5G行业专网设计与商业模式研究

张 涌，王茜硕，杨鸿宾（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

1 5G行业专网发展

1.1 5G专网是专网的新形态

5G 网络是一种全新的网络架构，它能提供10 倍于4G 的用户体验速率，其峰值速率高达20 Gbit/s，空口时延低至1 ms，具有99.999%的超高可靠性，可满足100万每平方千米的连接密度。5G标准对行业应用定义了mMTC 海量物联和uRLLC 低时延高可靠等全新场景，推动5G 由移动互联网时代迈向产业互联网时代。由于传统专网自身技术演进缓慢，建设和运营能力规模效益较差，5G 专网迎合行业客户宽带化、移动化、物联化、多业务融合发展的需求，助力行业数字化转型升级，5G行业专网是5G时代的重要产品。

5G 专网利用5G 组网、切片和MEC 边缘计算等技术为客户提供专属覆盖、网络定制、数据隔离、质量保证的基础连接网络，实现大带宽、低时延、安全可靠的数据传输，满足客户生产、办公、管理等应用的通信服务需求。本文通过对5G 专网网络技术研究，提出5G技术在行业应用典型组网方案，分析5G专网产品和商业模式，推动5G业务创新应用在行业的商业化应用。

1.2 行业需求驱动的专网建设

5G 时代行业客户对网络的覆盖质量、时延、上行容量等有更高的要求，传统专网在成本及灵活性等方面无法满足需求，5G 专网可解决上述痛点，并为垂直行业深层次赋能，推动行业深层次数字化转型。

5G 专网可满足垂直行业对业务多样化、数据安全化、运维自主化日益增长的需求，5G 专网的需求与垂直行业应用场景高度契合，运营商在基站站址、通信网络等方面具有先天资源优势，有能力参与并引领5G专网，进而激发出新的产业、新的业态和新的模式。以电力行业专网为例，无线专网建设要求发、输、变、配、用各类设备及人员泛在接入、全程在线，全面感知电网信息和设备状态，全面实现电网末端配用电设备的实时可靠控制，最终实现能源生产和消费的信息互通共享。

以电力场景为例，为满足电力业务终端层万物互联的连接能力，打通输电业务、变电业务、配电业务、用电业务、经营管理等业务场景，5G 电力创新应用重点在现有配电自动化、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电桩等各类业务基础上，逐渐向差动保护、精准负荷控制、实物ID、移动巡检、机器人巡检、视频监控、AR/VR 运维应用等新兴业务延伸，结合5G 专网网络技术和应用场景划分，从网络性能、业务接入和安全可靠性等维度，设定低时延高可靠、广覆盖大连接、大容量高带宽的3类业务应用场景，以实现各类终端设备的泛在接入、智能化应用。

行业用户的需求普遍呈现多样化，需要针对不同的行业业务需求匹配合理的部署方案。其中，安全要求极高的场景对专频专网有较高的依赖性，而一般场景使用公网专用部署方案可以达到较高性价比。2B的行业需求与这4个因素相关：网络部署区域、安全要求、经济承担能力和业务属性，其中部署范围、安全保障是最重要的影响因素，占比达到70%。针对2B差异化的部署场景，考虑用户安全需求、承担能力及运营商把控能力，并结合无线侧保障技术和核心网部署方案，本文总结出如图1 所示的7 种不同的5G 行业部署方案来适配不同行业场景，在具体场景使用中可作参考。

图1 5G行业专网部署方案

2 5G行业专网设计应用

2.1 行业专网关键技术

5G 专网利用运营商网络频谱资源及移动网络运营优势，针对工业制造、能源矿山、交通物流、港口码头、军队/监狱机构、城市安防、新媒体、医疗及大型企业等场景，为客户打造“专建专维、专用专享”的专有网络，提供以5G为核心技术的综合型专网，融合切片、MEC、Wi-Fi6 等技术，为客户提供定制化的QoS 保障和业务隔离的安全独立网络。

根据网络定制化程度，5G 专网产品分为5G 独立专网、5G 混合专网、5G 虚拟专网三种，为客户提供特定区域覆盖、数据可靠传输、业务安全隔离、设备可管可控的基础连接网络，满足客户在组织、指挥、管理、生产、调度等环节的通信服务需求。

行业专网由核心网、基站、回传网、终端、网管系统等构成，网络结构如图2所示，行业专网建设考虑定制化的行业业务需求，验证业务场景下5G 网络带宽、时延、覆盖范围、容量等网络性能指标。专网的应用设计中需要重点针对业务的网络需求研究端到端网络切片方案并验证网络隔离性和安全性，分析业务适配性和业务承载性能。

图2 5G行业专网关键技术

2.2 无线和核心网络规划与流程

5G 无线专网应满足业务发展需求，并与骨干通信网络协调发展。无线专网规划设计应结合行业生产、管理现状及发展目标，以业务应用需求为导向，提出规划设计思路、目标、原则和建设方案。在满足业务生产安全性的前提下，结合终端分布密度、各类通信设备资产全寿命周期比选结果，建设无线专网，避免重复建设和重复投资。

专网规划设计应包括业务需求分析、核心网规划、基站规划、回传网投资分析。以电力无线专网为例，在专网的设计中采用先进成熟的无线通信技术，提供安全的数据传输通道，规划建设应统筹考虑调度自动化、配电自动化、用电信息采集等业务以及无线终端、网管系统、网络安全、机房和电源部分等软硬件系统。以下是5G无线专网规划设计的主要原则。

a）安全性原则。无线专网规划设计应以保障业务安全稳定运行为核心，实现各类业务信息在无线专网中的安全可靠传输。

b）标准化原则。无线专网规划设计应遵循统一的技术政策、技术路线、标准规范，对系统进行标准化设计。

c）差异化原则。无线专网规划设计应实行差异化原则，充分考虑不同区域的发展水平、业务需求、系统规模差异，合理确定建设标准和规模。

d）经济性原则。无线专网规划设计应遵循经济性原则，充分挖掘现有通信技术以使整体成本最优。

2.3 专网安全方案

5G 专网在应用中需要满足通信设备的安全要求，确保网络及业务的安全、完整、可用。因此需要专网提供终端、接入、传输、边缘、核心、企业边界等端到端的安全防护手段，通过系统化的安全防护管理机制实现对用户、用户组和角色的管理，分权分域等安全控制。图3 是专网网络安全架构。在5G 网络中通过配置TAI 与专网切片的对应关系，可灵活限制终端可接入的特定位置，防止跨区冒用，避免终端设备被恶意带走后相关的企业数据泄密的风险。5G 核心网策略可灵活控制终端对企业资源的访问权限，同时在原有运营商认证基础上，增强企业自主二次认证能力，防止非法接入。

图3 端到端的5G行业专网安全方案

以某油田为例，5G 专网整体解决方案架构如图4所示。

图4 5G油田专网设计案例

a）无线覆盖方案：项目初期，在采油厂保护区以北区域开通一处5G 基站，依据测试模型，基站可覆盖半径2 km以内的井场，单个基站覆盖数量可达200个。根据油井位置分布，规划了另外5 个站点进行信号覆盖，基站建设完成后可基本满足保护区以北油井的5G覆盖。

b）终端接入方案：无线压力、温度以及角位移传感器继续采用现网Zigbee 通信方式，通过RTU 汇聚后转换为TCP/IP协议与DTU互联通信，摄像头通过TCP/IP 协议直接连接DTU。DTU 装载中国联通5G 卡后接入5G网络。

c）5G 切片方案：5G 空口基于5QI 进行业务优先级保障，5G 承载基于DSCP 业务优先级保障，5G 核心网对用户进行QoS策略制定和管理。

该方案可与2C/2H 用户共享5G 网络资源，快速进行2B 业务发放。用户保障基于QoS 方案，无需改造现网，可以同时实现用户级和业务级体验保障。无线载荷、压力以及位移传感器通过RTU 进行汇集，摄像机、DTU 以及电表等设备安装在距离油井旁十余米的立杆上，RTU 及摄像机通过双绞线连接DTU，视频图像和传感器数据经过DTU 接入5G 网络。该方案在5GC核心网上做用户策略配置，油井数据由5G基站转发至运营商机房的MEC上，与公网公众数据隔离。

3 5G行业专网的商业模式

3.1 专网项目商业模式

运营商在5G专网业务拓展中应重视运营服务，提升产品丰富性和灵活性。5G 专网属于典型的“集成+运营”类产品，集成服务包括无线网、传输网、核心网、自服务管理平台以及勘查设计、集成安装等服务。运营服务包括频谱占用、定制开发及服务、运维服务、知识转移与培训、号卡服务等。5G 专网可根据客户需求及专网类型，灵活组合集成及运营服务。

3.2 专网项目部署模式

以5G 智慧矿山部署独立式MEC 为例，在实际部署中MEC 设备部署在矿山机房中，矿山专网流量进行本地卸载。企业注册用户可按企业定制需求访问不同网络，在兼顾企业专网和公网业务的同时，实现基于园区范围的网络隔离，保证了企业数据的安全性和隔离性。如图5 所示，公网用户访问互联网按照路由①执行，专网按照路由②执行。

图5 5G矿山专网部署模式案例

该专网方案通过与公网核心网对接，满足专网内用户访问公网的业务需求。同时在机房建设MEC 边缘云，根据用户业务流特征，将访问本地网络的业务流分流到本地业务服务器，实现业务流量的本地卸载，避免流量迂回，降低用户访问时延。

3.3 5G专网应用案例

3.3.1 5G智慧矿山

在矿山场景通过在地面部署本地核心网、MEC 设备，在井下建设IPRAN 环网、多模5G 基站为煤矿打造井下“一张网”的高质量网络环境，提供高速、低时延的数据传输能力，实现智能矿山的全面感知、实时互联、协同控制功能。

如图6 所示，智慧矿山通信网采用混合5G 专网方案承载生产类业务，在矿区部署独享基站+UPF，并部署MEC 设备实现本地分流，具体建设内容如表1 所示。

表1 某矿山5G专网建设内容

图6 某矿山塔5G专网示意图

3.3.2 5G智慧钢厂

5G 工业专网建成后，平均网络时延将低于15 ms，数据传输速率将提升百倍，相当于在工业园区搭建了一条“无线信息高速公路”，实现实时设备状态监测、安全监控等应用。5G 智慧钢厂的方案中结合5G 网络、物联网等新技术，着力解决钢铁冶炼生产中的信息化应用等方面的问题。根据客户需求，生产作业场景采用独立5G 专网方案，办公生活场景采用混合5G专网方案。如图7所示，室外部署宏站设备，与中国联通大网共享使用；室内部署室分设备，客户独享。客户侧部署一体化独立核心网网元，通过MEC 设备实现业务数据本地分流。方案建设内容如表2所示。

表2 5G工业专网建设内容

图7 5G工业专网示意图

3.3.3 5G智慧港口

5G 网络为港口高清视频回传提供了大带宽保障，为设备远程控制提供了低时延保障，在满足港口通信业务的同时，可以有效解决港口布线复杂、成本高的问题。如图8 所示通过在港口部署MEC 边缘云实现视频流、控制指令等业务流本地卸载，既保证了港口运营数据安全性，更进一步降低了业务传输时延。

图8 中国联通智慧港口示意图

根据客户需求，中国联通为其量身定做5G 专网+MEC+CPE 解决方案，实现应用本地化、内容区域化和计算边缘化。此方案实现了港口设备全连接、远程控制、精准控制，大幅提高了港口设备的操作灵活性和工作效率，提升了港口作业自动化程度，减少了港口作业人员数量，降低了港口的劳动成本和作业安全隐患。

4 结束语

数字化转型驱动着运营商提供差异化、定制化、融合管理的网络服务，以此确保行业关键业务高效率并行、业务数据安全以及网络管理的自主便捷。5G专网的网络定制、业务隔离、客户自服务等新能力满足垂直行业高度个性化、碎片化的需求，推动行业深层次变革。总的来看，行业的智能化升级对于5G网络的需求是非常明确的，包含了多业务承载、低时延控制、安全保障等特征。不同的应用场景具有不同的网络要求，这与行业的特征有关，也与客户定制化相关。对于5G 网络建设和商业模式的弹性化提出了更高的要求。现阶段，矿山、制造等重要行业场景具备了商用的条件，在应用落地中证明了5G专网是最佳的解决方案。