5G时代行业专网的发展

范华敏（上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海 201100）

1 5G时代专网发展的需求分析

专网是服务特定的行业领域里特定用户群体的通信网络方案。在行业企业的发展过程中，专网的应用一直存在。通信专网发展到5G时代，行业专网随着时代发展以及经济需求的变化也开始有新的需求。首先企业的业务需要越来越敏捷，能尽快做决策，需要有创新。因此需要通信网络更加可管可控、安全、业务有自主性。如此丰富的能力要求，只有功能强大并且多样化的通信专网才能满足。之前碎片化、通用化的网络产品将暴露越来越多的弊端。通过分析发现5G 专网的优势将更侧重于满足以下3 个方面的场景需求。

a）支持覆盖特定区域，通过定制频段以及网络设计和优化，可以部署在封闭的场景。比如一些矿山地区，有特定的地下挖掘需求，要求通信信号网络覆盖能深达数百米。比如港口地区，地面车辆需要调配，需要网络能随时动态覆盖优化，支持强切换能力。

b）需要有个性化的能力，支持特定场景。这些通信能力包括严苛的时延、严格的隔离、可靠性、上行速率、数据安全、移动性等。比如港口的岸桥，一些堆场区域，就需要支持远程作业，时延要求小于20 ms等。

c）融合的专网，表现在需要与IT 网实现兼容互通，公网与专网要融合部署。

2 5G支持专网行业发展的技术性能力分析

随着3GPP 标准的发展完善，5G 服务于垂直行业的技术特色越来越鲜明。世界上主流运营商都对5G超低时延、更强的上行传输能力、5G 切片以及MEC 边缘部署、能力开放、安全等特性表示期待。本文也将重点分析这些支持专网多样化性能需求的技术实现。

2.1 uRLLC

uRLLC 是5G 的重要特性之一，3GPP R15 版本里定义了灵活的帧结构，5G 载波间隔可以灵活配置为15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz，间隔越大代表时延越低。5G NR 支持调整帧的结构，相较于LTE 系统固定的一个子帧包括2 个时隙，NR 可以灵活的在1、2、4个时隙中切换以及可以灵活配置上下行配比，使得时延大幅降低。表1 给出了uRLLC 在R15/R16特征技术实现比较。

表1 uRLLC在R15/R16特征技术实现比较

2.2 更强的上行传输能力

面向行业应用，将有大量的数据要通过上行链路传输。如高清视频、无人机采集的图像等，上行需要40M左右的传输带宽，需要大幅提升专网上行带宽，缩短时延，从而提升用户体验。业界主流的通信运营商和设备商也在积极探索，将FDD 和TDD 技术结合，并进行上下行互补，增加上行传输带宽。如中国电信的5G 频段主要是3.5 GHz，当采用TDD 模式传送上行数据时，低频段LTE 的2.1 GHz FDD 上行不传送数据。这样可以充分利用3.5 GHz 100 MHz 大带宽和终端双通道发射的优势提升上行吞吐率（3.5 GHz 100 MHz+终端双通道发射与FDD 20 MHz+终端单通道发射），同时确保每个通道最大发射功率达到23 dBm，提升3 dB 覆盖。当3.5 GHz 传送下行数据时，FDD 传送上行数据，从而实现了FDD 和TDD 时隙级的转换，保证全时隙均有上行数据传送。

2.3 5G切片

由于行业专网的差异性连接需求，需要5G网络具备灵活的弹性和适应能力。切片技术是一种能很好适应行业需求特征的端到端技术。在5G 通用网络基础设施上同时服务于不同的业务及用户，通过业务类型提供一个端到端的切片模板（基于相应的SLA 模板），基于一种切片模板创建多个切片实例。该技术对端到端网络的实施要求比较高，在专网领域里，可以有效采用切片的思想，结合运营商实际PLMN 的资源紧张情况，分阶段实施引入。

2.4 MEC边缘部署

MEC 是5G 网络典型服务能力之一，是运营商5G网络助力行业转型的关键技术。通过将应用能力下沉到边缘，给行业带来更低的处理时延，优化行业用户侧的边缘计算中心。根据业务场景和需求特点，MEC 将主要为高清视频、VR/AR 以及行业互联网的关键应用节省带宽和降低时延。MEC 在5G 中有如下2种部署方式。

方式1：与基站/网关集成部署，主要分布于智能家庭、车联网和工业控制端。

方式2：与CU/DU 协同部署，将随着运营商网络RAN侧云化，趋向于网络部署和业务应用的协同。

2.5 能力开放NEF

5G 通过开放网络能力，建立新的生态系统，征战行业市场。运营商将网络打造成一个开放的平台，通过API孕育创新业务。这是通信网络开放的一个很好的创举。在3GPP R15 中，NEF 作为5G 网络能力开放功能，面向AF（Application Function）提供8个标准能力开放服务，如图1 所示，可提供QoS 能力、事件监控、参数配置、设备触发、PFD管理、流量引导、背景流量以及策略计费等服务能力。3GPP R16 规范一方面对R15中定义的开放服务做了补充和增强，同时新增了NI⁃DD（Non-IP Data Delivery）、数据分析、网络状态、MSISDN-less MO 消息、IPTV 配置等能力开放服务。5G网络将抽象出更多的能力提供给业务应用层，这包括网络切片服务、边缘计算服务、位置服务、5G语音及消息、数据分析服务等。

图1 5G网络能力开放面向AF提供的标准能力开放服务

2.6 安全

行业通信网络升级的同时，用户对于数据的保密性、5G行业网络的安全性和隔离性等也提出了进一步的要求，不同的场景需要灵活的安全措施。5G网络往SDN/NFV 迁移，将带来新的安全挑战。比如，抵御网络攻击的健壮性、针对单独应用优化的安全机制、可变的鉴权和认证流程、自适应及智能化的安全等，为了减少整个5G 专网的安全隐患，实现切片隔离、身份盗窃、可信管理等，需要对UE、gNB、AMF、UDM、AUSF核心网等一系列网元做到安全保障监测及反馈处理。

3 5G行业专网落地场景总结分析

随着技术完善，5G 行业专网落地的商用进程将大大加快。运营商积极进行探索和测试，探寻落地场景，目前已有一些初步的探索和方向。表2 给出了运营商参与主导的3 种专网组网模式的对比分析。表3给出了行业场景的技术特点及适用的专网组网模式。

表2 3种专网组网模式的流程分析

表3 行业场景技术特点及适用的专网模式分析

4 5G重构行业数字化转型新生态

5G 时代会催生新的行业需求，用新的产品和服务去创建新的生态和模式。从千百个行业的发展来看，云化、智能化、效率化将催生出行业的流程、管理、运维的再造。下面以一个行业典型的工业企业为例来进行详细分析。

4.1 产业生态会发生变化

产品形态将变得更智能化，处理轻量化。数据将从本地处理转到云处理、从单点计算到全局化人工智能（见图2）。

图2 工业产业发生的行业专网化变化

4.2 企业运营模式会发生变化

企业从产品销售体系的架构慢慢转变成服务体系架构，从找客户到找服务，构建服务生态圈（见图3）。

图3 企业产品销售体系向服务生态化发展

4.3 从固态、有线向柔性、融合演进

5G 将会让标准化产线进行柔性化改造。行业融合也会呈现2 个阶段，从信息化能力提升增强到实现企业IT与OT的深入融合，网络实现扁平化架构。

5G 行业专网的目标是服务万千行业的智能化、融合化演进。从标准定义上5G 可以在各种频谱（授权/非授权）工作，也可以和各种接入媒介（TSN 以太网，Wi-Fi）共存和互补，与5G 核心网进行融合，为企业今后的各种连接性需求提供了最灵活和具有扩展性的多功能平台。在工厂行业的环境中，通过专网部署强大的系统集成和生态伙伴整合能力，将最有效地做好生态系统的隔离。5G 可以被企业视为“能够支持任何行业应用场景”的网络连接技术，将5G 网络和边缘计算结合可作为未来企业数字化的核心能力平台。

5 5G专网现阶段面临的挑战

目前企业对5G 的兴趣日趋增长，但从引入5G 到真正部署5G 专网，还需要一段时间，需要积极去排除设备和终端的发展造成的障碍。主要面临如下挑战。

a）5G 模组的价格偏高（见图4），TBR Research 预计5G 终端的丰富度将在2022 年赶上市场需求，从这个时间点开始5G专网市场将进入高速发展。

图4 5G模组的价格趋势（2019—2020）

b）缺乏5G 与行业融合的标准。表4 给出了现有行业标准的归口单位。5G 行业专网的实施落地需要和各行业深入合作，寻求行业标准及网络技术发展的目标架构的完善，这个过程需要时间也需要行业产业链的参与者一起努力。

表4 各行业标准的归口单位

c）5G 的生态链不成熟，合作伙伴少。初期5G 基础网络设备价格偏高，可选择的范围较小，支持的频谱少。

6 结束语

随着标准的完善和成熟，越来越多的功能将在5G专网里实现。2020 年7 月3GPP R16 stage3 冻结，3GPP R17 stage 3 也于2021 年9 月冻结。5G 局域网、5G敏感网络、5G位置服务增强、5G车联网、NPN网络、uRLLC 增强都将进一步地成熟普及，这些新功能都将直接促进垂直行业能力的拓展。在克服5G 发展初期行业普适面临的挑战后，为万物互联而生、为多技术融合而发展的5G 技术终将会促成百花齐放的行业应用大局面，开拓出5G连接社会的行业美景。