向工業(yè)園區(qū)的5G專網(wǎng)解決方案淺析

向工業(yè)園區(qū)的5G專網(wǎng)解決方案淺析

Summary：5G專網(wǎng)是驅(qū)動(dòng)5G+行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的重要載體，工業(yè)園區(qū)的5G專網(wǎng)建設(shè)是重中之重，驅(qū)動(dòng)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要推動(dòng)力。本文介紹了5G專網(wǎng)的建設(shè)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，基于分析專網(wǎng)建設(shè)需求，對(duì)面向工業(yè)園區(qū)的5G專網(wǎng)提出了一體化的解決方案，能夠更好的指導(dǎo)工業(yè)園區(qū)場(chǎng)景下5G專網(wǎng)的建設(shè)。Keys：5G專網(wǎng)；工業(yè)園區(qū)；解決方案當(dāng)前，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已進(jìn)入商用加速期，5G成為推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要載體。據(jù)畢馬威公司預(yù)測(cè)，5G技術(shù)在垂直行業(yè)的市場(chǎng)潛在價(jià)值超過(guò)4萬(wàn)億。國(guó)家高度重視5G在工業(yè)方面的垂直應(yīng)用，過(guò)去幾年，國(guó)內(nèi)已涌現(xiàn)出大量5G工業(yè)專網(wǎng)的優(yōu)秀案例。但對(duì)于5G工業(yè)專網(wǎng)的一體化解決方案還較少，本文將結(jié)合對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的思考，淺析面向工業(yè)園區(qū)的5G專網(wǎng)一體化解決方案。一、5G專網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)2021年開(kāi)始全球許多行業(yè)和企業(yè)都建立了自己的私有5G網(wǎng)絡(luò)。GrandViewResearch預(yù)計(jì)全球?qū)Ｓ?G網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)規(guī)模在2020年至2027年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為37.8％，到2027年將達(dá)到71億美元。2020年國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商都發(fā)布了自己的5G專網(wǎng)白皮書。目前我國(guó)建成的混合專網(wǎng)和虛擬專網(wǎng)已達(dá)數(shù)千個(gè)。5G專網(wǎng)建設(shè)雖已取得初步成效，但在業(yè)務(wù)推廣過(guò)程中，還面臨各種各樣的困難和挑戰(zhàn)，包括：（1）業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)5G的剛需不足，大部分場(chǎng)景5G價(jià)值體現(xiàn)較弱。按照HMS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，盡管近幾年均保持高速增長(zhǎng)，2020年工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的占比僅7%，而其中4%為工業(yè)WiFi。目前5G在行業(yè)的應(yīng)用也主要集中在基于視頻/圖像的應(yīng)用，如機(jī)器視覺(jué)、無(wú)人巡檢/維護(hù)、視頻監(jiān)控等，深入生產(chǎn)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)拓展剛起步。（2）產(chǎn)品能力不足，基于公網(wǎng)的架構(gòu)和產(chǎn)品在面向行業(yè)時(shí)匹配度不高。當(dāng)前階段的專網(wǎng)體系架構(gòu)和產(chǎn)品均以公網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和集采產(chǎn)品為主，而行業(yè)由于其部署環(huán)境、成本要求等，如礦山井下特有的部署場(chǎng)景，工業(yè)高可靠高安全要求等，需要如小型化核心網(wǎng)、本安型設(shè)備、云網(wǎng)業(yè)一體化產(chǎn)品等，而建設(shè)專門針對(duì)用戶的小型化核心網(wǎng)成本非常高。（3）項(xiàng)目差異性大，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化不足，使得項(xiàng)目周期較長(zhǎng)。在拓展行業(yè)時(shí)存在兩方面為題。一方面是行業(yè)項(xiàng)目需求差異性較大，盡管中國(guó)電信提出了能力體系——產(chǎn)品體系的組合，但針對(duì)具體項(xiàng)目，仍難以快速構(gòu)建解決方案并快速開(kāi)通。（4）缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即使技術(shù)上可行，商用部署仍存在障礙。由于現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)的慣性，部分5G應(yīng)用盡管證明了技術(shù)上的可行性，但由于缺少對(duì)應(yīng)的行業(yè)規(guī)劃、建設(shè)、部署、維護(hù)、安全標(biāo)準(zhǔn)，也缺少升級(jí)支持5G的裝備，使得行業(yè)部署的積極性不足。（5）產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)模式不成熟，行業(yè)客戶付費(fèi)意愿不強(qiáng)。場(chǎng)景價(jià)值低、5G能力和產(chǎn)品匹配度不高、產(chǎn)業(yè)鏈不完備，導(dǎo)致現(xiàn)階段能部署的5G應(yīng)用數(shù)量較少，使得整體擁有成本較高，行業(yè)客戶試點(diǎn)、測(cè)試的多，付費(fèi)的較少。二、工業(yè)園區(qū)5G專網(wǎng)典型場(chǎng)景需求分析工業(yè)園區(qū)一般實(shí)現(xiàn)廠房全景現(xiàn)場(chǎng)、生產(chǎn)線全程可視、遠(yuǎn)程專家診斷三大工業(yè)園區(qū)典型應(yīng)用場(chǎng)景。1)廠房全景現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)5G和智能感知設(shè)施，依托三維信息模型，對(duì)廠房?jī)?nèi)網(wǎng)絡(luò)、樓宇、交通、安防等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行收集、處理和分析，構(gòu)建與物理園區(qū)虛實(shí)映射、融合共生的數(shù)字孿生園區(qū)，對(duì)園區(qū)的人、車、企業(yè)、資產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行全連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全融合、狀態(tài)全可視、業(yè)務(wù)全可管、事件全可控，將全方位重塑園區(qū)的安全、體驗(yàn)、成本和效率。廠房全景現(xiàn)場(chǎng)對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求如下：表1

廠房全景現(xiàn)場(chǎng)對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求場(chǎng)景對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求廠房全景現(xiàn)場(chǎng)功能上行速率下行速率時(shí)延可靠性覆蓋范圍AR/VR圖像采集傳輸≥100Mbps/每終端≥20Mbps/每終端20ms~50ms99.99%廠房高清視頻監(jiān)控≥50Mbps/每路≥5Mbps/每路20ms~50ms99.99%廠房物聯(lián)采集≥10Mbps/每終端≥5Mbps/每終端20ms~50ms99.99%廠房2)生產(chǎn)線全程可視工業(yè)相機(jī)和各類數(shù)采設(shè)備，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)線上各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至管理端，通過(guò)在管理端對(duì)生產(chǎn)線建模并加載生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全程可視。生產(chǎn)線全程可視，極大的提高了管理效率，同時(shí)可依托相關(guān)生產(chǎn)模型為管理人員提供生產(chǎn)決策，提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線全程可視對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求如下：表2

生產(chǎn)線全程可視對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求場(chǎng)景對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求生產(chǎn)線全程可視功能上行速率下行速率時(shí)延可靠性覆蓋范圍機(jī)器視覺(jué)≥50Mbps/每終端≥20Mbps/每終端≤20ms99.99%生產(chǎn)車間數(shù)采≥20Mbps/每路≥10Mbps/每路≤20ms99.99%生產(chǎn)車間高清視頻監(jiān)控≥50Mbps/每路≥5Mbps/每路20ms~50ms99.99%生產(chǎn)車間3)遠(yuǎn)程專家診斷通過(guò)在園區(qū)建立5G通信網(wǎng)絡(luò)，利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家診斷。園區(qū)操作人員佩戴AR眼鏡，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及故障情況實(shí)時(shí)反饋至異地專家，異地專家通過(guò)視頻畫面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行指導(dǎo)，最大化復(fù)用專家的能力。遠(yuǎn)程專家診斷既節(jié)省了維護(hù)成本，也實(shí)現(xiàn)了專家的技能復(fù)制，解決了技術(shù)專家緊缺的難題。遠(yuǎn)程專家診斷對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求如下：表3遠(yuǎn)程專家診斷對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求場(chǎng)景對(duì)5G定制網(wǎng)性能需求遠(yuǎn)程專家診斷功能上行速率下行速率時(shí)延可靠性覆蓋范圍AR圖像采集傳輸≥50Mbps/每終端≥10Mbps/每終端≤20ms99.99%運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)三、總體建設(shè)方案根據(jù)不同的場(chǎng)景，選擇采用不同的定制網(wǎng)模式，如新建園區(qū)室分覆蓋，通過(guò)下沉輕量級(jí)UPF及MEC，為客戶提供5G定制化服務(wù)，滿足客戶需求。圖1

園區(qū)5G定制網(wǎng)總體方案圖3.1無(wú)線網(wǎng)部署方案以某工業(yè)園區(qū)為例，該工業(yè)園區(qū)面積9平方公里，其中廠房4棟，每棟占地面積1萬(wàn)平方米，辦公樓2棟，每棟9層樓，每層2000平方米。根據(jù)調(diào)研，客戶計(jì)劃實(shí)現(xiàn)廠房全景現(xiàn)場(chǎng)、生產(chǎn)線全程可視、遠(yuǎn)程專家診斷三大工業(yè)園區(qū)典型應(yīng)用場(chǎng)景。因此，需實(shí)現(xiàn)廠房和辦公樓5G室內(nèi)覆蓋。綜合考慮競(jìng)爭(zhēng)、效率、成本、收益、資源利用率、運(yùn)維、管控等多維度因素，建議采用以下方式實(shí)現(xiàn)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。工業(yè)廠房，需要實(shí)現(xiàn)廠房全景現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)線全程可視，需要安裝較多的高清攝像頭等視頻采集設(shè)備，容量需求較大。而廠房一般都比較空曠，隔斷就好，因此建議采用5G微基站進(jìn)行覆蓋，每棟廠房設(shè)置2個(gè)微基站，兩端各一個(gè)，4棟廠房共計(jì)需要8臺(tái)5G微基站設(shè)備，可滿足廠房全景現(xiàn)場(chǎng)、生產(chǎn)線全程可視等應(yīng)用需求。3.2承載網(wǎng)部署方案本期考慮建設(shè)2臺(tái)STN-A設(shè)備。園區(qū)A設(shè)備就近雙路由接入電信機(jī)樓中的STN-B設(shè)備，通過(guò)STN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)園區(qū)UPF與5GC互通。光纜建設(shè)需求分兩部分：一是BBU至微站、HUB的前傳光纜，二是STN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的回傳光纜。圖2

STN設(shè)備組網(wǎng)方案3.3UPF部署方案結(jié)合客戶對(duì)本企業(yè)數(shù)據(jù)管控的要求（生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)），且遠(yuǎn)程專家診斷中遠(yuǎn)程控制對(duì)時(shí)延要求高，因此本項(xiàng)目采用“比鄰模式”進(jìn)行5G定制網(wǎng)建設(shè)，基于下沉園區(qū)級(jí)UPF，通過(guò)N6接口訪問(wèn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)。圖3

定制網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3.4MEC部署方案邊緣MEC建設(shè)采用模式三中的ECX進(jìn)行部署，即：IaaS層、PaaS層均由云公司提供。根據(jù)下沉邊緣位置、承載容量規(guī)模綜合考慮，本次采用小型MEC節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)，即云GW、Spine、leaf合設(shè)在一起。四、結(jié)束語(yǔ)工業(yè)園區(qū)5G專網(wǎng)場(chǎng)景繁多，需求各異。需要以客戶業(yè)務(wù)場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，打造云網(wǎng)邊安一體化的5G專網(wǎng)。在實(shí)踐中，面向不同的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，還考慮邊緣MEC及安全平臺(tái)的建設(shè)，還需要開(kāi)展大量的試點(diǎn)應(yīng)用和實(shí)踐探索。Reference：[1]王夢(mèng)曉,方琰崴.5GToB行業(yè)專網(wǎng)建設(shè)方案和關(guān)鍵技術(shù)[J].移動(dòng)通信,2021,(2):48-52.[2]黃蓉，唐雄