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5G专网的三大部署攻略
 

【作者: imec】2022年06月07日 星期二

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新一代的制造模式,例如工业自动化,通常伴随着严苛的服务品质(QoS)要求,不论是工厂的制造流程,或是厂房内部使用的通讯系统,都要遵守业界规范。因此,制造商对无线通讯业者寄予厚??,亟需具备超高可靠性、网路备援、进阶安全功能与全年高效运转的网路服务。


然而,运用现有的公用网路基础设施,要确保维持电信商用等级的服务品质,实非易事。因此,电信服务业者的企业用户陆续开始转向私人专网带来的全新机会。



5G网路技术具备性能与架构设计的优势,势必成为新一代(无线)专网的关键推手,但其实还有其他的竞争对手。新一代的Wi-Fi网路,例如Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax)与即将推出的Wi-Fi 7(IEEE 802.11be)无线网路标准,持续跟紧5G步伐升级效能,不仅提升资料传输率,更把延迟、时间同步误差与可靠度纳入考量。本文仔细衡量上述两项网路技术的优缺,并为了提前部署无线通讯专网,统整出三大攻略。


不仅如此,在网路架构的另一端,一段全新发展甚至是革命正在展开。常规的行动网路终端装置,尤其是其内建的晶片组,有可能会被可依照企业用户个别需求与业务考量进行量身订制的晶片与装置取代。一直以来,通讯网路市场仅由少数几家晶片厂商把持,这会是吸引不同业者进军的契机吗?


攻略一:基於电信商公用网路设施的5G专网部署

行动网路业者(mobile network operator)在竞标5G频谱的时候,通常目标是尽可能地扩大各自的网路服务范围。因此,他们具备一定的优势来满足企业用户部署专网的需求,包含网路切片、虚拟化,以及开放租用5G基础设施以提供非公用网路(non-public network)服务。



图一 : 5G非公用网路(non-public network)服务架构示意。
图一 : 5G非公用网路(non-public network)服务架构示意。

关键技术:网路切片

5G网路特别适合用来支援企业专网应用。5G技术具备多项特点,像是网路切片技术。行动网路业者把从公用网路分割出来的「网路切片」,作为独立且供私人使用的子网路,专门分配给单一(企业)用户,还能进行客制化,设定所需的频宽、延迟与服务品质等。


这种部署策略能够创造双赢局面。对电信商而言的优势显而易见,企业应用案例不仅建立在其(现有)的基础设施上,还能导入自家专业技术与所属频段,另提供语音、宽频网路或是托管服务。同时,企业也能从中获益良多,因为他们就可以不必投资那些昂贵设备,像是无线电接取与核心网路,也不用亲自处理架设与管理私人5G专网的繁复工作。


这套作法乍看似??万无一失,但其实也有一体两面。最要紧的是,企业最终必须把具时效性且与关键业务或任务有关的资料传送到他人所有且无法亲自控制的网路上,这不仅带来资安风险,还可能延长讯号传输时间。


其他替代方案

尽管「专网即服务(private networks-as-a-service)」的商业模式有其潜在弱点,但却很适合那些位在某电信商现有5G网路服务范围内,又几??毫无部署与管理行动网路经验的企业使用。


除了网路切片,还有一套5G专网的替代部署方案,同样建立在行动网路业者的公用网路基础设施上。不同的是,企业可以选择只用电信商的无线电存取设备,随後立刻将所有资料流量连接到企业网路上,如此就能避免资安漏洞。电信商一样会负责所有部署安排,包含启用网路、支援SIM卡、网路管理等,但是所有资料仍由企业用户直接控管。


企业甚至可以进一步考虑单独选用电信商的无线电塔,也就是整个网路架构中最昂贵的硬体设备,进行客制化部署後,就能独立管理与运营自己的专网。最後,企业还能选择自行建置5G专网,与当地行动网路业者协商取得专用频谱。


换言之,要借助公用网路业者的专业技术与基础设施来建立5G专网有不同的部署模式,多半取决於企业愿意投入多少成本,还有是否具备(行动)网路架设与管理的专业知识。


硬体规格需求(网路虚拟化概念)

5G网路的部署内容小至天线,大到核心网路,需要庞大的资本投资。好在5G网路本身支援网路功能虚拟化(network function virtualization),这样一来,软体就能取代多数昂贵的网路专用设备,在一般商用的伺服器上运作。


这不仅更节省成本,还能增加部署弹性。虚拟化的概念是在虚拟机器或软体套件(容器)上组合与运作网路的主要功能,还能结合管理系统。需要扩充网路容量或功能时,这些虚拟机器或容器也能方便复制或升级。


然而,客制化硬体设备的需求还是无法避免,例如安装天线,另外,用户终端设备也必须内建最先进的晶片组,才能支援5G网路进行高速编解码与实现超可靠低延迟通讯标准(URLLC)的功能。


目前5G晶片组的生产还在起步阶段,现有产品都是依据3GPP R16标准开发的预备商用化研发成果,能够支援URLLC标准的功能有限。这也不禁引发猜想,究竟5G终端设备市场会如何发展?是一贯落入少数几家晶片厂商的手中吗?但他们的优先考量或许并非开发符合URLLC标准的客制化晶片组。那麽,这是不是其他厂商进驻市场的良机?他们可以趁机着手研发锁定企业用户专业市场的5G无线数据机晶片。


欧盟於今年2月发布的《晶片法案》(Chips Acts)能在此时推波助澜。例如,欧洲在20年前因为人力成本高昂,因而淡出晶片制造市场,但在最新法案的助力下,局势可能在数月甚至数月内反转,开启全新局面。


攻略二:设置独立组网架构的5G专网

采用电信商的公用网路基础设施可能导致资安漏洞与延迟问题,因此不少组织偏好设置独立组网(standalone)的5G专网,像是5G工业联网自动化联盟(5G-ACIA)。这些独立专网可以与电信商的公用网路系统完全分隔并单独运作。


5G小型基地台的愿景

5G独立专网适合布建在港囗、大型工业园区,或是任何其他地方,只要有企业愿意互相合作,与专业的或具备竞争优势的网路服务商签约来进行专网部署与管理。


公网与专网必须面临相同的硬体挑战,都与电信商有关,主要是用户终端设备问题。不过公网主要采用大型基地台来覆盖户外的网路使用区域,而专网特别采用小型基地台的新兴技术。


小型基地台的设计目的是提供网路服务至户外小型区域与室内场地,与传统的无线基地站相较,不仅更方便部署,还能降低成本。通常会结合与ORAN相容的网路技术,这样就能弹性配置与配对不同厂商提供的无线电存取设备与软体,只要使用标准化的开放式介面,就能确保互通运作。


因此,在针对企业关键业务与关键任务的连线需求而部署行动网路时,必须达到成本效益。然而,要施行这套部署方案有个前提,就是网路服务商必须成功取得用来部署当地专网的5G频谱,但目前全球仅有少数国家释出这类频谱。



图二 : 小型基地台的设计目的是提供网路服务至户外小型区域与室内场地。
图二 : 小型基地台的设计目的是提供网路服务至户外小型区域与室内场地。

校园5G专网的频谱规划:法规限制

目前,全球多数国家的5G频谱竞标都着重在全国各地的网路部署,几??没有预留任何频段给5G区域专网使用,所以目前的校园网路部署案例多半是理论实验,只有德国是例外,该国为了校园专网应用释出了100MHz的3.70GHz~3.8GHz频段。其他还正在观??是否跟进的国家包含澳洲、西班牙和美国。


攻略三:5G大型基地台结合Wi-Fi 快速且低成本的室内网路部署

谈到启用专网服务时,5G产业全都押注在5G URLLC功能,也就是讯号延迟低於1毫秒,同步误差小於1微秒,可靠度高达99.999%。


换句话说,Wi-Fi具备一定优势,尤其是在室内网路应用。一方面,Wi-Fi网路的安装比行动网路还要简便、快速,成本也更低。另一方面,Wi-Fi网路(IEEE 802.11)还有相容性优势,能与乙太网路(IEEE 802.3)相连,後者为企业熟知,而上述两者被归在同一网路标准系列。


5G与Wi-Fi的差异

5G与Wi-Fi的技术相似,包含使用的实体层、讯号波、编解码方案与通讯支援机制,全都雷同。两者支援的位元率大致相同,而且根据概念验证测试,Wi-Fi 显然能够提供与URCCL标准相似的网路效能。


主要差别在於5G使用的是经过授权的频谱,专门分配频段给电信商,而Wi-Fi技术则在开放的频谱上运作,因此需要遵守相对严格的业界规则。Wi-Fi装置必须检验其他装置或技术,确认没有使用相同的无线电频段後才能运作,因此,每当无线封包开始传递,Wi-Fi传输必定会面临或短或长的停顿,这就会导致延迟增加。


不过,既然无线频谱适用於不同的网路技术,那麽把某些频段分给Wi-Fi技术使用也是可行,这就和配合5G专网应用而释出该地区的部分频谱一样。如此一来,Wi-Fi网路就能不再受限於那些严苛规则。


实际上,Wi-Fi与5G争夺频谱的剧情已经上演。一方面,5G R16标准就开放了一些全球未授权的频段(NR-U)给5G使用,另一方面,Wi-Fi也在延伸使用频段范围,除了2.4GHz和5GHz,Wi-Fi 6E亦即Wi-Fi 6的延伸版本,已经踏入6GHz频段,比起目前开放给校园使用的100MHz专网频段,Wi-Fi传输效能更隹且稳定,速度也较快。


因此,5G和Wi-Fi最终极有可能共同存在,就算是在支援专网的应用领域。行动网路像是5G受惠於其广泛的覆盖范围,在户外网路部署略占优势,而Wi-Fi顺势导入室内网路应用。



图三 : Wi-Fi版本的技术演进表。
图三 : Wi-Fi版本的技术演进表。

Wi-Fi硬体:向下相容性议题与商机

对Wi-Fi而言,包含无线电终端设备在内的所有硬体设计都越来越复杂。在开发一般消费市场的Wi-Fi存取装置时,设计人员必须确保装置能与历来所有的Wi-Fi标准向下相容,这使得新一代Wi-Fi晶片的研发工作更趋繁琐,成本高昂。


然而,在锁定企业用户的专业市场,向下相容性并非必需。这反而开启了全新的蓝海市场,有兴趣进驻的业者可以开发优化性能的终端装置,而有意购买客制化与高效能产品的消费者也能满足个别企业需求。


(本文作者Ingrid Moerman、Jeroen Hoebek与Dries Naudts任职於imec网路技术与资料科学实验室(IDLab),为设於比利时根特大学与安特卫普大学的研究团队;编译/吴雅婷)


**刊头图(source:Adobe Stock)


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