5G专网技术应用与方案设计

齐佩钧

（中国联合网络通信有限公司太原市分公司 山西省太原市 030000）

1 概述

专网，是指在特定区域为特定行业或企业用户提供的专用通信网络。相较于公网，专网性能更强、可靠性更高，安全性更好，且可随需求进行定制，在军用、公安、铁路、港口、能源、制造等场景都有应用。而5G 专网是服务特定用户的专用5G 网络,是覆盖在指定区域、提供数据不出场、性能确定等特点的规模化网络。

在国家政策的指导下，我国5G 发展迅速，5G 产业链上下游技术服务商、设备供应商、运营商、行业客户等多方积极协同，以技术和需求双向驱动，有效加快了5G 的发展步伐。5G 网络主要面向物联网和工业互联网，赋能千行百业。预计到2023年，5G 主要应用的价值空间将超万亿，到2026年，5G 60%的新增市场机会将来自于2B 行业应用。

在使用5G 频段方面，德国、法国、日本等国家为垂直行业分配了专用的5G 专网频段并且允许企业自建5G 专用网络。在我国，部分省份提出5G 专用频段申请，拟在政务、公安、应急管理、电网等重点行业建设5G 专网。

在组网方式上，5G 有独立组网、混合组网和虚拟组网三种专网组网模式。从目前实践成果来看，除特殊行业和山区、井下矿区等采用独立专网以外，其他行业还是以混合专网、虚拟专网为主要5G 专网形式。相对于独立专网，混合专网和虚拟专网在建设成本、部署周期、调测难度和运维成本等方面都有较大的优势，同时，这两种组网方式在不同程度上达到网络“共享”，不需要单独分配频谱资源，能够有效提升频谱利用率。

2 5G专网技术

2.1 5G独立专网

如图1所示，5G 独立专网是指在一定地域或一定行业范围内，通过专用基站、专用核心网等独享专用设备，采用专用频段完成网络建设，实现数据通信。这种网络部署方式与公众5G网络物理隔离，能够达到数据信息高度保密、网络特性高度定制的效果。

图1：5G 独立专网

2.2 5G混合专网

如图2所示，5G 混合专网是通过5G 数据分流技术，将核心网部分功能从运营商核心网下沉至行业客户专网侧。无线侧可根据需求，利用公网实现或在特定区域加装无线基站设备。这种网络部署方式是部分独享、部分与公众网络共享的模式，能够实现数据本地处理、网络功能定制，同时也可避免公众网络故障时对生产、办公的影响。

图2：5G 混合专网

2.3 5G虚拟专网

5G 虚拟专网是完全基于5G 公众网络资源，采用QoS（服务质量）或切片技术，实现从无线基站到核心网整体网络完全共享的逻辑专网，同时可提供具有特定SLA（服务水平协议）保障。

3 5G专网应用方案设计

在工业场景中，根据不同需求设计了以下几种应用网络架构，涉及三种组网方式，且均已完成实地测试或已成功应用。

3.1 矿用井下5G独立专网

如图3所示，项目在铁矿井下进行5G 专网建设，该矿区在进行5G 智能矿山建设，无人驾驶电机车项目的实施需要最先进的5G通信技术提供无线网络支撑。5G 网络低延时、大带宽、广连接的特性，能为无人驾驶电机车提供稳定可靠的网络环境。

图3：矿用井下5G 独立专网组网

矿用井下5G 无线通信网络架构与常用地面5G 网络架构相同，但网络部署位置可分为地面部分和井下部分。地面网络部分主要部署核心网设备（企业级轻量化5G 核心网），其余的控制单元、数据汇聚单、微型射频拉远单元等网络设备部署在矿井，构成井下网络部分。

企业级轻量化5G 核心网是构建园区自主可控的专有网络，提供更加贴近行业应用的定制服务；提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权、语音和数据的交换；矿方可自主管控自己的用户；矿方数据不出园区，保证所有数据信息的安全可靠。通过在矿区部署企业级核心网设备，实现煤矿5G 无线通信系统独立组网、独立运行，在矿区与运营商传输链路发生故障或者外部网络故障时，能够实现5G 无线通信系统安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输的可靠性、稳定性，在有效范围内可以支持正常的语音、数据、视频通信传输。

基带控制单元（BBU）和远端数据汇聚单元（RHUB）的完成基带信号的处理，提供线资源管理、传输管理和接口。

由微型射频拉远单元（pRRU）和无源双极化定向天线组成基站，实现井下5G 无线信号的覆盖，配套的天线具备增益功能，增益后的发射阈功率满足防爆安全要求。

本方案中5G 无线通信网络采用NR TDD（Time Division Duplexing，时分双工）制式，频段为3500-3600MHz，组网方式为SA（Standalone，独立组网）架构，通信类别及制式均为经营许可范围，符合国家现行规定。

3.2 高新制造业高可靠双链路独立专网

项目在6C 产业工厂车间进行实际部署测试，该工厂为精密专业从事电脑、通讯、消费电子、数位内容、汽车零组件、通路等的生产制造，严格要求技术和生产数据不出园区、保证数据安全，在数据传输、设备控制方面对低延时要求极高，同时，工业生产要求稳定网络，网络故障直接导致停产，影响企业效益和运营。

原有CNC 数控机床的车间设备数据回传是通过有线回传，由于厂房环境相对有限，布线比较繁琐，油污染也比较严重，维护起来也不方便。数据回传还是通过运营商的网络，数据安全也相对有限。采用5G 专网的方式可实现园区的5G 无线覆盖，为AGV 小车、机械手和机床等设备的远程控制与数据传输提供无线传输环境。5G传输的设备专网数据通过5G 核心网传送到工业管控调度平台，以5G 专网为基础来打造5G 无线智慧工厂。

在这种应用场景需求上，我们采用独立组网的方案。

5G 网络架构通过链路实时备份的方式，可具备整条链路的抗灾能力，从上到下配备两套核心网，分别连接至两台5GIPRAN 交换机，交换机下分两条链路（一主一备），平分100Mhz 频谱带宽，每条链路配备一台BBU，一台HUB，三台pRRU（划分两个小区）。所有设备同时运行，主备链路均提供5G 信号双频点覆盖相同区域，无线端设置优先连接主链路5G 信号，当主链路信号任何一点出现故障造成信号丢失时，自动切换至备用链路5G 信号。

3.3 食品制造业园区5G混合专网

本项目是在某酿造企业园区里建设5G 专网，支撑园区安防监控、视觉AI 检测、消防、智能灌装生产线等5G 应用。园区已覆盖5G 公网，采用混合组网的方式快速实现5G 专网的部署。

公网5G 基站双联5G 核心网的混合组网模式下，企业5G 专网与5G 公网共享基站，5G 专网具备和5G 独立专网同等的高带宽、低时延等性能，部署成本相对较低；采用5G 端计算网关产品，具备计算能力、AI 能力，可提供灵活的管理和控制权限；5G 轻量化核心网产品在生产安全方面实现了“人物隔离，人走公网，物走专网”、“数据不出园区”，提升企业数据安全性；混合组网模式也为行业客户打造“逃生模式”，即在5G 公网传输中断时，5G 专网可正常运行，从而保障企业5G 业务连续性。

3.4 建筑材料制造及施工现场5G虚拟专网

如图4所示，该项目施工厂区已实现5G 公网的全覆盖，在施工完成后5G 应用地点发生改变，在这种情况下提出5G 虚拟专网的解决方案，以最低成本实现网络的灵活部署。

图4：建筑材料制造施工现场5G 虚拟专网

虚拟专网采用基于QoS 的用户保障方案，与2C/2H 用户完全共享5G 网络资源，快速进行2B 业务发放，无单独进行网络规划，可以实现用户级和业务级体验保障。具体的，在5G RAN 上，采用基于5QI 进行业务优先级保障和PMBR/GBR 特性保障；在5G承载网，采用基于DSCP 业务优先级保障；在5G 核心网侧，进行QoS 策略制定。

4 结论

5G 专网的设计方案依据三种基本组网方式，结合应用场景对时延、数据安全、生产控制以及公网覆盖情况、建设费用等多方面因素考虑。

在矿区井下建设5G 专网，由于矿区大都远离市区，地势复杂，5G 公网基础建设薄弱，方案多采用独立专网的方式实现矿山的无线覆盖；在高新技术产业，生产控制对延时要求和网络稳定性要求高，需要在网络设计时双路设计来保障网络不中断、业务不受影响；在一些生产园区里，通过混合组网的方式可低成本、快速实现专网的建设，服务于园区AI 质检等智能化应用；对于建筑材料制造、施工现场等场景，5G 专网的需求根据项目地点的变化而变化，呈现非固定性，可依据公网建设的基础通过虚拟专网的方式搭建5G专网，避免资源的重复投入。

未来5G 专网的应用方案设计仍然会以三种基本组网方式为基础，但会更加紧密的结合行业特点和工业场景，更充分的发挥出5G 在每个特定工业场景的作用，呈现出更加丰富多样的可落地方案，加快工业互联网的发展，促进工业转型升级。