5G專網(wǎng)為“江南皮革廠”帶來了什么？
今年6月底，通信領(lǐng)域迎來了一個重磅消息，負責(zé)制定5G通信標(biāo)準(zhǔn)的國際組織3GPP公布了Release 16的5G標(biāo)準(zhǔn)，這也是5G的第二版標(biāo)準(zhǔn)。如果說5G的第一版標(biāo)準(zhǔn)Release 15主要面向的是消費者市場，那么5G的第二版標(biāo)準(zhǔn)則是將5G網(wǎng)絡(luò)的邊界拓展到了垂直行業(yè)，是面向工業(yè)的5G。那么這些標(biāo)準(zhǔn)將如何賦能工業(yè)企業(yè)，滿足企業(yè)主的需求呢?本文試圖從一個制造業(yè)企業(yè)“江南皮革廠”的實際需求出發(fā)，看5G R16標(biāo)準(zhǔn)是如何讓傳統(tǒng)企業(yè)乘風(fēng)破浪的。
3GPP R16凍結(jié)
3GPP Release 16標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)于今年6月底完成，最后的總結(jié)報告也在7月31號上傳到了FTP[1]。此前，2019年完成的R15 5G標(biāo)準(zhǔn)，主要是面向消費者市場，針對智能手機等產(chǎn)品提出了一系列eMBB的增強特性，使用戶可以感受到1Gbps的超高速體驗。這次的R16標(biāo)準(zhǔn)所定義的內(nèi)容，除了對R15已有特性的增強外，更令人關(guān)注的是為了滿足垂直行業(yè)需求所定義的新技術(shù)。有了這些關(guān)鍵技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)的邊界得到了進一步的拓展，5G的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，也將會從單一服務(wù)普通消費者的to C網(wǎng)絡(luò)，逐漸擴展到to B的垂直行業(yè)專網(wǎng)。
面向垂直行業(yè)的新特性
以下是R16中所給出的新特性：
- Enhancement of Ultra-Reliable (UR) Low Latency Communications (URLLC)
- 5GS Enhanced support of Vertical and LAN Services
- Cellular IoT support and evolution
- Advanced V2X support
- 5G Location and Positioning Services
- UE radio capability signalling optimization
- Satellite Access in 5G
- Enablers for Network Automation Architecture for 5G
- Wireless and Wireline Convergence Enhancement
- Mission Critical, Public Warning, Railways and Maritime
- Streaming and TV
- User Identities, Authentication, multi-device
- (Network) Slicing
- Other cross-TSG Release 16 Features
- NR-related Release 16 Features
- Release 16 Features impacting both LTE and NR
- LTE-related Release 16 Features
其中和5G垂直行業(yè)密切相關(guān)的特性有：
(1)Enhancement of Ultra-Reliable (UR) Low Latency Communications (URLLC)
< 1毫秒的超低空口時延，加上99.9999%的超高可靠性，為5G遠程醫(yī)療、工業(yè)自動化控制、遠程教育、V2X等場景提供了解決方案。
(2)5GS Enhanced support of Vertical and LAN Services
對垂直行業(yè)和局域網(wǎng)的增強為企業(yè)的對通信的及時性需求和數(shù)據(jù)的保密性需求提供了可能。
(3)5G Location and Positioning Services
基于5G的定位服務(wù)，使用5G網(wǎng)滿足垂直行業(yè)對定位的需求，并不需要額外部署其他定位服務(wù)。
(4)Satellite Access in 5G
滿足部分企業(yè)對衛(wèi)星通信的需求。
(5)(Network) Slicing
基于網(wǎng)絡(luò)切片的端到端資源隔離網(wǎng)絡(luò)，用來滿足垂直行業(yè)中不同應(yīng)用與應(yīng)用間的隔離需求。
但是3GPP的這些特性是否能夠滿足垂直行業(yè)，特別是一些制造業(yè)企業(yè)的需求呢?下面就著重來談一談5G LAN和NPN這兩個特性能為傳統(tǒng)制造企業(yè)“江南皮革廠”帶來什么。
現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的不足
傳統(tǒng)企業(yè)現(xiàn)有的工作網(wǎng)絡(luò)，通常工作在非授權(quán)頻段，一般以Wi-Fi，藍牙，RFID射頻、工業(yè)無線技術(shù)為主，存在網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定、終端移動性差、覆蓋有限等問題。由于這些系統(tǒng)來自不同供應(yīng)商，并在不同的時期進行部署，也會遇到后臺無法連通，頻段存在干擾等問題。此外，制造業(yè)工廠一般地理位置處在郊區(qū)地帶，4G/5G的蜂窩網(wǎng)絡(luò)本身覆蓋不足，又因為廠房、設(shè)備導(dǎo)致屏蔽嚴(yán)重，使得廠區(qū)內(nèi)的信號質(zhì)量進一步下降，因此授權(quán)頻段也存在覆蓋弱、性能差等問題。
現(xiàn)有廠區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)存在問題：授權(quán)頻段不穩(wěn)定，非授權(quán)頻段干擾嚴(yán)重、覆蓋弱
R16通過定義獨立專網(wǎng)(SNPN，Standalone Non-Public Network)，工廠可以定制從基站，核心網(wǎng)，到管理系統(tǒng)的一整套方案，自成體系，并獨立于運營商公眾網(wǎng)絡(luò)。專網(wǎng)通過分配NPN ID給NPN網(wǎng)絡(luò)，RAN(Radio Access Network，無線接入網(wǎng))廣播PLMN(Public Land Mobile Network，公共陸地移動網(wǎng))+ NPN ID?；贜PN ID，可以進行小區(qū)、網(wǎng)絡(luò)選擇和接入控制，并通過網(wǎng)關(guān)以非3GPP方式和公眾網(wǎng)互通，使得園區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)性能可控，并與外部網(wǎng)絡(luò)硬隔離。
擁有獨立NPN ID的專網(wǎng)部署形式，可以通過防火墻連接公眾網(wǎng)絡(luò)，使得專網(wǎng)用戶可以同時訪問公眾網(wǎng)絡(luò)
此外，R16還定義了非3GPP接入(Non-3GPP Access)，通過定義TNGF(Trusted Non-3GPP Gateway Function，可信任非3GPP接入網(wǎng)關(guān))和N3IWF(Non-3GPP InterWorking Function，非3GPP互通功能)， 使得非3GPP的網(wǎng)絡(luò)(例如WI-FI或是有線網(wǎng))可以接入5G核心網(wǎng)，將多張分割的網(wǎng)絡(luò)由5G核心網(wǎng)統(tǒng)一進行鑒權(quán)、計費和移動性管理，并對工廠已有設(shè)備做統(tǒng)一管理。
用戶通過非3GPP網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)通過N3IWF接入5G核心網(wǎng)
獨立ID，獨立鑒權(quán)、計費系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)干擾可控，性能和覆蓋得到保障 保密與跨地域組網(wǎng)需求
保密與跨地域組網(wǎng)需求
電信產(chǎn)業(yè)的競爭力來源于專利，是一種以公開換保護的策略;而在制造業(yè)中，核心競爭力往往來源于Know How的商業(yè)秘密，這類商業(yè)秘密通常不復(fù)雜，但是人無我有的技術(shù)壁壘卻能顯著提高生產(chǎn)力、降低生產(chǎn)成本，直接為企業(yè)帶來利潤，因此是各個企業(yè)需要嚴(yán)密保護的對象。為了竊取商業(yè)機密引發(fā)的案件[2]也層出不窮，甚至出現(xiàn)了董事長偷拍專利產(chǎn)線的事件[3]，因此各類企業(yè)一般都會禁止在車間內(nèi)使用通信設(shè)備[4]，這會為員工的協(xié)作帶來一定的障礙，從而提升溝通的成本。此外大型企業(yè)往往不止一個生產(chǎn)地點，因此在多個廠區(qū)之間形成互聯(lián)互通的5G專網(wǎng)也是企業(yè)主的基本需求。
多個園區(qū)通過N19接口互聯(lián)[5]
R16引入的5G LAN作為解決這一問題的特性，通過5G接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的支持，使得多個園區(qū)間可以構(gòu)建專屬局域網(wǎng)，通過N19接口實現(xiàn)企業(yè)不同車間、不同工廠之間跨地域協(xié)作，組成廣域?qū)＞W(wǎng)，統(tǒng)一的核心網(wǎng)控制用戶的接入、鑒權(quán)、計費和移動性管理，保證多個園區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一，并且與外部網(wǎng)絡(luò)做到有效的隔離。
5G LAN保證多個園區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，通過核心網(wǎng)控制用戶的接入、鑒權(quán)、計費和移動性管理
專網(wǎng)頻譜和使用現(xiàn)狀
上述的NPN獨立部署場景需要廠區(qū)擁有專網(wǎng)頻段，這部分頻段在國內(nèi)尚未確定。但是制造業(yè)強國德國早已先人一步，德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局在2019年11月開啟了本地5G頻段的申請，將為本地5G網(wǎng)絡(luò)提供3.7-3.8GHz頻段，用于工業(yè)4.0、農(nóng)業(yè)及林業(yè)。這個計劃初期旨在為企業(yè)提供一個10年的頻段使用許可。本地頻譜的使用費用的公式為[6]：
- 費用 = 1000 + B * t * 5 * (6a1 + a2)
其中，費用的單位為歐元，1000歐為基礎(chǔ)費率，B表示以MHz為單位的帶寬(最小10、最大100 MHz)，t為分配期限(以年為單位)，a1和a2是使用的區(qū)域面積，以km² 為單位，a1和a2分別表示居住及交通區(qū)域和其他區(qū)域。
從公式中可以看出，基礎(chǔ)使用費率比較低，但費用隨著使用頻帶寬度、覆蓋面積的增加而逐漸增加，這種計費方式為初創(chuàng)公司和中小企業(yè)降低了門檻;同時費用和使用時長呈線性關(guān)系也有助于企業(yè)適時接入，從而降低費用。最后將居住區(qū)與其他區(qū)域(郊區(qū))分別計費(前者是后者的6倍)，也傾向于讓企業(yè)避開覆蓋密集地區(qū)進行組網(wǎng)，降低頻譜協(xié)調(diào)難度，提高頻率利用率。
在推出這項政策之后，已經(jīng)有博世、寶馬、大眾汽車、巴斯夫(BASF)、漢莎航空等33個公司申請了5G專網(wǎng)頻譜[7]，并開展了以下業(yè)務(wù)：
- 寶馬在其巴伐利亞州的一個園區(qū)建立了5G專網(wǎng)，并由德國一家電信軟件公司M3connect GmbH設(shè)置網(wǎng)絡(luò)并建立實驗室去測試不同供應(yīng)商的設(shè)備。
- 漢莎航空的維修子公司漢莎航空技術(shù)公司(Lufthansa Technik AG)和運營商沃達豐(Vodafone)合作，建立了用于遠程發(fā)動機監(jiān)測和遠程3D機艙設(shè)計的5G專網(wǎng)。相比于公眾網(wǎng)絡(luò)，專網(wǎng)擁有更高的安全性和可配置能力，使得公司可以靈活的為不同項目調(diào)整帶寬和上下行傳輸配比。
- 化工巨頭巴斯夫(BASF)正在討論建立5G專網(wǎng)，并在2020年年底之前決定哪些網(wǎng)絡(luò)由運營商或是設(shè)備供應(yīng)商進行管理，該5G網(wǎng)絡(luò)將主要用于生產(chǎn)設(shè)施和物流。
- 大眾汽車希望在帶寬密集型工廠配置5G專網(wǎng)，比如其位于沃爾夫斯堡的工廠，此處擁有5000臺連接到internet的機器人。后期大眾希望也使用5G來協(xié)調(diào)生產(chǎn)機器人和無人駕駛汽車，同時實時傳輸大量數(shù)據(jù)。
在國內(nèi)，目前分配給垂直行業(yè)使用的頻譜還在研究中，企業(yè)只能使用運營商頻段進行組網(wǎng)，例如中國移動的的專網(wǎng)頻段n79 (4.8-4.9GHz)。此時專網(wǎng)的部署形式就無法使用上述的NPN獨立部署模式，而只能使用基于運營商網(wǎng)絡(luò)的部署模式，例如共享基站的Shared radio access network，共享基站和控制面的Shared radio access network and control plane和基于公眾網(wǎng)絡(luò)的NPN hosted by the public network，具體細節(jié)可以在[8]中找到。
R16之后
R16標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)，為5G專網(wǎng)的建立提供了技術(shù)保障。3GPP為垂直行業(yè)提供了一個高屋建瓴的視角，然而如何用這些技術(shù)滿足企業(yè)需求，并與企業(yè)原有的OT，IT，CT系統(tǒng)對接，為企業(yè)做到真正的降本增效，卻是任重而道遠。一如普通企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，5G專網(wǎng)的發(fā)展，對工業(yè)企業(yè)、電信運營商、及整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)的影響也將是巨大的。
期待5G專網(wǎng)真正有效的為企業(yè)做到降本增效
最后
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參考文獻
[1] 3GPP, 22.261, Summary of Rel-16 Work Items, http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/21_series/21.916/21916-050.zip
[2] 楊漾，澎湃新聞，"遠景能源回應(yīng)前員工涉竊取商業(yè)機密：法院判定系個人行為, " https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_8043318
[3] 蔣佩芳, 國際金融報, "翻墻進同行廠區(qū)盜拍專利產(chǎn)線，中電電機前董事長被扭送派出所, " https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7046500
[4] 薛京律師, 知乎專欄，"能否辭退進車間帶手機的員工?" https://zhuanlan.zhihu.com/p/136352928
[5] 3GPP, 23.501, System architecture for the 5G System, http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.501/23501-g51.zip
[6] Jochen Homann: "Kick-off for 5G local campus networks strengthens Germany as a location for business and investment," https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/EN/2019/20191031_LokalesBreitband.html
[7] Catherine Stupp, "German Industrial Firms Plan to Build Private 5G Networks," https://www.wsj.com/articles/german-industrial-firms-plan-to-build-private-5g-networks-11586191739
[8] 5G ACIA, "5G Non-Public Networks for Industrial Scenarios," https://www.5g-acia.org/fileadmin/5G-ACIA/Publikationen/5G-ACIA_White_Paper_5G_for_Non-Public_Networks_for_Industrial_Scenarios/WP_5G_NPN_2019_01.pdf
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