考虑部署5G专网。但最终决策还需要看5G专网部署成本以及5G专网带来的价值,即评估其经济可行性。专网成本与部署方式及运营模式有关,而专网价值则与专网应用领域和方式有关。

2 如何部署5G专网

这个问题通常是指专网的架构设计和部署模式。此处拓宽一点,从专网部署和运营涉及的关键要素包括频率、资产所有权、组网模式、运营主体、合作伙伴等角度来解释企业部署5G专网时面临的多种选择,以便企业更容易理解多种可能性、确保找到符合其个性化需求的专网方案。

2.1 接入什么频率

频率选择包括两个方面即频段和授权。

5G在低、中、高频段均可部署,不同频段具有不同性能和特点:

(1)中低频段(1~6 GHz)在室内环境中运行良好,能够在传输点相对较少的情况下实现广泛覆盖;

(2)毫米波频段(24~29 GHz、37~43.5 GHz及66~71 GHz)具有较高网速和较低延迟,信号更容易保留在建筑物内,可以减少对宏移动网络的干扰,但与中频段相比,需要更加密集部署;

(3)低频段(600~700 MHz)覆盖半径大,信号穿透性好,用于广覆盖和深度覆盖,但数据传输速率低,部分5G新技术无法使用。

频谱授权大致分成3种类型:

(1)独家授权:单一机构独家接入某些频段非常普遍,例如移动网络、固定微波中继器、广播机构、卫星接入和政府部门如军用无线电和雷达等。

(2)共享授权:允许多个用户使用特定频率,常见的是按地理区域分配,如德国为工业4.0应用分配3.7~3.8 GHz,截至9月底已颁发70多个许可证,包括奥迪、德国展览公司、弗劳恩霍夫研究所、华为杜塞尔多夫欧洲总部、罗德与施瓦茨、蒂森克虏伯、奔驰(Mercedes)等。

(3)非授权频谱:除关于电力和天线选址的基本规则外,基本上“对所有人开放”,如2.4 GHz和5.0 GHz是全球公开通用使用的频带,主要用于无线局域网和蓝牙等,还有如民用对讲机、医疗和汽车应用等也常使用非授权频带。

大多数情况下,企业应选择授权频谱来部署5G专网,因为只有授权频谱才能更有效地保证网络质量和服务等级。这通常需要与拥有授权频谱的伙伴(主要是电信运营商)合作。频谱拥有者有三种选择:

(1)向企业出租频率,可以限定区域、时间或者特定应用;

(2)将频率作为连接服务的一部分提供,频谱拥有者拥有设备及运营网络;

(3)对特别想拥有自己网络资产的客户,也可以将频谱与网络托管服务一起提供,或者提供频率和网络资产给客户,客户自己运营网络。

当然也可以选择非授权频谱来部署5G专网。R16中专门谈到5G NR-U,即工作于非授权频谱的5G NR,有两种模式:LAA NR-U(授权频谱辅助接入NR-U)和Stand-alone NR-U(独立NR-U)。前者将运营商的NR授权频谱作为锚点来“聚合”非授权频段,以利用未授权频谱资源增强运营商网络容量和性能,尤其适用于一些人群集中的室内场所,比如体育馆和购物中心等;后者不需要授权频谱做锚点,可完全独立地在非授权频谱上部署单个5G接入点或5G专网。

2.2 选择哪种资产模式

专网资产主要包括网络设备和网络软件。企业在部署5G专网时,有两种资产所有权模式可选,一是以CAPEX为中心的模式,即企业自己购买及拥有所需要的网络资产,一是以OPEX为中心的模式,即依赖拥有网络资产的运营商或者第三方提供商,以支付租费和服务费的方式运作。

投资动机对选择网络资产最佳所有权模式有重要影响,企业在考虑这一选择时需要回答几个问题:

(1)网络是专用于服务于企业自身需求,还是用来提供专有和公共应用?

(2)影响投资决策的主要是专有需求还是公共需求?

(3)企业与服务提供商就投资范围、时机和规模是否达成了共识?

(4)网络是否需要承载来自多个网络服务商的服务?

对以上问题的回答决定采取资产模式还是成本模式更为合适,这意味着服务提供商和企业都存在多种可能选择。如果双方都不希望拥有网络资产,也可以考虑引入纯粹的资产提供商。

2.3 选择哪种网络架构和部署模式

网络架构和部署模式主要与需求相关。一般先梳理企业网络连接需求,将需求转化成应用场景(用例),多种场景组合起来决定架构选项。

企业移动网络需求分为两类,一类是公共网络需求,为员工和访客等个人用户提供连接服务,如移动电话、手提和电脑等;一类是专用网络需求,服务于企业内部业务流程,对外部互动是关闭的。

因此,企业端移动网络建设,需要考虑公共网络和专用网络的混合使用。公共网络改善重点是室内覆盖和容量,以及消除室外覆盖盲点。专用网络可能是离散和孤立的网络,并不一定需要与广域移动网络连接。具体部署方式有3种:

(1)独立模式:即5G专网是纯粹私有网络,物理上与公网完全隔离。企业基于自有5G专网频段或者租用运营商的授权频段甚至基于非授权频段,自建一张包括UDM、5GC CP、UPF、MEC和gNB的5G移动专网,无线网和核心网均部署于企业现场,并与分布式云平台相连接。当然,独立专网也可以由运营商帮助建设和运营;

(2)混合模式:即5G专网共享5G公网的部分设施,两部分进行逻辑隔离。这里存在多种方式,无线部分共享,核心网有多种部署和运营方式;

(3)网络切片方式:把5G公网分成多个虚拟端到端逻辑网络,在切片上提供MEC满足企业需要,这是运营商最希望采用的专网服务提供方式。基本形式是,定义两个大网络切片:一个专用、一个是基于现场的公用网络。也可以分得更细,服务于某类应用场景,比如增强移动宽带切片与物联网切片分开。不过,5G网络切片目前还处在技术实现和商业模式创新的早期阶段,其规模化部署尚待时日。

举例来说,如果专网应用需求主要是操作自动化,如远程挖掘,那么采用独立专网模式将是合理选择,即在客户场所部署专用网络的所有组件;如果除本地覆盖外,还需要连接到主干网,那么可以考虑混合架构,即无线网和部分服务基础设施部署在客户现场,核心网和部分服务基础设施部署在运营商网络上;当需要覆盖全国范围时,如应急服务,通常采用与客户场所隔离的架构。

具体选择哪一种组网模式,需要对多种因素进行权衡比较,包括应用场景组合等需求因素,服务可用性和支持成本等运营因素,以及隐私、安全和控制等声誉因素。

2.4 选择谁来管理和运营网络

企业通常依赖网络运营伙伴来获得移动网络和局域网服务,前者由运营商在授权频率基础上提供,后者由系统集成商在托管服务基础上提供。二者网络管理模式存在差异,蜂窝移动服务提供从用户端设备到移动核心网络端到端的管理服务,而无线局域网服务则依赖于两个网络域:用户端设备是无线网络,企业端设备是以太网/IP VPN。

5G专网的引入开启了新的机会。5G专网既可以由电信运营商管理、企业专用或者共享,也可以由企业自行建设和运行一个专为自身业务所用的无线网络,或企业建设网络、运营外包给移动网络运营商或系统集成商等。

2.5 如何选择合作伙伴

最合适的移动专用网络合作伙伴不仅提供技术功能,还应提供支持企业特定用例的产品功能、商业模式和支持模型。

电信运营商当然是优先选择,不仅因为其在移动网络建设和运营管理方面的丰富经验,更重要的是他们所拥有的丰富的频谱资源,这可以成为重要的差异化因素。有些场景需要不同的频率组合,而单一频率的局限性比较明显,比如室内连接、延伸区域、极高的下载速率或者透墙传输能力等等,这使得有广泛频率的运营商更有吸引力。

由于某些国家(如德国)管制放松,企业可以获得自己的频率许可证或使用非授权频谱。这时企业可以委托系统集成商或网络设备提供商来部署5G专用网络。此处需要了解的是,使用未经认证的频谱的主要风险是,企业要实现的用例可能没有最初所希望的可靠性。

此外,像亚马逊网络服务BubbleCloud这样的超级互联网公司也提供了移动专网解决方案。2018年11月,亚马逊与Federated Wireless、Ruckus Networks和Athonet合作,提供基于CBRS的云私有LTE网络解决方案。其中Athonet是第一家在亚马逊平台上销售核心网产品的初创公司,其云原生核心网BubbleCloud部署于AWS云,部分功能下沉到边缘节点(Edge Node),边缘节点连接管理基站(RRU)。用户在亚马逊平台上购买核心网服务、边缘节点和SIM卡,就可快速、方便地部署应用于工业物联网、企业、智能城市、智能电网和车联网等领域的移动专网。类似BubbleCloud这样的基于云和软件的专网解决方案提供商越来越多,正在成为有竞争力的选择。

从咨询公司Heavy Reading年初对81家企业客户的调查来看,48%的被访者认为专网项目将由运营商主导、设备商和系统集成商参与,32%认为三者将是平等的合作伙伴,11%支持设备商主导,6%认为集成商也可以主导。当问到企业更愿意选择哪种专网部署和运营模式时,27%选择“运营商、设备商、集成商联合”,选择“由设备商和集成商提供和管理”、“由运营商提供和管理”以及“由企业独立部署和运营”的各占22%。这说明,在专网服务提供方面,运营商还是处在相对优势地位,但情况正变得复杂。

3 如何发挥5G专网的价值

5G核心价值在于赋能垂直行业的数字化转型。爱立信在一份白皮书中说到,数字化转型可以通过提高产量和质量带来2~3%的收入增长,通过提高资本效率和降低制造成本节省9~18%的成本。这些数据显示了以5G专网+云+AI为代表的新一代数字技术给企业带来的初步价值,我们认为这仅仅只是开始。

本质上看,5G专网是支撑企业运作的新一代网络信息基础设施。其提供价值的理想状态是,借助5G大带宽、高可靠、低时延、海量连接等技术特性,融合多种网络技术包括MEC、物联网、TSN等(我们称之为“以5G为核心的网络集聚”),并与多种数字技术如云计算、AI、大数据、机器人、AR/VR等交叉赋能(我们称之为“以5G为核心的数字能力集聚”),共同构建超级连接的新型技术应用生态。基于这一超级连接生态所提供的能力,企业构建自身的运营模型、服务化产品和商业模式,实现各种生产要素的完全连接和实时智能交互,在生产力、敏捷性、创新性方面获得巨大的竞争优势。

我们把上述那种理想状态称作“5G网原生”,既可以用来描述那些架构在高性能连接之上的单一的终端、设备、产线、车间、工厂以及类似无人驾驶挖掘机、飞机表面质量检查系统等的连接型产品和应用系统,也可以用来描述主要架构在高性能连接之上的更大范围更综合的自动智能化应用系统和生态体系。

当5G专网不局限在组网和连接层面提供管道式基础设施,而是进一步与架构其上的对象融合成一个密不可分的有机整体,即用来承载“5G网原生”型应用场景、应用产品、应用系统甚至应用生态时,5G专网就发挥了其最大的价值。这时,对行业和企业而言,5G专网就不再是一种纯粹的成本因素,而是不可或缺的生产力因素和价值创造动力。

要实现“5G网原生”的理想状态,企业从一开始就应该将5G专网所提供的能力视为一种生产力要素,纳入到企业有关商业模式、业务流程和业务系统的整体设计中去,实现5G专网与行业运营技术(OT)、IT系统、工业IOT平台以及产品与服务的有机整合,促使5G网络能力无缝地融入到行业生产、流程自动化、流程可视化、人机交互、物流转运、仓管等运作流程中去。

从实践的角度看,企业可以选择在5G专网上运营一些关键业务系统,然后逐步扩展。例如,一个汽车工厂,可以从基于5G专网的大规模物联网(mMTC)应用开始,以连接成群的工业物联网传感器到企业云,使能制造设备和制造流程的数字化和可视化;然后部署超可靠低延迟通信(uRLLC),以支持基于虚拟现实的支持工具和控制工业机器人,将制造流程进化到更自动化运作的环境中去;此外,企业可能希望将服务范围扩大到工厂以外的车辆,首先是经销商,然后是车辆的私人所有者,以进行售后性能监控。

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