5G專網為“江南皮革廠”帶來了什么？
今年6月底，通信領域迎來了一個重磅消息，負責制定5G通信標準的國際組織3GPP公布了Release 16的5G標準，這也是5G的第二版標準。如果說5G的第一版標準Release 15主要面向的是消費者市場，那么5G的第二版標準則是將5G網絡的邊界拓展到了垂直行業，是面向工業的5G。那么這些標準將如何賦能工業企業，滿足企業主的需求呢?本文試圖從一個制造業企業“江南皮革廠”的實際需求出發，看5G R16標準是如何讓傳統企業乘風破浪的。
3GPP R16凍結
3GPP Release 16標準已經于今年6月底完成，最后的總結報告也在7月31號上傳到了FTP[1]。此前，2019年完成的R15 5G標準，主要是面向消費者市場，針對智能手機等產品提出了一系列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標準所定義的內容，除了對R15已有特性的增強外，更令人關注的是為了滿足垂直行業需求所定義的新技術。有了這些關鍵技術，5G網絡的邊界得到了進一步的拓展，5G的網絡形態，也將會從單一服務普通消費者的to C網絡，逐漸擴展到to B的垂直行業專網。
面向垂直行業的新特性
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垂直行業密切相關的特性有：
(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遠程醫療、工業自動化控制、遠程教育、V2X等場景提供了解決方案。
(2)5GS Enhanced support of Vertical and LAN Services
對垂直行業和局域網的增強為企業的對通信的及時性需求和數據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，使用5G網滿足垂直行業對定位的需求，并不需要額外部署其他定位服務。
(4)Satellite Access in 5G
滿足部分企業對衛星通信的需求。
(5)(Network) Slicing
基于網絡切片的端到端資源隔離網絡，用來滿足垂直行業中不同應用與應用間的隔離需求。
但是3GPP的這些特性是否能夠滿足垂直行業，特別是一些制造業企業的需求呢?下面就著重來談一談5G LAN和NPN這兩個特性能為傳統制造企業“江南皮革廠”帶來什么。
現有網絡的不足
傳統企業現有的工作網絡，通常工作在非授權頻段，一般以Wi-Fi，藍牙，RFID射頻、工業無線技術為主，存在網絡性能不穩定、終端移動性差、覆蓋有限等問題。由于這些系統來自不同供應商，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，制造業工廠一般地理位置處在郊區地帶，4G/5G的蜂窩網絡本身覆蓋不足，又因為廠房、設備導致屏蔽嚴重，使得廠區內的信號質量進一步下降，因此授權頻段也存在覆蓋弱、性能差等問題。
現有廠區無線網絡存在問題：授權頻段不穩定，非授權頻段干擾嚴重、覆蓋弱
R16通過定義獨立專網(SNPN，Standalone Non-Public Network)，工廠可以定制從基站，核心網，到管理系統的一整套方案，自成體系，并獨立于運營商公眾網絡。專網通過分配NPN ID給NPN網絡，RAN(Radio Access Network，無線接入網)廣播PLMN(Public Land Mobile Network，公共陸地移動網)+ NPN ID。基于NPN ID，可以進行小區、網絡選擇和接入控制，并通過網關以非3GPP方式和公眾網互通，使得園區內的網絡性能可控，并與外部網絡硬隔離。
擁有獨立NPN ID的專網部署形式，可以通過防火墻連接公眾網絡，使得專網用戶可以同時訪問公眾網絡
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接入網關)和N3IWF(Non-3GPP InterWorking Function，非3GPP互通功能)， 使得非3GPP的網絡(例如WI-FI或是有線網)可以接入5G核心網，將多張分割的網絡由5G核心網統一進行鑒權、計費和移動性管理，并對工廠已有設備做統一管理。
用戶通過非3GPP網絡(Wi-Fi)通過N3IWF接入5G核心網
獨立ID，獨立鑒權、計費系統，網絡干擾可控，性能和覆蓋得到保障 保密與跨地域組網需求
保密與跨地域組網需求
電信產業的競爭力來源于專利，是一種以公開換保護的策略;而在制造業中，核心競爭力往往來源于Know How的商業秘密，這類商業秘密通常不復雜，但是人無我有的技術壁壘卻能顯著提高生產力、降低生產成本，直接為企業帶來利潤，因此是各個企業需要嚴密保護的對象。為了竊取商業機密引發的案件[2]也層出不窮，甚至出現了董事長偷拍專利產線的事件[3]，因此各類企業一般都會禁止在車間內使用通信設備[4]，這會為員工的協作帶來一定的障礙，從而提升溝通的成本。此外大型企業往往不止一個生產地點，因此在多個廠區之間形成互聯互通的5G專網也是企業主的基本需求。
多個園區通過N19接口互聯[5]
R16引入的5G LAN作為解決這一問題的特性，通過5G接入網和核心網的支持，使得多個園區間可以構建專屬局域網，通過N19接口實現企業不同車間、不同工廠之間跨地域協作，組成廣域專網，統一的核心網控制用戶的接入、鑒權、計費和移動性管理，保證多個園區內網絡的統一，并且與外部網絡做到有效的隔離。
5G LAN保證多個園區內網絡互聯互通，通過核心網控制用戶的接入、鑒權、計費和移動性管理
專網頻譜和使用現狀
上述的NPN獨立部署場景需要廠區擁有專網頻段，這部分頻段在國內尚未確定。但是制造業強國德國早已先人一步，德國聯邦網絡局在2019年11月開啟了本地5G頻段的申請，將為本地5G網絡提供3.7-3.8GHz頻段，用于工業4.0、農業及林業。這個計劃初期旨在為企業提供一個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是使用的區域面積，以km² 為單位，a1和a2分別表示居住及交通區域和其他區域。
從公式中可以看出，基礎使用費率比較低，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公司和中小企業降低了門檻;同時費用和使用時長呈線性關系也有助于企業適時接入，從而降低費用。最后將居住區與其他區域(郊區)分別計費(前者是后者的6倍)，也傾向于讓企業避開覆蓋密集地區進行組網，降低頻譜協調難度，提高頻率利用率。
在推出這項政策之后，已經有博世、寶馬、大眾汽車、巴斯夫(BASF)、漢莎航空等33個公司申請了5G專網頻譜[7]，并開展了以下業務：
- 寶馬在其巴伐利亞州的一個園區建立了5G專網，并由德國一家電信軟件公司M3connect GmbH設置網絡并建立實驗室去測試不同供應商的設備。
- 漢莎航空的維修子公司漢莎航空技術公司(Lufthansa Technik AG)和運營商沃達豐(Vodafone)合作，建立了用于遠程發動機監測和遠程3D機艙設計的5G專網。相比于公眾網絡，專網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，并在2020年年底之前決定哪些網絡由運營商或是設備供應商進行管理，該5G網絡將主要用于生產設施和物流。
- 大眾汽車希望在帶寬密集型工廠配置5G專網，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來協調生產機器人和無人駕駛汽車，同時實時傳輸大量數據。
在國內，目前分配給垂直行業使用的頻譜還在研究中，企業只能使用運營商頻段進行組網，例如中國移動的的專網頻段n79 (4.8-4.9GHz)。此時專網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絡的部署模式，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和基于公眾網絡的NPN hosted by the public network，具體細節可以在[8]中找到。
R16之后
R16標準已經凍結，為5G專網的建立提供了技術保障。3GPP為垂直行業提供了一個高屋建瓴的視角，然而如何用這些技術滿足企業需求，并與企業原有的OT，IT，CT系統對接，為企業做到真正的降本增效，卻是任重而道遠。一如普通企業的數字化轉型，5G專網的發展，對工業企業、電信運營商、及整個工業產業的影響也將是巨大的。
期待5G專網真正有效的為企業做到降本增效
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，"遠景能源回應前員工涉竊取商業機密：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, "翻墻進同行廠區盜拍專利產線，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
【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術”原創稿件，轉載請聯系原作者】
